| Titre : | Élimination du cuivre, des nitrates et des phosphates des eaux par adsorption sur différents matériaux |
| Auteurs : | Abdelkader Ouakouak, Auteur ; leila Youcef, Directeur de thèse |
| Type de document : | Monographie imprimée |
| Editeur : | Biskra [Algerie] : Université Mohamed Kheider, 2017 |
| Langues: | Français |
| Mots-clés: | Cuivre,nitrates,phosphates,adsorption,charbon actif,bentonite Copper,activated carbon,bentonite |
| Résumé : |
L’objectif de ce travail est d’étudier l’élimination par adsorption du cuivre, des nitrates et des
phosphates dans des solutions aqueuses. Différents matériaux adsorbants ont été testés à savoir le charbon actif en poudre (CAP), le charbon actif en grains (CAG) et la bentonite de Maghnia à l’état brut (Bb) et activé (Ba) par l’acide sulfurique (H2SO4). L’effet des paramètres réactionnels influant l’adsorption a été étudié et l’application des modèles de la cinétique et de l’équilibre d’adsorption a été détaillée. Les résultats des essais d’adsorption ont montré l’efficacité des adsorbants employés pour l’élimination des trois polluants étudiés. En eau distillée, la quantité maximale adsorbée (qm) du cuivre, des nitrates et des phosphates était respectivement de 2,2 mg/g (sur CAP), 13,16 mg/g (sur CAG) et 4,49 mg/g (sur Ba). Nos résultats ont montré également l’efficacité des adsorbants testés vis-à-vis de la dénitrification d’une eau souterraine contenant initialement des nitrates et la déphosphatation des eaux souterraines dopées en phosphates. Les paramètres réactionnels comme le pH, la dose de l’adsorbant et la teneur initiale du polluant influent considérablement sur la capacité d’adsorption de chaque adsorbant. La modélisation de la cinétique d’adsorption a montré que le modèle de pseudo-second ordre décrit parfaitement les données expérimentales de l’adsorption. La diffusion intra-particulaire est impliquée dans le mécanisme d’adsorption et s’effectue en plusieurs étapes (deux ou trois) pour les trois polluants étudiés. En outre, les équations de Langmuir et de Freundlich ont montré une meilleure description des données des isothermes expérimentales d'adsorption Abstract The aim of this work is to study the removal by adsorption of copper, nitrates and phosphates in aqueous solutions. Various adsorbent were tested such as powdered activated carbon (PAC), granular activated carbon (GAC), the natural bentonite of Maghnia (Bb) and after its activation (Ba) by sulphuric acid (H2SO4). Effect of certain reaction parameters influencing adsorption was studied. The application of models of the kinetics and the adsorption equilibrium was detailed. The results of the tests of adsorption showed the efficiency of the adsorbents employed for the removal of the three studied pollutants. In distilled water, the maximum adsorbed quantity (qm) of copper, nitrates and phosphates were respectively 2.2 mg/g (on PAC), 13.16 mg/g (on GAC) and 4.49 mg/g (on Ba). Our results also showed the effectiveness of tested adsorbents in the denitrification of groundwater containing initially nitrates and in dephosphatation of groundwater enriched by phosphates. Reactional parameters such as pH, the amount of the adsorbent and the initial content of pollutant influence considerably the capacity of adsorption of each adsorbent. The modeling of the kinetics of adsorption showed that the model of pseudo-second order describes perfectly the experimental data of adsorption. The modeling of the kinetics of adsorption shows that the model of pseudo-second order describes perfectly the experimental data of adsorption. The intra-particle diffusion is involved in the adsorption mechanism and takes place in several stages (two or three) for the three pollutants studied. In addition, the equations of Langmuir and Freundlich show a better description of the experimental data of the isotherms of adsorption tested. |
| Sommaire : |
Introduction générale……………………………………..................................................... 01
Partie Bibliographique Chapitre I : Etat de connaissances sur le cuivre, les nitrates et les phosphates I.1. Introduction……………………………………………………………………………………. 05 I.2. Le cuivre………………………………………………………………………………………. 05 I.2.1.Propriétés physico-chimiques du cuivre …………………………………………………. 05 I.2.2.Le cuivre dans la vie quotidienne de l’homme………………………………………….. 08 I.2.2.1. Origine naturelle du cuivre………………………………………………………………. 08 I.2.2.2.Domaine d’utilisation du cuivre………………………………………………………….. 08 I.2.2.3.Le cuivre dans les denrées………………………………………………………………. 08 I.2.2.4. Apport quotidien recommandé………………………………………………………….. 09 I.2.2.5. Métabolisme de cuivre par l’être humain…………………………………………….... 09 II.2.3. Effets et nuisances de cuivre……………………………………………………………. 10 I.2.4. Le cuivre dans l’environnement et dans les eaux………………………………………. 11 I.2.5. Contamination des eaux par le cuivre en Algérie………………………………………. 12 I.2.6. Valeurs limites pour le cuivre dans les eaux de consommation………………………. 13 I.2.7. Elimination du cuivre par adsorption……………………………………………………... 13 I.3.Les nitrates…………………………………………………………………………………….. 14 I.3.1.Caractéristiques des nitrates……………………………………………………………… I.3.2.Origine des nitrates…………………………………………………………………………. I.3.3.Les nitrates dans l’atmosphère……………………………………………………………. 14 15 16 I.3.4. Présence des nitrates dans les aliments………………………………………………... 16 I.3.5. Les nitrates dans les sols…………………………………………………………………. 17 I.3.6.Présence des nitrates dans les eaux naturelles………………………………………… 17 I.3.7. Les effets des nitrates…………………………………………………………………….. I.3.7.1.Sur la Santé humaine……………………………………………………………………. 19 I.3.7.2.Sur les plantes …………………………………………………………………………… 20 I.3.7.3. Sur les animaux ………….……………………………………………………………… 20 I.3.7.4.Sur les eaux naturelles............................................................................................. 21 I.3.8. Contamination des eaux par les nitrates en Algérie……………………..……………... 22 I.3.9. Valeurs limites pour les nitrates……………………………………………………….… 24 I.3.10. Elimination des nitrates par adsorption………………………………………………… 25 I.4. Les phosphates………………………………………………………………………………. 26 I.4.1.Caractéristiques chimiques des phosphates……………………………………………. 26 I.4.2.Formes minérales du phosphore………………………………………………………….. 27 I.4.3.Formes organiques du phosphore………………………………………………………… 28 I.4.4.Cycle du phosphore dans l’environnement………………………………………………. 29 I.4.5.Le phosphore dans le milieu aquatique…………………………………………………... 30 I.4.6.Le phosphore dans les eaux résiduaires…………………………………………………. 30 I.4.7. Utilisation du phosphore……………..……………………………………………………… 1 I.4.8. Impact des phosphates sur la santé………………………………………………………... 2 I.4.9. Impact des phosphates sur l’environnement…………………...……………………….…32 I.4.10.Pollution des eaux par les phosphates en Algérie………………….…………………… I.4.11. Valeurs limites pour les phosphates dans les eaux de consommation……….……....35 I.4.12. Elimination des phosphates par adsorption……………….………………………….….35 I.5.Conclusion……………………..……………………………………………………………..…. 36 Chapitre II : Aspects théoriques de l’adsorption II.1. Introduction…………………………………………………................................................. II.2. Théorie de l’adsorption……………………………………………………………………….. 37 II.2.1. Définition……………………………………………………………………........................ 37 II.2.2. Principe général de l’adsorption……………………………...….…………………………38 II.2.3. Description de processus d’adsorption………………………………..……………….... 38 II.2.3.1. Théorie de la couche monomoléculaire…………………………………………………39 II.2.3.2. Théorie de la couche multimoléculaire………………............................................... 39 II.2.3.3. Théorie de la condensation pelliculaire ……………………………….........................39 II.2.4. Aspect quantitatif de l’adsorption…………………………………………………………..39 II.3. Caractéristiques de l’adsorption………………………………………………..…….……… II.3.1. Adsorption physique…………………………………………………………..……………. 40 II.3.1.1. définitions …………………………………………………………………………………. 40 II.3.1.2. forces de la physisorption (interactions intermoléculaires)……………………………40 II.3.1.3. Potentiels d’adsorption physique………………………………………...................... 41 II.3.2. Adsorption chimique ……………………………………………………………………….. 42 II.3.3. Les liaisons adsorbat-adsorbant ………………………………………………………... 43 II.3.4. Aspect énergétique de l’adsorption……………………………………………………….. 44 II.4. Étude du mécanisme d’adsorption…………………………………………………………. 44 II.4.1. Étapes de l’adsorption………………………………………………………..................... 44 II.4.2. Cinétique d’adsorption……………………………………………………………………… 46 II.4.3. Modélisation de la cinétique d’adsorption……………………………………………….. 46 II.4.3.1. Model pseudo-premier ordre……………………………………………………………. 47 II.4.3.2. Model pseudo-second ordre……………………………………………….................... 48 II.4.3.4. Model de diffusion intraparticulaire …………………………………………………….. 49 II.4.3.3. Modèle d’Elovich ………………………………………………………………………… 50 II.5. Étude de l’équilibre d’adsorption……………………………………………......... …….. .. 51 II.5.1. Modélisation de l’équilibre d’adsorption…………………………………….....................51 II.5.2. Principaux types des isothermes………………………………………………………….. 52 II.5.3. Modélisation des isothermes d’adsorption ………………………………..................... 55 II.5.3.1. Isotherme de Langmuir …………………………………………………………………. 55 II.5.3.2. Isotherme de Freundlich ………………………………………………………….……... II.5.3.3. Isotherme BET (BRUNAUER, EMMET et TELLER)…………….……......................57 II.5.3.4. Isotherme de Dubinin–Radushkevich (D–R)……………………………………………58 II.5.3.5. Isotherme de Temkin ……………………………………………………………………..58 II.5.3.6. Isotherme d’Elovich………………………………………………………………………..59 II.5.4. Validation des isothermes (calcul des erreurs)………………………………….……… 59 II.6. Facteurs influençant l’adsorption ………………………………………………………….. 60 II.6.1. Surface spécifique …………………………………………………………………………. 60 II.6.2. Porosité de l’adsorbant ……………………………………………………………………. 61 II.6.3. Polarité ………………………………………………………………………...................... 62 II.6.4. Facteurs liés à l’adsorbat ………………………………………………………………….. 62 II.6.5. Autres facteurs ……………………………………………………………...................... 62 II.7. Application de l’adsorption en phase liquide………………………………………………. 63 II.8. Conclusion………………………………………………………………………………….…. 64 Chapitre III: Données générales sur le charbon actif et la bentonite III.1. Introduction……………………………………………………………………………………. 65 III.2.1. Utilisation du charbon actif dans le dommaine dans le domaine de traitement des eaux ……………………………………………………………………...................... . III.2.2. Origine du charbon………………………………………………………………………….66 III.2.3. Procédé de fabrication du charbon actif…………………………………………………. 67 III.2.3.1. Carbonisation……………………………………………………………………………...67 III.2.3.2. Activation………………………………………………………………………………….. III.2.4. Propriétés du charbon actif………………………………………………………………...69 III.2.4.1. Propriétés texturales……………………………………………………………………...69 III.2.4.2. Propriétés chimiques…………………………………………………………………….. III.2.4. Régénération du charbon actif..………………………………………………………71 III.3. Les argiles……………………………………………………………………………………...72 III.3.1. Utilisation des argiles dans le dommaine dans le domaine de traitement des eaux……………………………………………………………………..................................... 72 III.3.2. Structure des matériaux argileux………………………………………………………… 72 III.3.3. Classification d’argiles……………………………………………………………………... III.3.3.1. Minéraux 1/1 (kaolinite, d=7 Å)…………………………………………………………. 75 III.3.3.2. Minéraux 2/1 (les montmorillonites, d=10 Å)………………………………………….. III.3.3.3. Minéraux argileux T:O:T:O (2:1:1)………………………………………………………78 III.3.4. Les montmorillonites……………………………………………………………………….. III.3.4.1. Bentonites naturelles…………………………………………………………………….. III.3.4.2. Bentonites activées……………………………………………………………………….80 III.3.5. Propriétés physico-chimiques des argiles………………………………………………. III.3.5.1. Hydratation et gonflement………………………………………………………………..81 III.3.5.2. Capacité d'échange cationique………………………………………………………….82 III.3.5.3. Surface spécifique……………………………………………………………………….. 82 III.4. Conclusion…………………………………………………………………………………….. 83 Partie Expérimentale Chapitre I: Procédure expérimentale I.1. Introduction…………………………………………………………………….………. 84 I.2. Préparation des solutions mères……………………………………………………………. 84 I.2.1. Solution mère du Cu ……………………………………………………………………… 84 I.2.2. Solution mère des nitrates…………………………………………………………………. 85 I.2.3. Solution mère des phosphates……………………………………………………………. 85 1.3. Caractéristiques des milieux de dilution…………………………………………………… 85 1.4. Méthodes de dosage……………………………………………………………………. 87 1.4.1. Mesure des paramètres physico-chimiques…………………………………………….. 87 1.4.2. Dosage du cuivre…………………………………………………………………………….88 1.4.3. Dosage de nitrates…………………………………………………………………………. 90 1.4.4. Dosage de phosphates……………………………………………………………………. 92 1.5. Caractéristiques générales des adsorbants testés ………………………………………. 94 1.5.1. Charbon actif en poudre (CAP)…………………………………………………………… 1.5.2. Charbon actif en grains (CAG)……………………………………………………………. 1.5.3. Bentonite de Maghnia……………………………………………………………………… 94 1.6. Techniques d’analyse des adsorbants testés ………………………………………….. 96 1.6.1. Diffraction des rayons X…………………………………………………………………… 96 1.6.1.1. Principe de fonctionnement de DRX…………………………………………………… 96 1.6.1.2. Résultats de l’analyse DRX…………………………………………………………….. 98 1.6.2. Spectrométrie infrarouge (IR)………………………………………………………….. 100 1.6.2.1. Principe de fonctionnement……………………………………………………………... 101 1.6.2.2. Résultats de l’analyse IR………………………………………………………………… 101 1.7. Description des essais d'adsorption………………………………………………………….103 1.8. Conclusion…………………………………………………………………………………….. 104 Chapitre II: Adsorption du cuivre, des nitrates et des phosphates sur charbon actif II.1. Introduction……………………………………………………………………………………...106 II.2. Adsorption du cuivre sur CAP et CAG ……………………………………………….......... 107 II.2.1. Étude cinétique……………………………………………………………………………….107 II.2.1.1. Effet du temps d’agitation…………………………………………………………………107 II.2.1.2. Influence du pH de la solution……………………………………………………………108 II.2.1.3. Analyse de la courbe cinétique…………………………………………………………... II.2.1.3.1. Modèle de pseudo-premier ordre (Modèle de Lagergren)…………………………..110 II.2.1.3.2. Modèle de pseudo-second ordre (Modèle de Blanchard)…………………………..111 II.2.1.3.3. Modèle de la diffusion intraparticulaire (Weber et Morris)………………………..…112 II.2.1.3.4. Modèle d’Elovich………………………………………………………………..……… 114 II.2.2. Étude du rapport cuivre/charbon actif…………………………………………………….. 115 II.2.2.1. Effet de la dose de charbon actif………………………………………………………... II.2.2.2. Effet de la teneur initiale en cuivre…………………………………………………….... II.2.3. Étude de l’équilibre d’adsorption de cuivre……………………………………………..…117 II.2.3.1. Isotherme d’adsorption…………………………………………………………………....117 II.2.3.2. Modélisation de l’isotherme d’adsorption…………………………………………….… 118 II.2.3.4. Isotherme de Langmuir……………………………………………………………….….. 119 II.2.3.5. Isotherme de Freundlich……………………………………………………………..……120 II.2.3.6. Isotherme Dubinin–Radushkevich…………………………………………………..…… II.2.3.7. Isotherme de Temkin…………………………………………………………………..….122 II.2.3.8. Isotherme d’Elovich…………………………………………………………………..……123 II.3. Adsorption des nitrates sur CAP et CAG……………………………………………..……..125 II.3.1. Étude cinétique…………………………………………………………………………..….. II.3.1.1. Effet du temps d’agitation…………………………………………………………..……. 126 II.3.1.2. Influence du pH de la solution…………………………………………………….…….. 127 II.3.1.3. Analyse de la courbe cinétique…………………………………………………………. 128 II.3.1.3.1. Modèle de pseudo-premier ordre (Modèle de Lagergren)…………………………. 129 II.3.1.3.2. Modèle de pseudo-second ordre (Modèle de Blanchard)…………………………..130 II.3.1.3.3.Modèle de la diffusion intraparticulaire (Weber et Morris)………………………….. 131 II.3.1.3.4.Modèle d’Elovich………………………………………………………………………….133 II.3.2. Étude du rapport nitrates /charbon actif………………………………………………….. 134 II.3.2.1. Effet de la dose de charbon actif…………………………………………………………134 II.3.2.2. Effet de la teneur initiale en nitrates……………………………………………………. 136 II.3.3. Étude de l’équilibre d’adsorption de nitrates……………………………………………...137 II.3.3.1. Isotherme d’adsorption……………………………………………………………………. II.3.3.2. Modélisation de l’isotherme d’adsorption de nitrates…………………………………. 137 II.3.3.3. Isotherme de Langmuir……………………………………………………………………138 II.3.3.4. Isotherme de Freundlich ………………………………………………………………….139 II.3.3.5. Isotherme de Dubinin–Radushkevich……………………………………………………140 II.3.3.6. Isotherme de Temkin…………………………………………………………………….. 141 II.3.3.7. Isotherme d’Elovich………………………………………………………………………..142 II.4. Adsorption des phosphates sur CAP et CAG……………………………………………….143 II.4.1. Étude cinétique…………………………………………………………………………….. 143 II.4.1.1. Effet du temps d’agitation……………………………………………………………….. 143 II.4.1.2. Influence du pH de la solution………………………………………………………….. 145 II.4.1.3. Analyse de la courbe cinétique…………………………………………………………. 147 II.4.1.3.1. Modèle de pseudo-premier ordre (Modèle de Lagergren)………………………… 148 II.4.1.3.2. Modèle de pseudo-second ordre (Modèle de Blanchard)…………………………. 149 II.4.1.3.3. Modèle de la diffusion intraparticulaire……………………………………………… 150 II.4.1.3.4. Modèle d’Elovich………………………………………………………………………. 152 II.4.2. Étude du rapport phosphates /charbon actif……………………………………………. 153 II.4.2.1. Effet de la dose de charbon actif………………………………………………………. 153 II.4.2.2. Effet de la teneur initiale en phosphates………………………………………………. 154 II.4.3. Étude de l’équilibre d’adsorption de phosphates……………………………………….. 156 II.4.3.1. Isotherme d’adsorption………………………………………………………………….. 156 II.4.3.2. Modélisation de l’isotherme d’adsorption de phosphates…………………………… 156 II.4.3.3. Isotherme de Langmuir………………………………………………………………….. 157 II.4.3.4. Isotherme de Freundlich………………………………………………………………… 158 II.4.3.5. Isotherme Dubinin–Radushkevich…………………………………………………….. 159 II.4.3.6. Isotherme de Temkin……………………………………………………………………. 160 II.4.3.7. Isotherme d’Elovich……………………………………………………………………… 161 II.5. Conclusion………………………………………………………………………………………162 Chapitre III: Adsorption du cuivre, des nitrates et des phosphates sur bentonite III.1. Introduction…………………………………………………………………………………… 164 III.2. Adsorption du cuivre sur bentonite…………………………………………………………. 165 III.2.1. Étude cinétique……………………………………………………………………………. 165 III.2.1.1. Effet du temps d’agitation………………………………………………………………. 165 III.2.1.2. Influence du pH de la solution…………………………………………………………. 166 III.2.1.3. Analyse de la courbe cinétique………………………………………………………… 167 III.2.2. Étude du rapport cuivre/bentonite……………………………………………………….. 170 III.2.2.1. Effet de la dose de la bentonite……………………………………………………….. 170 III.2.2.2. Effet de la teneur initiale en cuivre…………………………………………………….. 171 III.2.3. Étude de l’équilibre d’adsorption de cuivre……………………………………………… 172 III.2.3.1. Isotherme d’adsorption………………………………………………………………….. 172 III.2.3.2. Modélisation de l’isotherme d’adsorption……………………………………………… 173 III.3. Essais d’adsorption des nitrates sur la bentonite…………………………………………..177 III.3.1. Étude cinétique……………………………………………………………………………. 177 III.3.1.1. Effet du temps d’agitation………………………………………………………………. 177 III.3.1.2. Influence du pH de traitement …………………………………………………………. 179 III.3.1.3. Analyse de la courbe cinétique………………………………………………………… 180 II.3.2. Étude du rapport nitrate/bentonite………………………………………………………… 184 II.3.2.1. Effet de la dose de la bentonite………………………………………………………… 184 III.3.2.2. Effet de la teneur initiale en nitrates…………………………………………………… 185 III.3.3. Étude de l’équilibre d’adsorption des nitrates…………………………………………….186 II.3.3.1. Isotherme d’adsorption………………………………………….……………………….. 186 III.3.3.2. Modélisation de l’isotherme d’adsorption de nitrates………………………………… 187 III.4. Essais d’adsorption des phosphates sur la Bentonite……………………………………..191 III.4.1. Étude cinétique…………………………………………………………………………….. 191 III.4.1.1. Effet du temps d’agitation………………………………………………………………. 191 III.4.1.2. Influence de pH de la solution…………………………………………………………. 193 III.4.1.3. Analyse de la courbe cinétique………………………………………………………… 194 III.4.2. Étude du rapport phosphates/bentonite…………………………………………………..198 III.4.2.1. Effet de la dose de la bentonite……………………………………………………….. 198 III.4.2.2. Effet de la teneur initiale en phosphates……………………………………………… 200 III.4.3. Étude de l’équilibre d’adsorption des phosphates……………………………………….201 III.4.3.1. Isotherme d’adsorption…………………………………………………………………. 201 III.4.3.2. Modélisation de l’isotherme d’adsorption de phosphates…………………………… 202 III.5. Récapitule des résultats des essais d’adsorption………………………………………….206 III.5.1. Les essais d’adsorption de cuivre……………………………………………………….. 206 III.5.2. Les essais d’adsorption des nitrates………………………………………………………207 III.5.3. Les essais d’adsorption des phosphates…………………………………………………208 III.6. Conclusion…………………………………………………………………………………….. 209 Conclusion générale…………………………………………………………………………….. 211 Annexe………………………………………………………………………………………………. |
| Type de document : | Thése doctorat |
Disponibilité (1)
| Cote | Support | Localisation | Statut | Emplacement | |
|---|---|---|---|---|---|
| TH/0762 | Thèse de doctorat | BIB.DEP.ARCHITECTURE | Empruntable | Salle de mémoires et de théses |
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