de pollution des eaux usées domestique par adsorption …€¦ · Contribution à l’élimination...

:

UNIVERSITE KASDI MARBAH OUARGLA

Faculté des Sciences appliquées

Département de Génie des Procédés

MÉMOIRE

MASTER ACADEMIQUE

Domaine Science et Technique.

Filière Génie des Procédés.

Spécialité : Ingénierie du Gaz Naturel.

Présenté par : Kouadri Issam Eddine et Dounane Ismail

Thème :

Soutenue publiquement le :31/05/2016

Devant le jury composé de :

Mr. Baameur Lotfi MC(B) Président

Mr. Hacini Zineb MA(A) Examinatrice

Mr. Med Lamine SEKIRIFA MC(A) Rapporteur

Année universitaire :2015 /2016

Contribution à l’élimination de quelques paramètres

de pollution des eaux usées domestique par adsorption

sur charbon actif commercial TE80

Sommaire

I- Généralités Sur Les Eaux Usées…………………………….…….……….2

I-1-Définition et origine……………………………………............................2

I-2-Origines des eaux usées………………………………………….………..2

I-2- 1-Les eaux usées domestiques…………………………….......................2

I-2-2- Les eaux usées pluviales……………………………………………….2

I- 2-3- Les eaux usées agricoles……………………………………………....2

I-2-4- Les eaux usées industrielles…………………………...........................2

I-3- Nature et composition des eaux usées…………………………………..2

II Généralités sur l'adsorption………………………………..……………..2

II-1 Définition générale de l’adsorption…………………………………... 2

II-1-1 Adsorption chimique………………………………………………... 2

II-1-2 Adsorption physique ………………………………………….….......3

II-2 Les adsorbants…………………………………………………...……. 3

II-2-1 Charbons actifs……………………………………………...….….... 3

II-2-1 -1 La pyrolyse ………………………………………………….…......3

II-2-1 -2Structure du charbon actif ………………………………….…......3

II-2-2 Zéolithes……………………………………………………………... 4

II-2-3 Tamis moléculaires …………………………………..........................4

II-3 L'adsorbat(Le phénol) …………………………………………...…. 5

II-3-1Définition ………………………………………………………….…...5

II-4 Mécanisme d'adsorption…………………………………………….... 6

III-1Principaux facteurs influençant sur l'adsorption ………………..... 7

III-1-1 La température…………………………………………………….. 7

III-1-2 La natures de l'adsorbant………………………………………..... 7

III-1-3 La Natures de l’adsorbat ………………………………………... 7

III-1-4 La Surface spécifique……………………………………………… 8

III-2- Classification des isothermes d'adsorption dans la phase liquide.. 8

III-3 Modèles d’isothermes théoriques……………………………………..9

III-3-1 Le modèle de Langmuir ………………………………………….. 9

III-3-2 Le modèle de Freundlich ………………………………………………… 10

IV Théorie BET …………………………………………….................................. 10

V- Théorie de Dubinin …………………………………………………………... 10

VI-1 Matériels et méthodes ……………………………………………………..…..12

VI-2 Les paramètres physico-chimiques ……………………………………….…12

VI-2-1 La température ……………………………………………………………...12

VI-2-2 Le pH …………………………………………………………………….….12

VI-2-3 La conductivité électrique (CE) …………………………………………...12

VI-3 Les matières organiques ……………………………………………………...13

VI-3-1 La demande biologique en oxygène à 5 jours (DBO5)…………………….13

VI-3-2 La demande chimique en oxygène (DCO) ………………………………..13

VI-4 Appareillage et matériels utilisés …………………………………………….14

VI-5 Réactifs utilisés ………………………………………………………….…….16

VII.1 CARACTERISTIQUES GENERALES DU CHARBON ACTIF TE80….17

VII-2 L’origine de l’eau usée…………………………………………………..…. 17

VII-3Modeopératoire…………………………………………………………….…18

VII-4 Résultats des analyses physico-chimiques…………………………………...19

VII-4 -1-Le pH et la Conductivité électrique CE ……………………………….…19

VII-4 -1-1 Le pH …………………………………………………………………….19

VII-4 -1-2 -La Conductivité Electrique (CE)………………………………………20

VII-5-1- La demande chimique et biochimique en oxygène (DCO et DBO)…….20

VII-5-1-1 La demande chimique en oxygène (DCO)………………………...…….20

VII-5-1-2- La demande biochimique en oxygène (DBO) ……………………..…..22

Liste des tableaux

Tableau N°1 : Propriétés chimiques et physiques du phénol ………………………………..… 6

Tableau N°2 : Listes des réactifs chimiques………………………………………………… 16

Tableau N°3: Caractéristiques de charbon actif TE 80 ……………………………………… 17

Tableau N°4: les différentes compositions des eaux usées préparées au laboratoire ………….18

Tableau N°5: la qualité des eaux usées préparées au laboratoire …………………………….. 18

Tableau N°6: la variation du pH en fonction de la concentration de phénol ………………… 19

Tableau N°7: la variation de la conductivité électrique (mS/cm) à( 30±2 °C) en fonction de

la concentration de phénol avant et après le traitement……………………………………….20

Tableau N°8 : la variation de rendement en DCO en fonction de la concentration de phénol

avant et après le traitement …………………………………………………………………….21

Tableau N°9 : La variation de rendement en DBO en fonction de la concentration de phénol

avant et après le traitement …………………………………………………………………… 22

Liste des figures

Figure 01 : Représentation schématique des microstructures du charbon actif ……..4

Figure 02 : Localisation des sites géométriques de la zéolithe ZSM5………………..4

Figure N°03 : Structure du phénol ………………………………………………..… 5

Figure N°04 : Mécanisme de transport de l’adsorbat au sein d’un grain……………..7

Figure N°05: Typologie des isothermes ………………………………………………….9

Figure(6): Evolution de rendement en DCO en fonction de la concentration

du phénol …………………………………………………………………………... 21

Figure (7) : Evolution de rendement en DBO en fonction de la concentration

du phénol …………………………………………………………………………. 23

1

Introduction générale

La qualité de l’eau qu’elle soit destinée à la consommation humaine, à l’irrigation ou tout

simplement rejetée dans la nature, vers les rivières, les océans ou le sol, est devenue un

problème capital et un souci majeur pour les pouvoirs publics, les instances et organismes

nationaux et internationaux, etc. Ceci a donc stimulé et encouragé l’amélioration des

techniques de dépollution existantes et le développement de nouveaux procédés, permettant

de satisfaire et de se conformer aux normes internationales de plus en plus restrictives.

En effet un grand nombre de techniques de traitement des eaux usées, domestiques ou

industrielles, existent. Elles sont différentes les unes par rapport aux autres et incluent à titre

d’illustration l’adsorption, l’électrolyse, la solubilisation, la flottation, la précipitation, les

échanges d’ions, l’extraction liquide-liquide, etc.

Parmi ces techniques l’adsorption qui est l’objet de cette étude, a montré de grandes capacités

de dépollution des eaux usées. Par exemple, elle s’est avérée très simple et efficace pour

l’élimination de certains polluants organiques.

Cependant la performance et l’efficacité de cette technique d’adsorption dépendent d’une

façon prépondérante de la nature du support utilisé comme adsorbant. L’un des supports

solides considérés dans cette étude est le charbon actif.

L’objectif de notre étude est donc de tester l’efficacité de traitement d'eaux usée synthétique

sur le charbon actif en grains.

La première partie présente une synthèse bibliographique sur : les eaux usées, adsorption et

adsorbât. La deuxième partie expérimentale consiste l’évaluation des différentes paramètres

caractéristiques tels que le pH, la CE, la DCO et la DBO5 avant et après adsorption et en fin

une conclusion générale [1].

Remerciement

Avant tout, je dois remercier Dieu le tout puissant qui m’a donné l’envie et la force

pour mener à terme ce travail.

Ce travail a été réalisé au sein de laboratoire Biogéochimie des milieux désertiques à

l’Université Kasdi Merbah Ouargla, dirigé par le Monsieur SEKIRIFA Mohamed Lamine

Maitre de conférence (A) au département de génie de procédés. Nous exprimons toutes nos

reconnaissances pour avoir assuré la direction de ce travail.

Tout d’abord, j’adresse mes respectueux remerciements à tous les membres du jury

(Baameur Lotfi et Hacini Zineb) qui m’ont fait l’honneur de participer à l’évaluation de mon

travail.

Mes remerciements s’adressent également à Monsieur Hadj-Mohammad Mahfoud,

Directeur de laboratoire Biogéochimie des milieux désertiques à l’Université Kasdi Merbah

Ouargla.

Je remercie également l’ensemble du personnel du laboratoire Biogéochimie des

milieux désertiques (Mr Touil, Houria,Fatiha, Selwane…), pour leurs accueils chaleureux,

pour leurs aides et leurs conseils.

Un grand merci à mes amis qui ont eu confiance en moi et qui, par leur présence et

leur soutien, m’ont aidée à surmonter certains moments difficiles et m’ont permis de

relativiser les obstacles de la vie et m’ont encouragée à toujours aller de l’avant.

Une attention toute particulière va aux membres du Département de Génie des

procédés pour l’aide technique, le travail administratif et le soutien moral qu’ils m’ont

apportés.

Issam Eddine et Ismail

Partie bibliographique

2

I- Généralités Sur Les Eaux Usées

I-1-Définition et origine

Les eaux usées constituent l'ensemble des déchets liquides produits par l'homme pour ses

propres besoins et au cours de ses activités domestiques, agricoles et industrielles [2].Elles

sont appelées aussi eaux résiduaires et elles sont identifiées selon leurs origines comme suit :

I-2-Origines des eaux usées

I-2- 1-Les eaux usées domestiques

Sont les eaux issues des habitations ou de sanitaires des entreprises. L’eau usée domestique est un

mélange complexe de matière organique et minérale ; produits par les eaux de cuisine, les

eaux de vannes et les eaux de lavage[3].

I-2-2- Les eaux usées pluviales

Bien que ces eaux n’aient pas été utilisées par l'homme, elles sont considérées comme des

eaux usées car elles ne sont pas toujours propres. Il arrive même qu'elles soient plus polluées

que les eaux usées domestiques. Elles ruissellent sur les surfaces imperméables, après qu’elles

aient traversé une atmosphère chargée de poussières et de produits divers [4].

I- 2-3- Les eaux usées agricoles

Ces eaux sont considérées comme usées, car elles sont chargées de constituants contenus dans

les engrais, en plus des composantes issues du lavage du sol[5].

I-2-4- Les eaux usées industrielles

Toutes les unités industrielles utilisent les eaux dans leurs processus de production, par

conséquent, elles sont constituées de divers déchets engendrant des rejets pollués assez

considérables[6].

I-3- Nature et composition des eaux usées

Les matières polluantes contenues dans les eaux usées urbaines sont diverses ; suivant leur

nature, elles n'entraînent pas le même type de nuisance et nécessitent des traitements

différents et appropriés. La composition et la quantité des eaux usées sont liées à divers

facteurs notamment au mode de vie ainsi qu’aux activités industrielles. La composition de ces

eaux est étudiée par diverses techniques de mesures, physiques, chimiques et biologiques[7].

II Généralités sur l'adsorption

II-1 Définition générale de l’adsorption :

L’adsorption peut être définie comme une opération fondamentale de Génie Chimique qui

exploite l’aptitude de certains solides à concentrer spécifiquement à leur surface les

constituants d’une solution permettant ainsi leur séparation.


3

C’est un processus complexe au cours duquel des molécules viennent se fixer sur la surface de

l’adsorbant. Les forces mises en jeu, sont des interactions physique ou chimique selon la

nature du système.

Le solide est appelé adsorbant et la substance qui s’adsorbe, adsorbat [8].

II-1-1 Adsorption chimique :

Ou consiste en une interaction chimique. Les énergies de liaison mises en jeu sont de

l'ordre de 40 kJ. mole-1 et plus. C’est un phénomène qui, par sa spécificité, son énergie

d’activation et sa chaleur dégagée, s’apparente à une réaction chimique entre molécule en

solution et la surface du support. Il y a formation de fortes liaisons entre adsorbat et adsorbant

(covalent par exemple). La couche adsorbée est au mieux mono moléculaire. Ce phénomène

est plus lent que la physisorption et nécessite une énergie d'activation [9]. Il est à noter que la

physisorption est souvent la première étape de la chimisorption et que l’apport d’une énergie

d’activation (sous forme thermique par exemple) permet de franchir la barrière énergétique et

l’établissement de la liaison covalente surface/adsorbat [10].

II-1-2 Adsorption physique :

L’adsorption physique est un phénomène réversible qui résulte de l’attraction entre les

molécules d’adsorbant composant la surface du solide et les molécules du soluté de la phase

fluide, ces forces attractives sont de nature physique, comprenant les forces dites de Wan Der

Waals ne détruisant pas l’individualité des molécules et lorsqu’elles opèrent, correspondent à

des énergies faibles qui sont de l’ordre de quelques kilojoules par mole. Ce phénomène

consiste essentiellement dans la condensation de molécules sur la surface du solide et il est

favorisé en conséquence par un abaissement de la température [11].

II-2 Les adsorbants

II-2-1 Charbons actifs

Le charbon actif est, historiquement parlant, le premier matériau adsorbant utilisé à grande

échelle. C’est un matériau obtenu par pyrolyse du bois, noix de coco, charbon, lignite, et en

général tout composé organique, suivi d’une oxydation à haute température par le dioxyde de

carbone ou par la vapeur d’eau (un mode de préparation alternatif, par activation chimique,

existe également)[12].

II-2-1 -1 La pyrolyse :

La pyrolyse est la décomposition thermique d’un matériau organique sous vide ou sous

atmosphère inerte à des températures comprises entre 400 et 1000°C. Les hétéros atomes

(oxygène) sont éliminés sous l’effet de la chaleur et le matériau devient plus riche en carbone.

Les atomes de carbone restants se regroupent en feuillets aromatiques possédant une certaine


4

structure planaire. Ces feuillets s’arrangent ensuite d’une manière irrégulière laissant ainsi des

interstices entre eux. Ces interstices donnent naissance à une porosité primaire du produit

carbonisé.

II-2-1 -2Structure du charbon actif :

Un charbon actif est constitué d’un agencement désordonné de microcristaux de tailles

variables (5 à 150 Ǻ). Chaque microcristal est constitué par un empilement irrégulier de 5 à

20 feuillets distants de 3,6 Ǻ (Figure 01). La présence d’hétéroatomes conduit suivant le mode

de fabrication du charbon actif à la formation de groupements fonctionnels sur les arêtes des

microcristaux [13].

Feuilles

Pores

Figure 01 : Représentation schématique des microstructures du charbon actif.

II-2-2 Zéolithes

Les zéolithes sont des Aluminosilicates cristallises microporeux de formule globale

(AlO2M, nSiO2) ou M représente le plus souvent un métal alcalin ou alcalino-terreux et n≥1.

Il existe plus de 100 espèces de zéolithes, différant par la valeur de n et la structure

cristallographique. La présence de cations dans les micropores généré des champs électriques

de l'ordre de 1010 V.m-1, ce qui fait de ces corps de puissants adsorbants polaires [14] .

Figure 02 : Localisation des sites géométriques de la zéolithe ZSM5


5

II-2-3 Tamis moléculaires

La découverte du tamis moléculaire remonte à 1756 lorsque le terme zéolithe fut

utilisé pour la première fois, pour décrire un matériel solide dont la partie d'eau pouvait être

retiré par chauffage. Les tamis moléculaire sont des composants synthétiques formés

d’aluminium, de silicates des métaux alcalin ou alcalino-terreux, qui reproduisent la structure

cristalline des zéolithes naturels.

Ils sont dotés d’une structure donnant des propriétés d’absorption élevées. L’activité

des tamis moléculaires est obtenue en éliminant l’eau. Le volume rendu disponible sera utilisé

pour l’absorption .L’élimination de l’eau de la structure d’hydratation ne provoque pas de

changement de structure (ou en quantité négligeable). La formation de matériaux d’absorption

hautement poreux d’une forte affinité pour l’eau est obtenue par des spécificités gazeuses et

liquides.

En fonction du diamètre de ces pores, les diverses molécules peuvent être absorbées

rapidement, lentement ou pas du tout. Cette sélectivité, qui ressemble à celle du tamis, est

basée sur la dimension des molécules qui, unie à une préférence pour les molécules polaires

ou polarisables, donne aux tamis moléculaires un haut niveau d’action[15] .

II-3 L'adsorbat(Le phénol) :

II-3-1Définition

Le phénol (C6H5OH) est le dérivé mono hydroxylé du benzène (Figure N°02). Les principales

propriétés du phénol sont regroupées dans le tableau N°01 ci-dessous [16].

Figure N°03 : Structure du phénol

http://fr.wikipedia.org/wiki/Z%C3%A9olithe


6

Tableau N°1 : Propriétés physico-chimique du phénol

II-4 Mécanisme d'adsorption :

Au cours de l’adsorption d’une espèce sur un solide, le transfert de masse des molécules se

fait de la phase fluide vers le centre de l’adsorbant. Ce processus s’opère au sein d’un grain

d’adsorbant en plusieurs étapes[17] :

1-Transfert de masse externe (diffusion externe) qui correspond au transfert du soluté du sein

de la solution à la surface externe des particules.

2-Transfert de masse interne dans les pores (diffusion interne) qui a lieu dans le fluide

remplissant les pores. En effet, les molécules se propagent de la surface des grains vers leur

centre à travers les pores.

3-Diffusion de surface : pour certains adsorbants, il peut exister également une contribution

de la diffusion des molécules adsorbées le long des surfaces des pores à l’échelle d’un grain

d’adsorbant.

4- Adsorption proprement dite [18].


7

Figure N°04 : Mécanisme de transport de l’adsorbat au sein d’un grain

III-1Principaux facteurs influençant sur l’adsorption :

Quand un solide est mis en contact avec une solution, chaque constituant de cette dernière, le

solvant et le soluté, manifeste une tendance à l’adsorption à la surface du solide. Il y’a donc

une compétition en surface entre deux adsorptions qui sont Concurrentielles. Le cas le plus

intéressant est celui où l’adsorption du soluté est de loin plus importante que celle du solvant.

Donc la quantité adsorbée, dépend de nombreux facteurs dont les principaux sont:

III-1-1 La température :

L’adsorption physique est exothermique, de ce fait le taux d’adsorption est meilleur à basse

température. Lorsque la chimisorption est endothermique, une température élevée est

favorable pour le déroulement du processus [19 ; 20].

III-1-2 La natures de l'adsorbant :

L’adsorption d’une substance donnée croît avec la diminution de la taille des

particules de l’adsorbant, ce qui permet aux composés de la solution de pénétrer dans les

capillaires de la substance, donc la subdivision de la particule du solide influe directement sur

les pores de ce dernierainsiquesursasurfacespécifiquequivaêtredéveloppée.Cependant,siles

dimensions des pores sont inférieures, aux diamètres des molécules de l’un des composant de

la solution, l’adsorption de ce composé ne se fait pas, même si la surface de l’adsorbant a une

grande affinité pour ce composé [21].

III-1-3 La Natures de l’adsorbat :

Pour qu’il y’aitunebonneadsorptionilfautqu’il y’aitd’abord une affinité entre le solide et le

soluté. En règle générale, les solides polaires, adsorbent préférentiellement d’autres corps

polaires. Par contre les solides non polaires, adsorbent préférentiellement des substances non

polaires et l’affinité pour le substrat croît avec la masse moléculaire de l’adsorbat. Ceci a été


8

déjà énoncé par la règle de traube et complété par Freundlich en écrivant que l’adsorption de

substance organique, à partir de solutions aqueuses, augmente fortement et régulièrement

quand la longueur de la chaîne croît à l’intérieur d’une série homologue [22].

III-1-4 La Surface spécifique :

La surface spécifique est une donnée essentielle de la caractérisation des solides et des

matériaux poreux. Il est clair que l’on cherche à conférer aux adsorbants une grande surface

spécifique, cette grandeur désigne la surface accessible rapportée à l’unité de poids

d’adsorbant.

III-2- Classification des isothermes d'adsorption dans la phase liquide

L’allure de la courbe d’isotherme varie selon le couple adsorbat-adsorbant étudie. Les

isothermes d’adsorption des solutés à solubilité limitée ont été classées par Giles et coll. en

quatre principales classes :

Qe=

( )

(1)

Les courbes de type S : s’obtiennent lorsque les molécules du soluté ne s’accrochent

au solide, que par l’intermédiaire d’un seul groupement ;

Les isothermes de type L: (dite Langmuir) : sont les plus fréquentes. Ce

comportement se rencontre dans le cas où l’adsorption est faible et lorsque les

molécules de l’adsorbat sont orientées à plat ;

Les isothermes de type H (haute affinité) : s’obtiennent lorsqu’il y a chimisorption du

soluté ;

Les isothermes de type C : sont sous forme de ligne droite, ce type de courbe est

obtenu lorsqu’il y a compétition entre le solvant et le soluté pour occuper les sites de

l’adsorbant [23], [24].


9

Figure N°05 :Typologie des isothermes [25]

III-3 Modèles d’isothermes théoriques :

La modélisation mathématique (détermination des droites de corrélation et des paramètres)

est basée sur des hypothèses non vérifiables (modèle de Langmuir établi en utilisant des

molécules de gaz ... ) ou empirique (modèle de Freundlich), mais elle permet d'obtenir un

certain nombre d'informations qualitatives et quantitatives comme le type d'interaction

(mécanisme d'adsorption, mono ou multi couches, sites d'adsorption...), le phénomène de

saturation (quantité maximale de polluant adsorbé, comportement des sites actifs...), ou

encore la chaleur d'adsorption (données thermodynamiques) [26].

III-3-1 Le modèle de Langmuir

Etabli en 1918, ce modèle d’adsorption en monocouche est basé sur les hypothèses suivantes :

molécules adsorbées sur les sites voisins (pas d’interaction entre les molécules) [27][28].

L’équation de Langmuir s’écrit comme suit :

qe =

( ) (2)

Où

qe: quantité de l’adsorbat adsorbée par unité de masse de l’adsorbant (mg.g-1).

X : masse de l’adsorbat adsorbés (mg).

m: masse de l’adsorbant (g).


10

qm: capacité maximale de l’adsorbant appelée aussi capacité ultime (mg.g-1).

b: constante de Langmuir (l/mg).

Ce : concentration de l’adsorbat dans la phase liquide à l’équilibre (mg.L-1)[29][30].

La linéarisation de cette équation donne :

(3)

III-3-2 Le modèle de Freundlich :

En 1926, Freundlich a établi une isotherme très satisfaisante qui peut s’appliquer avec succès

à l’adsorption des gaz, mais qui a été principalement utilisée pour l’adsorption en solution

dilués. Il a constaté que le mécanisme de ce processus est assez complexe, du fait de

l’hétérogénéité de la surface, ce qui rend la chaleur d’adsorption variable. L’équation de

Freundlich s’écrit comme suit:

Qe=

(4)

Kf et n sont des constantes de Freundlich qu’il faut évaluer pour chaque solution et pour

chaque température et sont uniques pour un composé donné. Kf caractérise le pouvoir

adsorbant du support et 1/n l’affinité du soluté pour l’adsorbant [31, 32].

L’équation de Freundlich est cependant utile sous sa forme logarithmique, soit :

Log (Qe) = log (Kf ) +

(5)

IV Théorie BET :

Ce modèle admet la formation de multicouches d’adsorbat, une distribution homogène des

sites à la surface de l’adsorbant et l’existence d’une énergie d’adsorption qui retient la

première couche de molécules adsorbées et une deuxième énergie qui retient les couche

suivantes. Le modèle rend compte aussi du phénomène de saturation et fait intervenir la

solubilité du soluté dans son solvant, sous la forme de sa concentration Cs de saturation

L’isotherme de BET est représentée par l’équation suivante [33] :

( )(

)

(

)

(

)

(6)

Où

( ⁄ ) : Quantité adsorbée en (mg/g).

: Concentration de saturation en (mg/l).

( ⁄ ) : Capacité maximale d’adsorption en (mg/g).

V- Théorie de Dubinin :

La théorie de Dubinin essentiellement utilisée dans le cas du remplissage des micropores,

et peut être utilisée dans le cas de l’adsorption sur certaines surfaces non poreuses. Dans cette


11

théorie la structure poreuse d’un charbon activé est déterminée par les paramètres suivants : le

volume de micropore exprimé en cm3/g, la distribution de la largeur moyenne de

micropore L (nm) et la surface microporeuse totale Smi(m2/g) c’est la Surface accessible aux

molécules adsorbées et elle est associée à la microporosité de l’échantillon et la taille de la

molécule adsorbée).

L’adsorption de gaz par des solides microporeux peut être explicitée par l’équation de

Dubinin-Astakhov [34, 35] basée sur la théorie de remplissage des volumes de micropores :

{[ (

)

]

} (7)

Avec :

: Volume total du système microporeux (le volume maximal de vapeur que l’on peut

condenser dans les micropores), il s’exprime en de vapeur ramenée aux conditions

normales par gramme d’adsorbant ou en ⁄ ;

W: Volume de vapeur adsorbé et condensé dans les micropores par gramme d’adsorbant à

P/P°;

: Energie d’adsorption caractéristique pour un gaz standard et du solide ;

β : Coefficient d’affinité dépend de l’adsorbat (paramètre structural) (β =E/ E0).

Le benzène est pris comme référence avec β (C6H6) = 1 ;

E : L’énergie d’adsorption d’un système adsorbat/adsorbant donné ;

R : Constante des gaz parfaits ; T : La température en Kelvin ;

n : Dépend du type d’adsorption, reflète l’hétérogénéité du solide. En effet, plus il est élevé,

plus la structure du solide est homogène 1 < n < 3. Dans le cas des charbons actifs, il est

normalement compris entre 1.5 et 3, la valeur n = 2 étant la plus fréquente Dubinin-

Radushkevich (DR). Dans le cas de micropores en forme de fente, les valeurs proches de 1

correspondent à une largeur moyenne de micropores assez élevée tandis que les valeurs

supérieures à 2 traduisent une largeur moyenne de micropores faible.

Pour des systèmes microporeux assez homogènes, (n) est compris entre 2 et 5, notamment

pour les zéolithes.

D’un point de vue théorique E et n reflètent la distribution de l’énergie d’adsorption dans le

système microporeux.

Partie Expérimentale Matériels et méthodes

21

VI-1 Matériels et méthodes

Les différentes analyses physico-chimiques d'eau usée a été effectuées au laboratoire de

Biogéochimie des milieux désertiques (université de Ouargla). Pour les échantillons d'eau

usée nous avons déterminés les paramètres cité sou dessous, selon la norme AFNOR et ISO,

VI-2 Les paramètres physico-chimiques

VI-2-1 La température

Il est primordial de connaître la température d’une eau. En effet, elle joue un rôle très

important dans la solubilité des sels et surtout des gaz, et la détermination du pH . La mesure

de la température est très utile pour les études limnologiques et le calcul des échanges. Elle

agit aussi comme un facteur physiologique agissant sur le métabolisme de croissance des

micro-organismes vivant dans l’eau [36,37].

Nous avons déterminé la température en même temps que le pH à l'aide d'un pH -mètre.

VI-2-2 Le pH

Le pH mesure la concentration des ions H+ dans l'eau. Ce paramètre caractérise un grand

nombre d'équilibres physico-chimiques. La valeur du pH peut altérer la croissance et la

caractérisation physico-chimique des effluentes reproductions des micro-organismes existants

dans une eau. La plupart des bactéries peuvent croître dans une gamme de pH comprise entre

5 et 9, l’optimum est situé entre 6,5 et 8,5, des valeurs de pH inférieures à 5 ou supérieures

à8,5 affectent la croissance et survie des micro organisme saquatiques selon l’organisation

Mondiale de la Santé (OMS) [36, 37].

Après avoir étalonné le pH-mètre, plonger l’électrode dans l’échantillon et attendre jusqu’à ce

que la valeur du pH se stabilise.

VI-2-3 La conductivité électrique (CE)

La mesure de la conductivité de l'eau nous permet d'apprécier la quantité des sels dissous dans

l'eau (chlorures, sulfates, calcium, sodium, magnésium…). Les matières organiques et

colloïdales n'ont que peu de conductivité. La conductivité électrique d’une eau usée dépend

essentiellement de la qualité de l’eau potable utilisée et du régime alimentaire de la population

et des activités industrielles [36, 37].


21

La mesure de la CE a été faite à l'aide de conductimètre .Corrections en fonction de la

température La conductivité d'un liquide dépend largement de la température. Cette dernière

sera relevée très exactement au cours de la mesure. [38, 37]

VI-3 Les matières organiques

VI-3-1 La demande biologique en oxygène à 5 jours (DBO5)

La DBO correspond à l'oxygène qui a été utilisé par des bactéries aérobies pour

détruire ou dégrader biochimiquement les matières organiques biodégradables présentes dans

l'eau. Cette mesure traduit donc indirectement la fraction biodégradable dans l'eau et

représente assez fidèlement le processus de dégradation naturel.

Les transformations des matières organiques s'effectuent en deux stades :

Le 1er stade, et durant les cinq premiers jours se rapportant aux composés carbonés,

Le 2ème stade, se rapportant aux composés azotés, ne commence qu'au bout du

cinquième au vingtième jour, ce deuxième stade est généralement décalé dans le

temps,du fait que la nitrification ne peut intervenir qu'après une dégradation avancée

des substrats carbonés.

C'est pourquoi, il est convenu d'évaluer la demande biochimique en oxygène pendant 5

jours(DBO5) pour ne prendre en compte que la dégradation de la pollution carbonée à 20°C.

Le résultat est exprimé en mg/l d'oxygène consommé pendant 5 jours [39,38]. Dans notre

étude nous avons utilisé un DBO-mètre (système manométrique).

VI-3-2 La demande chimique en oxygène (DCO)

La DCO correspond à la quantité d'oxygène (en milligramme) qui a été consommée par voie

chimique pour oxyder l'ensemble des matières oxydables présentes dans un échantillon d'eau

de 1 litre (quelle que soit leur origine, organique (biodégradable ou non) ou minérale (fer

ferreux, nitrites, ammonium, sulfate et chlorures). Elle est moins représentative que la DBO

de la décomposition des matières organiques qui a lieu dans le milieu naturel mais elle est

rapide, et contrairement à cette dernière, elle possède une bonne reproductibilité. La DCO est

particulièrement indiquée pour mesurer la pollution d'un effluent industriel. Elle exprime la

Caractérisation physico-chimique des effluentes quantités d'oxygène fournie par du

bichromate de potassium K2Cr2O7, et nécessaire à l'oxydation de substances organiques

pendant deux heures à l'ébullition à 150 °C en milieu acide et en présence de catalyseur


21

(HgSO4/H2SO4). L'excès de bichromate de potassium est dosé par le sel de Mohr (Sulfate de

fer et d'ammonium).

Elle est exprimée enmgO2/l. Et donnée par L'expression (Norme NFT 90-101) :

DCO (mg/l)=

(8)

, : volumes en ml de sel de Mohr utilisé pour titrer le témoin et l'échantillon

respectivement.

E: volume en ml de la prise d'essai d'eau.

C : est la concentration, exprimée en mol par litre, de la solution sel de Mohr [39, 38,

36,37].

VI-4 Appareillage et matériels utilisés

Les appareils utilisés dans cette étude ainsi que leur principe de fonctionnement sont

Présentés comme suit :

1-pH mètre de marque PHB-1 portable.

2-Conductimètres de type WTW LF330/Tétra Con®325, et de type DDS J-308A.


21

3-DBO mètre de marque WTW (incubateur réglé à T=20 C°, agitateur, des bouteilles

brunes, des bouchons (OXITOP®) équipés par un afficheur qui affiche les valeurs

mesurées.

4- système de ébullition à reflux (Chauffe ballons à 06 postes ,des ballons rodés à fond

rond de 500 ml ,réfrigérants ).

5- Agitateur mécanique de marque IKAMAGR., et barreaux aimantés


21

VI-5 Réactifs utilisés

Les réactifs employés dans cette étude sont présentés dans le tableau suivant :

Tableau N°2: Listes des réactifs chimiques.

Réactifs Formules chimiques

Bichromate de potassium K2Cr2O7 (PROLABO).

Acide sulfurique H2SO4 (BIOCHEM ,96-98%, CAS n°7664-93-9).

Sulfate d'argent AgSO4 (MERCK).

Sulfate de fer FeSO4 (MERCK).

Phénantroline (PROLABO).

Sulfate de fer et d'ammonium (PROLABO).

Partie Expérimentale Résultats et discussions

71

I.1. CARACTERISTIQUES GENERALES DU CHARBON ACTIF TE80

Dans cette étude, le charbon actif utilisé est un charbon commercial dont les caractéristiques cité

dans le tableau ci-après (tableau N°3).

Tableau N°3 : Caractéristiques de charbon actif TE 80 [40]

Valeur Propriété

t=460 kg m-3ρ

Masse volumique de tas

dp=815 µm Granulométrie

B=0,524ɛ Porosité externe

Vporeux=0,550 cm3g

-1 Volume poreux total

SBET=1073 m2

g-1

Surface BET

ρp

= 966 kg m

-3 Masse volumique de grain

p =0,563ɛ Porosité interne

1,6% Taux de cendres

3,3% Taux d’humidité

II -L’origine de l’eau pollué :

Les composés organiques existants dans l'eau usée sont instables, ce qui provoque des changements au

niveau de leurs caractéristiques d’une compagne à une raison, des eaux usées préparées au laboratoire

sont utilisées en se référant à une composition d'une eau usée domestique. Cette eau est préparée en

mélangeant plusieurs produits chimiques et d’autres d’alimentation domestique avec de l’eau distillée

(tableau N°4), en s’assurant que ces produits contiennent tous les composés susceptibles d’être présents

dans une eau usée domestique en concentration considérable.

Chapitre III Résultats et discussions

71

Tableau N°4 : les différentes compositions des eaux usées préparées au laboratoire

Produits Quantités (mg /l)

Sucre 1

Urée 0,15

0,1

Lait sec 2

0,18

0,5

Levure 0,15

1,75

0,6

Tableau N°5 : La qualité des eaux usées préparées au laboratoire

III-Mode opératoire:

Nous préparons cinq litres d'eau usée et on le laisse 24 heures, puis nous arrivons à cinq

bouteilles et on met dans chacun un litre d'eau usée et on pèse 1,2, 3,4,5 mg du phénol et on

les met dans ces bouteilles respectivement. 400ml des échantillons met dans des bouteilles qui

contiennent un gramme (1 g) de charbon actif sous agitation pendant deux heure sà

température ambiante. Le mélange a été filtré pour effectuer les analyses analyse des

paramètres fixés précédemment.

Caractéristique

VALEURE Norme des eaux domestiques

DCO 270±20 ⁄ 100à500 ⁄

DBO5 598,56±10 ⁄ 300à1000 ⁄

CE 820 ⁄ 900à1300 ⁄

pH 5,38± 0,5 7,5 à 8, 5


71

IV-Résultats des analyses physico-chimiques

IV-1-Le pH et la Conductivité électrique CE :

Nous avons mesuré le pH et la conductivité de l’eau avant et après le traitement. Les résultats

sont regroupés dans les deux tableaux (6) et (7)

IV-1-1-Le pH

Les résultats de ces mesures avant et après le traitement sont représentés dans le tableau (6).

Tableau N°6: la variation du pH en fonction de la concentration de phénol

Phénol ⁄ pH avant pH après

1 5,96 6,69

2 6,02 6,68

3 6,22 6,73

4 6,00 6,74

5 6,67 6,86

Nous constatons que les valeurs de pH de l'eau usée sont comprises entre 6,02 et 6,86. Leur

variation entre une bouteille et une autre est due probablement à la variation de la température

ambiante et qui influe sur la fermentation des eaux usées.

Les valeurs de pH de l’eau filtrée et toujours supérieure au pH de l’eau brute dans chaque

bouteilles. En outre les valeurs obtenues pour les différentes bouteilles sont quasiment

identiques avec un léger écart qui pourrait être lié à l’erreur de mesure.


02

IV-1-2-La Conductivité Electrique (CE):

Nous avons mesuré la conductivité électrique de l’eau avant et après le traitement pour une

eau usée épurée par adsorption sur charbon actif TE 80. La variation de la conductivité

électrique (mS/cm) à (30±2 °C) en fonction de la concentration du phénol avant et après le

traitement est représentée dans le tableau(7)

Tableau N°7:Variation de la conductivité électrique (mS/cm) à(30±2 °C) en fonction de la

concentration du phénol

Phénol ⁄ Conductivité avant Conductivité après

1 705 843

2 727 846

3 720 847

4 720 836

5 728 848

Les valeurs de la conductivité électrique des bouteilles évoluent de façon décroissante avant et

après le traitement, ceci étant lié à la concentration du phénol

IV-1-3- La demande chimique et biochimique en oxygène (DCO et DBO):

Nous avons mesuré la DCO et la DBO avant et après le traitement

IV-1-3-1 La demande chimique en oxygène (DCO):

Les valeurs de rendement en DCO sont représentées au tableau (8), en appliquant la formule

suivante :

(9)


07

Tableau N°8 :Le rendement en DCO en fonction de la concentration du phénol

C (ppm) Rendement (%)

1 9,85

2 10,24

3 10,43

4 10,62

5 10,8

Les valeurs de rendement en DCO sont illustrées par la Figure N°6 :

Figure N°6:Evolution de rendement en DCO en fonction de la concentration du phénol

Nous avons remarqué que le rendement épuratoire augmente avec l'augmentation de la

concentration du phénol.

9,8

10

10,2

10,4

10,6

10,8

11

0 1 2 3 4 5 6

Re

nd

em

en

t e

n D

CO

(%

)

C(ppm)


00

IV-1-3-2- La demande biochimique en oxygène (DBO) :

Le tableau (9) regroupe les résultats de rendement en DBO en fonction de la concentration du

phénol avant et après le traitement obtenus pour chaque bouteilles à température ambiante qui

est de 30 °C. L'histogramme obtenues pour les cinq échantillons sont représentées par le

figure(7).

Le passage des valeurs de la DBO5 au rendement épuratoire est effectué en appliquant la

formule suivante :

(10)

Le tableau N°9 : La variation de rendement en DBO en fonction de la concentration du

phénol

C(ppm) Rendement en DBO (%)

1 12,76

2 13,04

3 11,11

4 8,69

5 10,86


02

Figure N°7: Evolution de rendement en DBO en fonction de la concentration du phénol

Nous avons observé que le rendement épuratoire augmente avec l'augmentation de la

concentration de phénol. En outre les valeurs obtenues pour les différents résultats sont

quasiment identiques avec un léger écart qui pourrait être lié à l’erreur de mesure.

0

2

4

6

8

10

12

14

1 2 3 4 5

Re

nd

em

en

t e

n D

BO

(%

)

C(ppm)

CONCLUSION GENERALE

L’adsorption sur charbon actif est reste comme une technique de choix pour la

réduction des micropolluants organiques.

Les essais réalisés au cours de cette étude ont eu pour objectif l’application du

procédé d’adsorption sur charbon actif en mode batch.

Les résultats observés nous ont permis de conclure que les pourcentages d’élimination

de ces composées sont importants. Les eaux épurées par cette technique ont les

caractéristiques suivantes :

La concentration initiale du phénol influe sur les valeurs de la conductivité

électrique et de pH mesurés avant et après traitement.

Nous avons remarqué que le rendement épuratoire augmente avec

l'augmentation de la concentration du phénol.

Nous avons observé que le rendement épuratoire (concernant la DBO5 et la

DCO) augmente avec l'augmentation de la concentration du phénol.

[1] Etude expérimentale de l'effet de l’enrobage de supports solides par des polymères

conducteurs sur leur capacité de rétention des cations métalliques en solution aqueuse

par adsorption. Application à la silice et à certains matériaux naturels', THÈSE En vue

de l'obtention DU DOCTORAT EN SCIENCES EN GENIE DES PROCEDES.

[2] Satin M. 1999 et Bouziani M. 2000

[3] Satin M. 1999 et Bouziani M. 2000

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Résumé :

La pollution des eaux représente l’un des aspects les plus inquiétants de la dégradation de

l’environnement.

Devant la nécessité, devenue impérative de nos jours, de préserver les ressources en eaux et

de contribuer à la protection de la santé publique, de très nombreux concepts de traitement des

eaux usées ont été développés. Généralement le principe de base est l’élimination ou la

diminution de la charge polluante de l’eau.

Le présent travail, étudie l’efficacité d'un charbon actif commercial TE 80 d'élimination de

quelques paramètres révélateurs de pollution organique tel que la DBO5 et de la DCO à

température ambiante en modes batch. Les solutions sont dosées par spectroscopie

UV/Visible.

Mots clés :composés organiques, eux usées, décontamination, charbon actif, adsorption.

Abstract :

Water pollution is one of the most disturbing aspects of environmental degradation.

Nowadays, become imperative to preserve water resources and to contribute to the protection

of public health, many wastewater treatment concepts have been developed. Generally the

basic principle is the elimination or reduction of the pollution load of water.

This work examines the effectiveness of a commercial activated carbon TE 80 elimination of

some revealing parameters of organic pollution as BOD5 and COD at room temperature in

batch modes. The solutions are assayed by UV / Visible spectroscopy.

Keywords: organic compounds, waste water, decontamination, activated carbon, adsorption.

:ممخص

لحفاظا لزاما صار لمحاجة، ونظرا األيام هذه ففي .ةيالبيئمن الناحية لمقمق المثيرة الجوانب أكثر إحدى المياه تموثيعد و المستعممة. مياهال معالجةل المفاهيم من العديد وضعتلذلك العامة، الصحة حماية في والمساهمة المائية الموارد عمى

.المياه تموث الحمل من الحد أو القضاء هو األساسي المبدأ عموما

موثات العضوية استخدمنا كواشف لهذه الم بعض من متخمصل TE 80 التجاري الفحم المنشط فعالية العمل هذا ويتناول الطيفي/ البنفسجية فوق األشعة استعممنا غمى ذلك باإلضافة .الغرفة حرارة درجة في DCOوDBO5 مثل المموثات

.لمعايرة المحاليل المرئي

.اإلمتزاز،إزالة التموث ،الفحم المنشط ، ،المياه المستعممة،العضوية المركبات: مفتاحيةال كمماتال

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