Valorisation des déchets ligno-cellulosiques
(Noyaux de dattes) dans l’élimination des colorants de l’eau

PROCEDE DE TRAITEMENT PAR ADSORPTION ETUDIE 

Malgré les récents développements dans le domaine des traitements des eaux colorées, et malgré les nouvelles technologies modernes qui sont apparues dans ce domaine, l’adsorption reste encore une procédure fiable et la plus utilisée dans le monde en vue d’élimination des colorants des eaux résiduaires (Madrakian et al., 2012). Les charbons actifs commerciaux, principaux adsorbants utilisés pour l’adsorption des colorants des eaux, sont relativement chers et par conséquent peu accessibles à grande échelle (Namasivayam et Kavitha, 2002 ; Mahmoudi et al., 2015). Au cours des récentes décennies, la recherche de matériaux adsorbants bon marché, ayant une efficacité comparable à celle des charbons actifs commerciaux, a constitué un important sujet de recherche. Les déchets industriels, domestiques et agricoles font partie de ces matériaux peu coûteux. Parmi ces matériaux, on peut citer : le chitosane, noyaux d’olives, d’abricots, les pelures d’orange, de banane etc. L’application de ces biomatériaux est donc motivée essentiellement par leurs coûts et leurs disponibilités (Rafatullah et al., 2010). 

Définition de l’adsorption

Le terme adsorption a été proposé pour la première fois par Kayser en 1881. Il voulait différencier entre une condensation de gaz à la surface d’un solide et une adsorption de gaz ; processus dans lequel les molécules de gaz pénètrent dans la masse (Masel, 1996). L’adsorption est le processus au cours duquel des molécules d’un fluide (gaz ou liquide), appelé un adsorbat, viennent se fixer sur la surface d’un solide, appelé un adsorbant. Par la surface du solide, on sous-entend les surfaces externes et internes engendrées par le réseau de pores et cavités à l’intérieur de l’adsorbant. Le mot adsorption indique qu’il s’agit d’un phénomène de surface et ne doit pas être confondu avec le mot absorption qui indiquerait que le fluide a pénétré dans la masse du solide (Rouquerol et al., 2003). Il existe deux types de processus d’adsorption: l’adsorption physique (ou physisorption) et l’adsorption chimique (ou chimisorption).

Types d’adsorption

Adsorption physique (ou physisorption)

L’adsorption physique est un phénomène réversible (c’est-à-dire que les molécules adsorbées peuvent être facilement désorbées en diminuant la pression ou en augmentant la température) qui résulte de l’attraction entre les molécules d’adsorbant composant la surface Chapitre III Procédé de traitement par adsorption étudié 46 du solide et les molécules du soluté de la phase fluide, les forces attractives sont de nature physique, comprenant les forces dites de Vander-Waals et des forces dues aux interactions électrostatiques. Ces forces ne détruisent pas l’individualité des molécules et opèrent à des énergies faibles. Il n’ya pas de formation de nouvelles liaisons, mais elle résulte de la présence des forces intermoléculaires qui agissent entre deux particules voisines. Ce phénomène est observé essentiellement dans la condensation de molécules gazeuses sur la surface du solide et il est favorisé, en conséquence, à des basses températures. Elle est réversible et peu spécifique (Sun et Meunier, 2003). L’adsorption physique est rapide et généralement limitée par les phénomènes de diffusion. La force des interactions mises en jeu peut être estimée par l’énergie d’adsorption qui est comprise entre 5 et 40 kJ/mol et considérée comme faible : «donc la désorption peut être totale ». 

Adsorption chimique (ou chimisorption)

L’adsorption chimique est essentiellement irréversible et lente. Très spécifique, elle s’accompagne d’une forte variation d’énergie d’activation (Sun et Meunier, 2003). Elle résulte d’une interaction chimique entre les molécules d’adsorbant composant la surface du solide et les molécules de soluté. Ces forces attractives de nature chimique provoquent un transfert ou une mise en commun d’électrons et en conséquence, la destruction de l’individualité des molécules et la formation d’un composé chimique à la surface de l’adsorbant. L’adsorption chimique résulte donc d’une profonde modification de la répartition des charges électroniques de la molécule adsorbée : les forces de liaison sont du même type que celles qui sont impliquées lors de la formation des liaisons chimiques. Ce type d’adsorption se développe à haute température et met en jeu une énergie de transformation élevée. L’énergie d’adsorption est supérieure à 80 kJ/mol: « la désorption est difficile ». L’adsorption physique peut se faire en monocouche ou en multicouches, alors que l’adsorption chimique est uniquement monomoléculaire car la présence des liaisons de valence entre l’adsorbat et l’adsorbant exclut la possibilité de couches multimoléculaires. D’une manière générale, l’adsorption est un phénomène exothermique qui se produit par un dégagement de chaleur ce qui peut conduire à un échauffement du solide. Le tableau III.1 regroupe quelques critères de distinction entre l’adsorption physique et l’adsorption chimique. Chapitre III Procédé de traitement par adsorption étudié 47 Tableau III.1. Comparaison des deux types d’adsorption (Chitour, 2004). Propriétés Adsorption physique Adsorption chimique Température du processus Relativement basse Plus élevé Chaleur d’adsorption 5 Kcal/mol environ 10 Kcal/mol environ Liaison Physique (Van der Waals) Chimique Cinétique Très rapide Lente Spécificité Processus non spécifique Processus très spécifique Processus de désorption Facile Difficile Couches formées Mono ou multicouches Uniquement monocouche Réversibilité Réversible Irréversible III.4. Paramètres d’évaluation de l’efficacité des adsorbants Il existe plusieurs techniques dont les plus utilisées sont le mode discontinu ou batch et le mode continu ou étude en colonne. D’un point de vue expérimental, la manipulation en mode batch est la méthode la plus facile à mettre en œuvre à l’échelle du laboratoire. C’est une méthode qui consiste à mettre en contact un volume fixé de solution à épurer avec une masse d’adsorbant donnée, dans des conditions préalablement établies et pouvant être facilement modifiés. En effet quand une solution est mise en contact prolongé avec l’adsorbant, on atteint un équilibre thermodynamique entre les molécules adsorbées et celles présentes en phase liquide. Le milieu est alors agité pendant un temps donné, puis séparé. La comparaison de la solution initiale et du surnageant par dosage analytique permet de déterminer l’efficacité de l’adsorbant utilisé. Ceci permet d’évaluer l’effet des paramètres opératoires sur les performances de l’adsorbant utilisé. Les quantités adsorbées à l’équilibre pour un système adsorbat-adsorbant sont généralement caractérisées par des isothermes d’adsorption déterminées à une température donnée. Elle permet aussi de modéliser la cinétique d’adsorption ainsi que de déterminer les paramètres thermodynamiques du processus d’adsorption. L’évaluation de l’efficacité d’un adsorbant est réalisée par la détermination de la capacité d’adsorption du matériau, de l’efficacité d’élimination des polluants et du taux de désorption. La capacité d’adsorption et l’efficacité d’élimination permettent de dimensionner Chapitre III Procédé de traitement par adsorption étudié 48 l’adsorbeur, en termes de quantité de matériau nécessaire, tandis que la cinétique permet l’estimation du temps de contact entre l’adsorbant et le polluant. La capacité d’adsorption notée qt (mg/g) est la quantité de polluant adsorbée à l’instant t (min) par un matériau. Elle est définie par la formule suivante: