Le processus d’Adsorption dans le traitement des eaux industrielles

Traitement des eaux industrielles

Prof. C. Pulgarin

Enea Giovanni Bonfanti

Frédéric Sciacca

Présentation du jeudi 20 mars 2008

EPFL-SSIE

Structure de la présentation

Situation du processus dans un schéma de traitement de l’eau

Description du processus Théorie du processus

• Adsorption physique/chimique• Isothermes• Types de support utilisés• Polluants concernés

Installations types Intérêts du processus

Situation du processus dans un schéma type de traitement de l’eau

• L’adsorption ne peut être réalisée sur une eau trop chargée en polluants ou en molécules à cause des risques de colmatage du support

• Situation du processus après un traitement primaire

• Schéma :…

Description du processus

• Transfert d’une phase liquide contenant l’adsorbat vers une phase solide avec rétention des solutés à la surface de l’adsorbant

Théorie du processus

Résultats de forces de type attractif et répulsif entre soluté, solvant et phase solide

Étant donné les forces attractives prédominantes, il est possible de distinguer deux types de processus d'adsorption: Physique (non spécifique)Chimique (chemi-adsorption ou spécifique)

Adsorption Physique (réversible)

Interactions à large rayon Forces type Van-der-Waals ou électrostatiques et donc relativement faibles Facilement réversible Non spécifique: possible formation de multicouches Faibles chaleurs de réaction (1-10 Kcal/mol)

Adsorption Chimique (irreversible)

Interaction à rayon court de type chimique Liens de type Hydrogène Liens entre orbitales type π Irréversible ou difficilement réversible Hautes chaleurs de réaction (10-100 Kcal/mol) Très spécifique, formation d’une seule couche

Isothermes d’adsorption

Relation entre la quantité de soluté adsorbé par unité de masse de l’absorbant, et la concentration dans la solution:

X/m=f(C)T• X est la masse de soluté adsorbé sur m grammes

de solide

• C est la masse de soluté par unité de volume de phase aqueuse à l’équilibre

• f(C)T est une fonction de C à une température T

Classification des Isothermes

Les isothermes expérimentaux peuvent être subdivisés en : 4 classes (S, L, H, C)

selon la pente de la partie initiale de la courbe et

5 sous-groupes (1, 2, 3, 4, 5) selon la pente de la partie finale

Isotherme S

L’isotherme S : courbé vers l’haut, ce qui indique que l’adsorption est défavorisée

L’interaction surface soluté est inferieure à celle entre solvant et soluté

La présence de molécules déjà adsorbées favorise le processus

Isotherme L (Langmuir)

L’isotherme L : courbé vers le bas, ce qui indique que l’interaction surface soluté est supérieure à celle entre solvant et soluté

Avec un nombre total de sites constant, l’augmentation des molécules adsorbées diminue le nombre de sites restant disponibles

Isotherme H (High affinity)

Dans le cas de l’isotherme H le soluté possède une grande affinité pour la surface de l’adsorbant

A de basses concentrations, il est complètement adsorbé ce qui donne une partie initiale de la courbe quasi verticale

Isotherme C (constant partition)

L’isotherme C montre un cours linéaire ce qui indique une partition égal entre soluté et adsorbant

L’adsorption continue jusqu'a la saturation

Le numéro de sites pour l’adsorption reste constant pendant tout le processus

Types de support

• Caractéristiques des différents adsorbants:

• 5 grands types d’adsorbants physiques avec une caractéristique commune leur grande surface spécifique (de 500 à 1500 m2/g et plus de 2000 m2/g pour les matières synthétiques) :

• Charbon actif : Pyrolyse de matière carbonée (combustion lente)

• Zéolithes : Alumino-silicates cristallisés microporeux

• Alumines : Thermolyse du trihydroxyde d’aluminium

• Gels de silice : Si(OH)4 en phase aqueuse

• Argiles activées : Alumino-silicates de structure différente

Polluants concernés

Le charbon actif est de loin le plus efficient sur de nombreuses molécules :

En général, les composés avec un grand poids moléculaire, une pression de vapeur basse, un point de fusion et un indice de réfraction élevé sont les mieux adsorbés

Plus la concentration est élevée plus la consommation de charbon est grande

Plus la température est basse, meilleure est la capacité d’adsorption

Polluants concernés Le charbon actif est de loin le plus efficient sur de

nombreuses molécules :

Substances organiques solubles et non-polaires (huiles minérales, BTEX, PACs, phénols, chlorure)

Substances halogénées : I, Br, Cl, H et F Substances non polaires (non solubles), métaux lourds Actif également sur les odeurs, le goût, les levures

Type de micropolluants organiques Capacité de l’adsorbant

• Solvants aromatiques(benzène, toluène, etc..)

• Pesticides(aldrine, endrine, dieldrine, chlordane, etc..)

• Herbicides(atrazine, simazine, propazine, bentazone,..)

• Aldéhydes et chétones

• Bonne

• Bonne

• Excellente

• Médiocre

Typologie des installations• Support fixe sur colonne régénérable (GAC) ou poudre d’adsorbant irrécupérable (PAC)

Installations d’absorption

Installation typique pour traiter des effluents liquides: une série de colonnes sous pression remplies de GAC (Granular Activated Charbon) ou d’autre matériel adsorbant

Colonnes à gravité

Constituées de nombreuses colonnes en série afin qu'au moment du breakthrough de la dernière colonne la première soit en équilibre avec le liquide

Quand une colonne est saturée, elle est régénérée et va prendre la dernière position

Le liquide à traiter circule par gravité

Première phase

Deuxième phase

Colonnes multiples en parallèle

Système constitué de nombreuses colonnes fonctionnant en parallèle, l’effluent provenant des colonnes varie car la concentration diffère en fonction de l’état d’exploitation de la colonne

Les effluents sont ensuite mélangés pour obtenir la concentration désirée

Colonnes continues à contre courant

L’adsorbant épuisé en équilibre avec le liquide provenant du fond de la colonne est extrait et régénéré de façon continue ou semi-continue

Comme ce type de colonne ne peut pas être nettoyé en contre-courant le contenu de MES de l’affluent ne doit pas être trop important

L’adsorbant propre est alimenté du haut de la colonne

Colonnes gravitaires à flux alterné

Système composé d'une colonne à contre courant pour le prétraitement suivi d'une seconde à gravité pour l’épuration finale

Au breaktrough du système, la colonne à contre courant est régénérée et positionnée après l’autre colonne qui commence à fonctionner en contre courant pour le prétraitement

Processus PACT

Consiste en l’ajout de PAC (powdered activated carbon) dans le bassin d’aération en un processus à boues activées pour améliorer le rendement

Dosage entre 20 et 200 mg/l de PAC Les boues en excès passe par un réacteur avec

oxygène à 450°C et 51 bar de pression Les boues sont oxydées et solubilisées, le

charbon est régénéré

Avantages du processus PACT

Faible variabilité de qualité de l’effluent Soustraction des substances organiques non

biodégradables par adsorption Adsorption des substances toxiques pour la

biomasse Soustraction des polluants primaires réfractaires au

traitement biologique Amélioration de la capacité de sédimentation des

boues Amélioration du taux de biodégradation totale en raison

d'une plus grand activité de la biomasse

Régénération du charbon actif

Produit couteux donc souvent régénéré si le rétrolavage est insuffisant : • Régénération à la vapeur: si les produits adsorbés sont volatiles, ou

pour déboucher et désinfecter le charbon• Régénération thermique: pyrolyse sous atmosphère contrôlée

(oxygène et vapeur d’eau) pour éviter la combustion du charbon actif. Pertes entre 5 et 15%

• Régénération chimique: Utilisation de solvant à 100° et pH élevé. Pertes minimes de charbon actif

• Régénération biologique: Dégradation biologique des matières récalcitrantes par une biomasse fixée sur les granules de charbon actif (biofilms)

Intérêts du processus

Avantages Très bonne efficacité dans l’eau avec des

concentrations basses Gamme de polluants très larges Récupération possible de l’adsorbant

Désavantages Coût élevé Récupération partielle de l’adsorbant Colmatage selon le TOC

Bibliographie

Sites Internet www.utinam.cnrs.fr/Les-suies http://culturesciences.chimie.ens.fr/dossiers-chimie-societe-article-AdsorptionEnvironnement.html#d0e2

62 http://www.eco-web.com/editorial/040201.html http://www.lenntech.com/fran%E7ais/adsorption.htm http://www.arpa.emr.it/Ingamb/download/Attivit%C3%A0%208%20-%20Parte%202.pdf www.pirchercittiglio.it/prodotti/schede/43aa689dd23dc.pdf http://it.kaeser.com/Products_and_Solutions/Compressed-air-treatment/Filtration/Activated-carbon-adso

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http://www.gch.ulaval.ca/bgrandjean/gch20273/chap11/chap-11.pdf

Ouvrages Prof. C. Nurizzo, 2006. Trattementi delle acque di approvigionamento – II, Polytechnique

de Milan.

T. Kohn, 2007. Water and wastewater treatment, EPFL.

M.Bagane et S.Guiza, 2000. Elimination d’un colorant des effluents de l’industrie textile par adsorption, Elsevier.