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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
rbers/default.asp
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.
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