Etude et mise en oeuvre d’un couplage de la photocatalyse et de la biosorption en vue de décontaminer une eau polluée par les polluants organiques

Abstract

Cette étude a pour objectif d’évaluer la faisabilité et l’efficacité du couplage de procédés biosorption- photocatalyse hétérogène, pour le traitement d’une eau polluée par des colorants. Dans la présente étude, l’adsorbant utilisé est un biosorbant activé chimiquement (BAC), préparé en transformant une biomasse végétale « tiges de bambou » par voie chimique à l'aide de saumure provenant d'une usine de dessalement. La caractérisation du BAC par différentes techniques d’analyse (FTIR, MEB, XRF, EDS) a révélé une modification appréciable de sa morphologie extérieure avec une porosité améliorée, illustrant l’effet de la saumure que le matériau a subi. Le carbone et l’oxygène sont les principaux composants élémentaires des analyses EDS, confirmant ainsi la faible teneur en minéraux. Pour vérifier l’efficacité du biosorbant utilisé (BAC), deux colorants ont été testés, à savoir le bleu de méthylène (BM) (cationique) et le réactif green (RG12) (anionique). Les expériences de la biosorption du BM/RG12 effectuées en batch révèle que l’équilibre d’adsorption est atteint après 30 et 60 min de mise en contact, respectivement pour le BMet RG12. L’adsorption des deux colorants est favorable à pH neutre et la variation de la température n’affecte pas de manière significative l’élimination des deux polluants. Les isothermes de Langmuir, Freundlich, Temkin, Sips, Redlich-Peterson et Toth ont été appliqués afin de décrire le mécanisme d’adsorption du BM/RG12 par le BAC. La biosorption du BM par le BAC est régie parfaitement par le modèle de Sips avec une capacité d’adsorption de l’ordre de 21,28 mg.g-1. En revanche, la biosorption du RG12 par le BAC est régie par le modèle de Toth avec une capacité d’adsorption de 0,487 mg.g-1. La cinétique de biosorption des deux colorants BM/RG12 obéit au modèle de pseudo-second-ordre. L’étude thermodynamique révèle que la biosorption du BM/RG12 par le BAC est spontanée, et thermodynamiquement favorable. L’étude de la biosorption du BM en dynamique, a été effectuée dans les domaines de variation des paramètres étudiés, à savoir la hauteur du lit (5,5 ; 9,5 ; 13,5 cm), la concentration initiale (20,0 ; 30,0 ; 40,0 mg.L-1), et le débit d’alimentation (1,0 ; 2,0; 3,0 mL.min-1) , alors que pour le RG12 cette étude est menée pour une concentration initiale (10,0 ; 20,0 mg.L-1) et un débit d’alimentation (0,5 ;1,0 mL.min-1), en maintenant la hauteur du lit à (25,5 cm). De très bons ajustements ont été obtenus (R2ajust >0 ,940) lors de la modélisation des courbes de percée par les modèles de Thomas et de Yoon–Nelson. La dégradation par photocatalyse (UVC/TiO2) du colorant réactif Green (RG12) est étudiée en appliquant le plan d’expérience de type Dohelert. L’analyse statistique a permis d’élaborer un modèle regroupant les paramètres les plus significatifs, qui sont la concentration initiale du colorant, la dose du semi-conducteur, ainsi que le temps d’irradiation, et de déterminer les conditions optimales [RG12]0 = 12,5 mg. L-1, la dose de [TiO2]=2,0 g.L-1 et le temps d’irradiation = 4,85h. L’étude de la biosorption du RG12 en boucle fermée est effectuée dans les conditions : [RG12]0 = 20,0 mg. L-1 ; [BAC]= 20,0 g.L-1 ; Q = 1 mL.min-1, une élimination de 34,1% a été obtenue au bout de 40 min de contact. L’étude de la photodégradation du RG12 en système fermé est effectuée aussi, pour deux doses du TiO2, à savoir 1,0 et 5,0 g. L-1, la concentration initiale [RG12]0 est fixée à = 20,0 mg. L-1 et le débit de la solution à traiter est maintenu à 1,0 mL.min-1. Les taux d’abattement ont atteint 56% et 27%, après 135 min et 150 min d’irradiation pour les doses 5,0g.L-1et 1,0g.L-1, respectivement. Un couplage en hybride des deux procédés biosorption/photocatalyse est mis en œuvre. Le dispositif expérimental utilisé est constitué d’un réacteur photocatalytique, alimenté à partir d’un bac agité, contenant une solution du polluant et une dose appropriée du catalyseur. Le taux de dégradation final a été obtenu dans les conditi