Authors: Moumin Aden
Source: theses.fr (ABES) (preprint, 2020-11-26)
Field: Materials Science — Biomaterials

Adsorption des ions Pb(II) et Ni(II) sur des particules de silices fonctionnalisées déposées sur des biopolymères naturelles pour le traitement des eaux usées Ce travail de thèse a pour objet principal la préparation de matériaux submicroniques à base de polymères issus de la biomasse marine (alginates et chitosane) pour la captation de micropolluants métalliques dans les effluents. Dans ce contexte, une panoplie d’adsorbants est testée. Ces derniers sont des silices colloïdales sur lesquelles sont fixés des alkoxysilanes fonctionnels puis encapsulés d’une part par du carboxymethylchitosane (CM-CS) ou d’autre part extrudé par des alginates extraits des algues brunes de Djibouti. Dans le cadre de ce doctorat, et du fait de la plupart des autres technologies coûteuses, l’adsorption sur supports biologiques est retenue pour la rétention d’ions de métaux lourds sur nos matériaux composites en solution aqueuse. Les caractéristiques des composites sont définies par leur morphologie de surface, par l'étude des groupes fonctionnels présents, par la détermination de leurs surfaces spécifiques ainsi qu'en solution aqueuse par la détermination de leurs diamètres hydrodynamiques et de leur potentiel zêta. Durant cette étude, nous avons pu montrer par l’utilisation de différentes techniques (FT-IR, RMN1H, 13C, SBET , MEB, analyse élémentaire et potentiel zêta) que dans les conditions opératoires choisies, il est possible de greffer d’une part la silice avec des alkoxysilanes pour permettre le greffage en groupes carboxyliques et amines, dont les taux de greffage obtenus ont été respectivement de 3,3 μmol/m² et 4,45 μmol/m² et d’autre part de déposer ces silices sur des supports biologiques. La morphologie des particules est modifiée, leurs diamètres hydrodynamiques sont plus élevés et leurs potentiels sont positifs jusqu'au pH basique et ceux à base d’alginates positif jusqu’au pH 4. Ensuite, le pouvoir de rétention de ces composites pour les ions métalliques Ni(II)) et Pb(II) à différents pH est étudié. Pour chacun des cations métalliques, les capacités d'adsorption sont déterminées ainsi que la cinétique d'adsorption. En ce qui concerne le Ni(II) à pH 7, le matériau obtenu par encapsulation de silice enrichie en carboxyle par du CM-CS a montré une efficacité supérieure dans le piégeage d’ion Ni(II) en solution aqueuse à ce que sont que les autres composites. Sa capacité d’adsorption vis-à-vis des ions Ni(II) est estimée à 256 mg.g-1 . Une étude poussée a également permis de mettre en évidence l’effet de contre ions sur la capacité d’adsorption pour ce composite, une caractéristique négligée dans la plupart des autres études portant sur la conception des adsorbants dérivés de la biomasse pour la fixation de métaux lourds. Nous avons constaté une diminution de l'ordre suivant : Br- = Cl- > NO3- > AcO- > SO42-. Dans le cas du Pb(II), à pH 5, les meilleures capacités d'adsorption sont obtenues pour des silices supportées par les alginates issus de l’espèce Sargassum Sp. : la capacité de rétention des ions Ni(II) est de 585 mg/g à pH 5. En ce qui concerne la cinétique, le modèle de réaction de surface d'ordre pseudo-secondaire s'applique bien aux résultats expérimentaux. Des comparaisons critiques révèlent que nos biocomposites présentent une efficacité supérieure vis-à-vis des ions Ni(II) et Pb(II), dépassant celle de la plupart des autres adsorbants concurrents connus dans la littérature, y compris nos bio-polymères (particules de silice greffées au CS). Par conséquent, le recours aux composites et bio-polymères à base de silice pour la rétention des effluents d'eaux usées semble très prometteur et peut être étendu pour inclure d'autres ions métalliques tels que le Cd(II), le Hg(II), le Co(II)). Le recyclage et la récupération de ces biocomposites après chargement en ions métalliques constituent un autre point important pour une application potentielle. Adsorption ; Wastewater ; Ion ; Natural (archaeology) ; Materials science ; Chemical engineering ; Chemistry ; Polymer science ; Polymer chemistry ; Waste management ; Engineering ; Geology ; Organic chemistry Diatoms and Algae Research ; Adsorption and biosorption for pollutant removal ; Chemical and Environmental Engineering Research