Utilisation des écailles de cacao pour absorber les métaux solubilisés lors de la lixiviation chimique de sols contaminés.

Meunier, Nathalie (2003). Utilisation des écailles de cacao pour absorber les métaux solubilisés lors de la lixiviation chimique de sols contaminés. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 294 p.

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Résumé

La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce résumé peut être lue en PDF. Ce projet de recherche fait partie intégrante des travaux conduits depuis plusieurs années par les chercheurs de l'TNRS-Eau, Terre et Environnement afin de développer des technologies de décontamination, de récupération et de recyclage de métaux toxiques de divers rejets urbains et industriels. De fait, l'objectif général de ce projet de recherche était de mettre à jour les connaissances théoriques et pratiques visant le développement et l'optimisation d'un procédé économique de décontamination des sols qui combinerait la lixiviation chimique et l'adsorption des métaux toxiques sur un adsorbant naturel. Dans le cadre de ce projet, les travaux ont d'abord porté sur la comparaison de la performance de divers adsorbants naturels pour la récupération des métaux à partir de solutions acides synthétiques et des effluents issus de procédés de lixiviation chimique des sols, ainsi que sur l'étude de leur sélectivité envers les cations métalliques. Des essais d'adsorption ont été effectués dans des fioles d'erlenmeycrs agitées en présence d'écailles de cacao, d'écorces de cèdre, d'écorces de pin, d'écorces de pruche, de vermiculite ou de pierres volcaniques. Les écailles de cacao se sont avérées l'adsorbant le plus efficace avec une capacité maximale de fixation (qmax) de 2,60 mg Pb/g pour des essais conduits avec un lixiviat très acide de sol (pHi = l,59 et [Pb]i = 45,4mg/L). Les écorces de cèdre ont aussi montré une bonne capacité de fixation des métaux de ces solutions très acides, mais à un degré moindre que les écailles de cacao. D'autres travaux ont porté sur l'efficacité des écailles de cacao à enlever les métaux de solutions acides (pH = 2) de différentes compositions. Les tests d'adsorption ont été conduits dans des fioles d'erlenmeyers agitées contenant des solutions synthétiques comportant un seul cation métallique à la fois (0,25 mM Al, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb et Zn), ou une solution multi-métallique (comprenant 0,25 mM de chacun des cations ci-dessus) ou un lixiviat provenant de la lixivation chimique d'un sol en présence de différentes quantités d'écailles de cacao (5 à 40 g/L). Les résultats des essais effectués avec les solutions mono-métalliques ont permis de montrer que la fixation des métaux par les écailles de cacao suit un ordre spécifique: Pb> Cr > Cd = Cu = Fe> Zn= Co > Mn=Ni = Al. D'autres travaux ont porté sur l'efficacité et la sélectivité des écailles de cacao pour l'adsorption des métaux présents dans les lixiviats acides de décontamination de sols. Les expériences effectuées en fioles agitées avec 15 g/L d'écailles de cacao et un lixiviat acide (pHi = 2,4) dopé (ajout de 100 et 300 mg métal/L) avec un ou 10 sels de métaux ont montré que cet adsorbant naturel est efficace pour l'adsorption du Pb et, en second lieu du Cu. Une teneur maximale en Pb de 17900 mg/kg a été adsorbée sur les écailles de cacao lors des essais réalisés avec un lixiviat de sol dopé avec une concentration de 300 mg Pb/L, pour un rendement d'enlèvement de 75 %. Ccs travaux ont aussi montré que la sélectivité des écailles de cacao pour l'adsorption des métaux dans ces conditions suit de manière générale l'ordre suivant: Pb » Cu » Fe > Al > Cr » Co > Zn > Mn> Cd > Ni. L'étude de la cinétique d'adsorption des métaux sur une période de 24 h a aussi révélé que l'équilibre d'adsorption est presque atteint dans les deux premières heures de contact. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à l'évaluation de l'effet des paramètres agissant sur les capacités de fixation des métaux sur l'adsorbant le plus performant, soit les écailles de cacao, ainsi que l'étude des mécanismes chimiques impliqués dans ce phénomène d'adsorption. Des expériences d'adsorption ont d'abord été menées avec diverses fractions granulométriques d'écailles de cacao. Ces tests ont montré que le broyage de cet adsorbant n'est pas requis et que l'utilisation de particules supérieures à 1 000 µm permet d'obtenir des rendements adéquats d'enlèvement du Pb. Des tests d'adsorption ont été réalisés en fioles agitées avec des solutions synthétiques de Pb et une concentration de 15 g/L d'écailles de cacao. Une capacité de fixation similaire (14,5 à 16,0 mmol/kg) a été mesurée lors d'essais menés dans des solutions à pH initial compris entre 2,0 et 4,0, mais une baisse modérée (10,8 mmol/kg) a été notée à un pH initial de 1,5. Des concentrations élevées de Ca et Mg (2,35 mol/L) en solution causent également une baisse significative de l'enlèvement du Pb par les écailles de cacao, alors que les ions K et Na n'affectent pas la prise en charge du Pb par cet adsorbant. Ces expériences témoignent donc que les protons, le Pb et les sels présents (particulièrement Ca²⁺ et Mg²⁺) dans les solutions constituent des éléments en compétition pour les sites de fixation disponibles sur les écailles de cacao. L'utilisation de la microscopie électronique à balayage et de la diffraction par rayon X ont également permis de montrer l'importante dispersion du Pb dans les écailles de cacao souvent caractéristique des phénomènes d'adsorption et d'échange cationique. De plus, le bilan des cations fixés et relargués lors des tests d'adsorption avec les écailles de cacao révèle que l'enlèvement des métaux s'effectue par un mécanisme d'échange d'ions avec relarguage des ions Mg, Ca et K présents initialement dans l'adsorbant. Également, le blocage chimique de groupements fonctionnels a permis d'identifier les fonctions carboxyliques et amines comme sites principaux de fixation du Pb sur les écailles de cacao. Finalement, la troisième partie de la thèse a consisté à étudier diverses variantes d'utilisation de cet adsorbant dans la perspective de l'élaboration d'un système à grande échelle combinant la lixiviation de sols et l'adsorption des métaux. Tout d'abord, des tests d'élution menés avec différentes concentrations d'acide chlorhydrique ont montré qu'une proportion élevée du Pb fixé sur les écailles de cacao peut être éluée en utilisant un court temps de contact, de l'ordre de 10 min, dans une solution d'acide diluée (0,5-1,0 M). L'utilisation d'une solution d'acide plus concentrée entraîne une minéralisation significative de l'adsorbant et ne permet pas d'améliorer le rendement d'élution. Des essais de cycles répétés d'adsorption et d'élution ont montré que les écailles de cacao peuvent être réutilisées à plusieurs reprises. Cependant, leur capacité d'adsorption du Ph diminue progressivement avec le nombre de cycles, soit de 19,3 mg Pb/g au premier cycle jusqu'à 4,8 mg Pb/g au dixième cycle. Finalement, l'utilisation de cycles successifs d'adsorption et d'élution du Pb ne s'avère intéressante d'un point de vue économique que dans la mesure où la solution d'acide est utilisée pour plusieurs étapes d'élution. D'autre part, l'étude de la lixiviation et de l'adsorption simultanée en utilisant différentes variantes de réacteurs à membranes n'a pas produit de résultats concluants quant au potentiel véritable de cette variante technologique. Ainsi, les fines particules de sol et les matières colloïdales des écailles de cacao ont causé un problème sérieux de colmatage des membranes de 10 µm de porosité utilisées lors de la présente étude. L'utilisation d'une nouvelle configuration de réacteur, qui permettrait d'éviter ce problème de colmatage des membranes, semble toutefois nécessaire avant de rejeter définitivement cette option. Dans le cadre de ce projet, un procédé d'adsorption à contre-courant (PACC) a été élaboré et testé pour le traitement d'effluent acide de décontamination de sol. L'effluent acide (pHi = 2,0) utilisé dans cette étude était initialement contaminé en Pb (27,1 ± 2,9 mg/L), Cu (2,93 ± 0,27 mg/L) et Zn (17,1 ± 0,9 mg/L). Trois à cinq courtes étapes d'adsorption (temps de contact = 1 h) en utilisant 10 g d'écailles de cacao par litre d'effluent permet de réduire, par un facteur 2 à 4, la quantité d'écailles de cacao nécessaires pour le traitement des effluents en comparaison à un procédé conventionnel d'adsorption en une seule étape. Les résultats ont aussi montré que la concentration de Pb adsorbée augmente de 1 060 mg/kg pour le procédé à une étape, jusqu'à une valeur moyenne de 2 730 ± 220 mg/kg pour le procédé à cinq étapes. Du point de vue environnemental, cette variante permettrait d'obtenir une quantité résiduelle de Pb en solution plus faible sans avoir à ajouter plus d'adsorbants pour le traitement d'un lixiviat acide de sol. Enfin, l'utilisation de colonne offre un support efficace aux écailles de cacao qui faciliterait les opérations reliées au changement du matériel adsorbant dans la perspective d'une application à grande échelle. Aussi, la regénération des écailles de cacao serait facilitée par l'utilisation d'un système en colonne de même que le recyclage de la solution d'élution. À cet égard, l'utilisation d'un système en colonnes combinant la regénération des écailles de cacao, une rotation de celles-ci afin de créer un mode d'opération à contre-courant et une recirculation partielle des lixiviats et des solutions d'élution semble une voie très prometteuse à explorer dans de futurs travaux de recherche. Les essais menés avec un ensemble de huit colonnes d'adsorption remplies de 50 g d'écailles de cacao et opérées à différentes charges hydrauliques ont montré qu'un temps de contact minimal de l'ordre de 30 min est nécessaire pour le traitement de 100 mL d'un lixiviat acide (Ci = 36 mg Pb/L et pHi = 2,0) par gramme d'écailles de cacao. Des essais réalisés avec un système de quatre colonnes disposées en série et contenant chacune 80 g d'écailles ont également démontré que le Pb fixé peut être aisément élué par une solution d'acide diluée (HCI 1 N) et que les écailles de cacao peuvent être réutilisées pour plusieurs cycles d'adsorption-élution sans perdre de manière importante leur capacité de fixation du Pb. En conclusion, l'adsorption chimique des métaux par les écailles de cacao apparaît être une option intéressante puisque ce matériel est peu coûteux, aisément disponible et qu'il est capable de fixer les métaux à partir de solutions métalliques très acides (pH < 3). Il semble donc possible d'utiliser cet adsorbant pour traiter des effluents provenant de la décontamination des sols, sédiments, boues, et plusieurs autres types d'industrie (comme le drainage minier acide) qui sont multi-métalliques et très acides. Il est donc recommandé d'explorer pins en profondeur ces avenues dans de futurs travaux de recherche.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Tyagi, Rajeshwar Dayal
Informations complémentaires:	Résumé avec symboles
Mots-clés libres:	économie; décontamination; sols; écailles de cacao
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	15 juin 2012 20:26
Dernière modification:	05 mai 2023 13:39
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/368

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