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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.

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1 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

2 Structure de la présentation Situation du processus dans un schéma de traitement de leau Description du processus Théorie du processus Adsorption physique/chimique Isothermes Types de support utilisés Polluants concernés Installations types Intérêts du processus

3 Situation du processus dans un schéma type de traitement de leau Ladsorption 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 :…

4 Description du processus Transfert dune phase liquide contenant ladsorbat vers une phase solide avec rétention des solutés à la surface de ladsorbant

5 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)

6 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)

7 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 ( Kcal/mol) Très spécifique, formation dune seule couche

8 Isothermes dadsorption Relation entre la quantité de soluté adsorbé par unité de masse de labsorbant, 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 léquilibre f(C) T est une fonction de C à une température T

9 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

10 Isotherme S Lisotherme S : courbé vers lhaut, ce qui indique que ladsorption est défavorisée Linteraction surface soluté est inferieure à celle entre solvant et soluté La présence de molécules déjà adsorbées favorise le processus

11 Isotherme L (Langmuir) Lisotherme L : courbé vers le bas, ce qui indique que linteraction surface soluté est supérieure à celle entre solvant et soluté Avec un nombre total de sites constant, laugmentation des molécules adsorbées diminue le nombre de sites restant disponibles

12 Isotherme H (High affinity) Dans le cas de lisotherme H le soluté possède une grande affinité pour la surface de ladsorbant A de basses concentrations, il est complètement adsorbé ce qui donne une partie initiale de la courbe quasi verticale

13 Isotherme C (constant partition) Lisotherme C montre un cours linéaire ce qui indique une partition égal entre soluté et adsorbant Ladsorption continue jusqu'a la saturation Le numéro de sites pour ladsorption reste constant pendant tout le processus

14 Types de support Caractéristiques des différents adsorbants: 5 grands types dadsorbants 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 daluminium Gels de silice : Si(OH)4 en phase aqueuse Argiles activées : Alumino-silicates de structure différente

15 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 dadsorption

16 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 organiquesCapacité de ladsorbant Solvants aromatiques(benzène, toluène, etc..) Pesticides(aldrine, endrine, dieldrine, chlordane, etc..) Herbicides(atrazine, simazine, propazine, bentazone,..) Aldéhydes et chétones Bonne Excellente Médiocre

17 Typologie des installations Support fixe sur colonne régénérable (GAC) ou poudre dadsorbant irrécupérable (PAC)

18 Installations dabsorption Installation typique pour traiter des effluents liquides: une série de colonnes sous pression remplies de GAC (Granular Activated Charbon) ou dautre matériel adsorbant

19 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

20 Colonnes multiples en parallèle Système constitué de nombreuses colonnes fonctionnant en parallèle, leffluent provenant des colonnes varie car la concentration diffère en fonction de létat dexploitation de la colonne Les effluents sont ensuite mélangés pour obtenir la concentration désirée

21 Colonnes continues à contre courant Ladsorbant 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 laffluent ne doit pas être trop important Ladsorbant propre est alimenté du haut de la colonne

22 Colonnes gravitaires à flux alterné Système composé d'une colonne à contre courant pour le prétraitement suivi d'une seconde à gravité pour lépuration finale Au breaktrough du système, la colonne à contre courant est régénérée et positionnée après lautre colonne qui commence à fonctionner en contre courant pour le prétraitement

23 Processus PACT Consiste en lajout de PAC (powdered activated carbon) dans le bassin daération 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

24 Avantages du processus PACT Faible variabilité de qualité de leffluent 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

25 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 deau) 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)

26 Intérêts du processus Avantages Très bonne efficacité dans leau avec des concentrations basses Gamme de polluants très larges Récupération possible de ladsorbant Désavantages Coût élevé Récupération partielle de ladsorbant Colmatage selon le TOC

27 Bibliographie Sites Internet AdsorptionEnvironnement.html#d0e262 AdsorptionEnvironnement.html#d0e262 carbon-adsorbers/default.asp carbon-adsorbers/default.asp Ouvrages Prof. C. Nurizzo, Trattementi delle acque di approvigionamento – II, Polytechnique de Milan. T. Kohn, Water and wastewater treatment, EPFL. M.Bagane et S.Guiza, Elimination dun colorant des effluents de lindustrie textile par adsorption, Elsevier.


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