Développement et mise en oeuvre de nouveaux matériaux adsorbants d'anions à base de ferrihydrite ou d'Hydroxydes Doubles Lamellaires intégrés dans un gel d'alginate

Development and implementation of new adsorbents materials based on ferrihydrite or Lamellar Double Hydroxides associated in an alginate gel

• Auteur / Autrice : Lulu Zhao
• Direction : Jean-Philippe Basly, Michel Baudu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'environnement / Eau, Sol, environnement
• Date : Soutenance le 20/12/2016
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'environnement Gay Lussac (La Rochelle ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupement de Recherche Eau, Sol, Environnement
• Jury : Président / Présidente : Véronique Deluchat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Basly, Michel Baudu, Agnès Bee-Debras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabel Villaescusa, Dominique Wolbert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anions

Hydroxydes doubles lamellaires

Adsorption

Mots clés libres

Contaminants anioniques

Réacteurs d’adsorption

Encapsulation

Ferrihydrite

HDL Mg/Al

Anionic contaminants

Sorption reactor

Encapsulation

Ferrihydrite

LDH Mg/Al

Résumé

La pollution des eaux constitue actuellement une préoccupation majeure aussi bien d’un point de vue sanitaire qu’environnemental. Afin d’y remédier, des procédés de dépollution efficaces, économiques et durables sont constamment développés et l’adsorption reste une méthode largement utilisée dans le traitement des eaux usées. De nombreux travaux sont consacrés à l’adsorption des polluants cationiques, mais le développement de supports adaptés pour interagir avec les contaminants anioniques est moins abordé. L’objectif principal de ce travail de thèse est de mettre en forme deux adsorbants anioniques : l’HDL (hydroxyde double lamellaire) Mg/Al et la ferrihydrite deux-lignes, et les associant à un gel d’alginate pour produire des matériaux composites pouvant être mis en oeuvre dans des réacteurs spécialisés pour l’élimination de contaminants anioniques. Les résultats de l’adsorption en réacteur batch sur les HDL et la ferrihydrite ont montré une bonne efficacité pour l’élimination de certains anions. La ferrihydrite possède une capacité plus importante que les HDL pour l’élimination des anions inorganiques. L’augmentation du rapport Mg/Al dans l’HDL a favorisé l’adsorption du méthyl orange (MO) ; un rapport Mg/Al de 3 (L3) a été séléctionné pour la suite du travail. Deux protocoles ont été évalués pour associer les solides à un gel d’alginate : l’encapsulation et la synthèse interne dans le gel. La nature des cations réticulant et la création de la macroporosité ont été étudiées. L’encapsulation du solide a diminué légèrement la capacité d’adsorption des anions, cependant, la création de la macroporosité permet de compenser cet effet du gel d’alginate. Les études sur l’adsorption du MO avec les billes encapsulées ont montré que l’augmentation de la taille des billes et de la quantité du solide L3 encapsulée a été accompagnée par une diminution de la capacité d’adsorption du MO. Le remplacement du réticulant Ca2+ par Ba2+ a permis de renforcer la structure du gel et améliorer la cinétique d’adsorption du MO, mais a entrainé une diminution de la capacité d’adsorption. La caractérisation des supports préparés par synthèse interne a montré une structure des solides différente des matériaux attendus (L3 ou ferrihydrite) avec par conséquence une réactivité différente. Des mécanismes d’élimination des anions organiques et inorganiques ont été proposés selon les différents adsorbants étudiés. Les billes ferrihydrite/alginate préparées par encapsulation ont présentés globalement une bonne capacité de rétention des anions notamment pour les anions inorganiques (phosphate, chromate et arséniate). Tandis que celles préparées par synthèse interne ne fixent que les arséniates et les phosphates par différents mécanismes essentiellement la précipitation des anions à la surface des oxyde et oxy-hydroxydes de fer. L’adsorption du MO en réacteur filtrant ouvert a montré que l’augmentation du débit d’alimentation a un effet négatif sur l’adsorption alors qu’une concentration initiale plus grande favorise l’adsorption ce qui est en concordance avec les résultats obtenus en réacteur batch. Un taux de régénération de 30% des billes ferrihydrite/alginate macroporeuse (BPENFh-Ba) a été observé en réacteur batch en utilisant une solution de chlorure d’ammonium avec la possibilité de réutiliser l’adsorbant plusieurs fois.Ce travail confirme les performances et la possibilité d’utiliser des matériaux composite d’HDL ou ferrihydrite dans un gel d’alginate pour l’élimination de composés anioniques contenus dans des eaux usées.

Water pollution is currently a major concern from both health and environmental point of view. In order to solve this problem, efficient decontamination processes, economic and sustainable are constantly being developed and adsorption process remains a widely used method in the wastewater treatment. Many studies are devoted to the adsorption of cationic pollutants, but the development of suitable supports able to interact with the anionic contaminants is less discussed. The main objective of this work is to form two anionic adsorbents: the LDH (Layered Double Hydroxide) Mg/Al and two-line ferrihydrite. These adsorbents were associated with an alginate gel in order to produce composite materials that can be implemented in continuous reactors for the removal of anionic contaminants. The adsorption studies in batch reactor on LDH and ferrihydrite confirmed good removal efficiency for some anions. Ferrihydrite showed a higher adsorption capacity than LDH for the removal of inorganic anions. Increasing the Mg/Al ratio was favorable for the methyl orange (MO) adsorption, and an Mg/Al ratio of 3 (L3) was selected for the following work. Two protocols were evaluated for the integration of adsorbent into alginate gel: encapsulation and direct synthesis in the gel structure. The effect of crosslinking cation and the making of macroporosity were studied. The encapsulation of solids decreased slightly the adsorption ability of anions; however, the macroporosity counterbalances this negative effect of alginate gel. The MO adsorption studies with encapsulated beads showed that the increase of the bead size and the amount of solid in the beads were accompanied with a decrease in the adsorption capacity. The replacement of Ca2+ by Ba2+ strengthened the gel structure and improved the adsorption kinetics but decreased the adsorption capacity. The characterization of the support material prepared by direct synthesis in alginate gel showed a different structure from the expected materials (L3 or ferrihydrite), and therefore a different reactivity. The sorption mechanisms of various organic and inorganic anions were proposed for the studied adsorbents. The ferrihydrite/alginate beads prepared by encapsulation showed a good adsorption for all the anions used in this work, especially for inorganic anions (phosphate, chromate and arsenate); while those produced by direct synthesis in alginate gel removed only arsenate and phosphate essentially by a precipitation mechanism of the anions at the surface of the iron oxides and oxy-hydroxides. The sorption of MO in a continuous reactor showed that the increasing of the flow rate had a negative effect on sorption while higher initial concentration presented a favorable effect on the sorption, which is in accordance with results obtained in batch reactor. A desorption ratio of 30% for ferrihydrite/alginate macroporous beads (BPENFh-Ba) was observed in batch reactor with the possibility of reusing the adsorbent.This study confirms the performance and the possibility to use the composite materials of LDH or ferrihydrite in an alginate gel for the removal of anionic compounds contained in wastewater.