Étude des matériaux constituants les barrières perméables réactives pour le traitement de l'arsenic : conception, expérimentation, modélisation

Treatment of arsenic using retention materials in permeable reactive barriers: conception, experimentation, modelling

• Auteur / Autrice : Marie Zaiter-Al Houayek
• Direction : Daniel Gouvenot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement des eaux souterraines
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Adsorption

Eau -- Épuration -- Élimination de l'arsenic

Eaux souterraines -- Épuration

Mots clés libres

Barrière perméable réactive

Alumine activée

Résumé

La toxicité importante de l'arsenic dissous, ainsi que l'abaissement de sa valeur limite dans l'eau de consommation de 50 à 10 µg/l suite aux recommandations de l'OMS, ont incité la recherche et le développement de systèmes nouveaux pour sa rétention. Une méthode possible de réhabilitation de sites pollués est l'utilisation du procédé de Barrière Perméable Réactive (BPR), constituée de matériaux poreux spécifiques, adaptés à la rétention des espèces anioniques. Parmi les produits rétenteurs d'ions, nous avons retenu, au terme de recherches bibliographiques et d'essais préliminaires, une alumine activée commerciale pour sa stabilité chimique et mécanique, ses propriétés hydrauliques, sa surface spécifique, et sa grande capacité d'adsorption dans une large gamme de pH. La conception et la prédiction du comportement de ces BPR sur site nécessitent une description précise de l'adsorption et du transport de l'arsenic lors de la percolation des eaux à travers des colonnes chargées en alumine. Dans ce but, une étude expérimentale statique a été effectuée en premier temps. Les résultats ont été calés sur deux types d'isothermes d'adsorption : Freundlich et Langmuir. Ceci a permis de déterminer et de comprendre les mécanismes de rétentions qui ont lieu entre l'arsenic et cette alumine. L'effet des principaux ions compétiteurs et du pH ont été mis en évidence et les capacités maximales d'adsorption du matériau ont été mesurées. Des essais dynamiques de percolation en colonnes, permettant d'obtenir des courbes de saturation, ont validé ces résultats et ont confirmé la présence de phénomènes hors équilibre. Lors de ces essais l'effet du temps de contact et de la granulométrie du matériau ont été étudiés. Nous avons pu mettre en évidence le rôle que joue la diffusion intra-granulaire sur les capacités d'adsorption et les durées de vie des colonnes. Une cinétique de rétention de second ordre a été observée aussi bien sur les résultats statiques qu'en percolation. Compte tenu des résultats observés en laboratoire, nous avons proposé de représenter le transport réactif de l'arsenic dans les colonnes par un modèle à effet retard. Une approximation linéaire de l'isotherme de Langmuir est utilisée. Les effets du coefficient de retardement et de la dispersivité ont été étudiés.

The important toxicity of dissolved arsenic, and the latest WHO recommendations reducing its maximum concentration in drinking water from 50 µg/l to 10 µg/l, justify research and development of new retention systems. One possible method of rehabilitation of contaminated sites is the use of Permeable Reactive Barriers (PRB) containing specific porous materials adapted to the retention of anionic species. Among several retention materials, due to bibliography and preliminary tests, we have selected a commercial activated alumina. Laboratory tests permitted to specify its chemical and mechanical stability, its hydraulic properties, its specific surface and its large retention capacity in a wide range of pH. Conception and prediction of the in-situ behaviour of the PRB necessitate a precise description of adsorption and transport of arsenic in laboratory columns filled with activated alumina. Thus, static experimental batch tests were first conducted. Results have been “tested” on two different models of adsorption isotherms, Freundlich and Langmuir. This allowed us to determine and understand adsorption mechanisms that occur between arsenic and alumina, as well as the effects of principal competing ions and pH on arsenic retention and maximal adsorption capacities of the material. These results were validated by the analysis of the breakthrough curves of arsenic obtained in percolation tests (dynamic experiences). The presence of non equilibrated phenomena, which increased the retention capacities of the filter, was evidenced. Effects of contact time and grain sizes on adsorption were studied, as well as the importance of intragranular diffusion on adsorption capacities and lifetime of the columns. A second order kinetic retention was evidenced, on batch as well as on percolations results. Using all laboratory results, a representative retarded reactive transport model of arsenic was proposed, in order to simulate the behaviour of experimental columns. A linear approximation of Langmuir isotherm was used. Effects of mass coefficient and dispersivity on the shape of the breakthrough curves were studied.