Matériaux nanocomposites poreux élaborés à partir de balle de riz de Camargue utilisés comme sorbants

Porous nanocomposite materials elaborated from Camargue's rice husk used as sorbent

• Auteur / Autrice : Baptiste Russo
• Direction : Diane Rebiscoul, André Ayral
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Séparative, Matériaux et Procédés
• Date : Soutenance le 27/10/2020
• Etablissement(s) : Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Séparative de Marcoule
• Jury : Président / Présidente : Thomas Zemb
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Diane Rebiscoul, André Ayral, Thomas Zemb, Pilar Aranda, Vanessa Fierro, Cédric Boissière, Christel Causserand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pilar Aranda, Vanessa Fierro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polluants organiques

Métaux lourds

Eau -- Stations de traitement

Riz -- Balle, Cendres de

Mots clés libres

Cendre de balle de riz

Traitement de l'eau

Matériau sorbant

Métaux lourds

Polluants organiques

Rice husk ash

Wastewater treatment

Sorbant material

Heavy metal

Organics pollutants

Résumé

Le riz est la deuxième céréale la plus produite au monde et est notamment cultivé en Camargue. La balle de riz, qui constitue la coquille protectrice qui entoure le grain de riz durant sa croissance, est composée en partie de silice et de biopolymères organiques et représente environ 20 % de la masse de la céréale juste après récolte. Lorsque cette balle de riz est traitée thermiquement, la cendre présente des propriétés intéressantes pour le traitement de l’eau.Durant ces travaux de thèse, huit matériaux différents ont été élaborés par traitements chimiques et/ou thermiques sous air ou sous argon à partir de balle de riz de Camargue. La caractérisation poussée de ces cendres a permis de mettre en évidence qu’un prétraitement chimique permet de retirer les impuretés de la balle. Lorsque ces impuretés sont retirées, les matériaux obtenus présentent une surface spécifique de quelques centaines de m² après traitement thermique et sont soit composés de silice dense et sous forme de nanobilles, soit d’un mélange silice/carbone selon le gaz utilisé. Lorsque les impuretés sont conservées, la silice a tendance à fritter ce qui entraine une perte de surface spécifique et cette silice ne possède pas la même structure que la silice obtenue à partir de la balle prétraitée chimiquement. Ces résultats ont aussi montré qu’en pyrolysant la balle de riz au lieu de la calciner, une partie importante du carbone organique est convertie en carbone turbostratique,Il s’est avéré que les matériaux les plus efficaces pour la rétention de métaux sont ceux préparés sans prétraitement chimique et donc ceux incluant encore les impuretés initiales. Les capacités de sorption de ces matériaux pour les métaux sont de 0,15 mmol.g-1 pour la cendre silicique et de 0,33 mmol.g-1 pour la cendre composite à 24 h de temps de contact. Le processus de sorption supposé est une « diffusion porale réactive » durant laquelle une phase de silicates obstruant certains pores est solubilisée puis les espèces dissoutes reprécipitent localement en intégrant les métaux à extraire, permettant ainsi la réalisation d’un échange ionique entre les cations métalliques de la solution et les alcalins et alcalino-terreux du solide. La capacité observée pour le phénol est quant à elle de 0,16 mmol.g-1 pour la cendre composite. Ces travaux ont ainsi permis de mettre en évidence que la cendre de balle de riz, peut être utilisée comme matériau sorbant dans le domaine du traitement de l’eau, et ce pour la sorption de cations métalliques et/ou de composés organiques.

Rice is the second most produced cereal worldwide and is also produced in Camargue. The rice husk, which is the protective part surrounding the rice grain during its growing, is composed of silica and organic biopolymers and represents 20 % of the total mass of the cereal immediately after the harvest. When this rice husk is thermally treated, the resulting ashes show promising properties in wastewater treatment.During this thesis, eight different materials have been elaborated with chemical and/or thermal treatments under air or argon atmosphere. The characterization of these materials has shown that an acidic pretreatment of rice husk removed its impurities. When those impurities are removed, resulting materials show a large specific surface area (several hundred of m².g-1) after thermal treatment and either consist of dense silica and silica nanoparticles or a silica/carbon mix depending to the used gas. When impurities are kept, the silica sinters which leads to a decrease of the specific surface area. In that case, the silica presents a different structure from the one obtained from the chemically pretreated rice husk. The results also show that the thermal treatment under argon allow the formation of turbostratic carbon.It has been found that the most efficient materials for the metals extraction are those who are prepared without chemical pre-treatment. Sorption capacities of metals for these materials are 0.15 mmol.g-1 for the siliceous ash and 0.33 mmol.g-1 for the composite material after 24 h of contact time. To explain these results, a “reactive poral diffusion” process is proposed. Such process occurs as follow: a silicate phase sealing some pores is dissolved, the dissolved species precipitate integrating the metals and lead to an ionic exchange. This exchange occurs between the metal cations from the solution and the alkali and alkaline earth elements from the solid. The capacity for phenol was 0.16 mmol.g-1 with the composite ash. These experiments show that rice husk ash can be used as sorbants materials for wastewater treatment, in both cases for metallic or/and organic pollution.