Développement de matériaux hybrides chitosan-montmorillonite pour la coagulation-floculation des eaux naturelles : de l'étude de la relation structure-réactivité en eaux modèles à l'application au traitement d'eaux de rivière

Design of hybrid chitosan-montmorillonite materials for the coagulation-flocculation step in drinking water production : study of the structure-reactivity relationship in synthetic waters and application to natural waters treatment

• Auteur / Autrice : Julie Salvé
• Direction : Nathalie Karpel vel Leitner, Maud Leloup, Brian Grégoire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organique, minérale, industrielle
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie, écologie, géosciences et agrosciences Théodore Monod (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers (2012-....) - Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers / IC2MP
• Partenaire(s) de recherche : faculte : École nationale supérieure d'ingénieurs (Poitiers ; 1984-....)
• Jury : Président / Présidente : Khalil Hanna
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Karpel vel Leitner, Maud Leloup, Brian Grégoire, Stéphane Mounier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Khalil Hanna, Claudine Filiâtre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chitosane

Matière organique dissoute

Eau potable

Biopolymères

Argile

Mots clés libres

Chitosan

Argile

Structure

Stabilité

Réactivité

Coagulation-Floculation

Eaux naturelles

Matières organiques dissoutes

Chitosan

Clay

Structure

Stability

Reactivity

Coagulation flocculation

Natural freshwaters

Dissolved organic matter

Résumé

Le procédé de coagulation-floculation est une étape cruciale dans les filières de production d’eau potable. Les sels métalliques sont utilisés comme réactifs pour éliminer les particules en suspension, les colloïdes et la Matière Organique Dissoute (MOD) contenus dans les eaux de surface. Cependant, ils génèrent d’importantes quantités de boues difficilement valorisables. Bien que leurs propriétés floculantes soient reconnues depuis longtemps, les polymères bio-sourcés, comme le chitosan (CS), ne peuvent pas être considérés comme des alternatives viables en replacement de ces sels métalliques. Du fait de leur faible réactivité vis-à-vis des MOD et de l'apport en carbone organique dissous dans les eaux traitées provenant des polymères non réactifs, ils peuvent entrainer des dysfonctionnements dans les procédés situés en aval (colmatage des filtres, formation de sous-produits de désinfection). Dans ce manuscrit, l’association du chitosan avec des particules d’argile (Montmorillonite-MMT) a été étudiée afin de combiner les propriétés floculantes du biopolymère avec les capacités de sorption de l’argile pour former des flocs lestés et ainsi minimiser le relargage de CS dans les eaux traitées. Lors de l’optimisation de la préparation des hybrides CS-MMT dans l’objectif d’éliminer un composé modèle une relation structure-réactivité des hybrides a été démontrée. Le procédé de séchage, lors de la préparation des matériaux, s’est avéré être un paramètre-clé dans la stabilisation des hybrides sensibles à la minéralisation des eaux modèles et naturelles. L’application des hybrides optimisés pour le traitement de deux eaux de rivières (Vienne, Clain) a mis en évidence des différences de réactivité et de sélectivité entre les divers hybrides, FeCl3, CS et MMT. Les hybrides séchés ont ainsi présenté une meilleure élimination des composés de faibles poids moléculaires et peu hydrophobes tandis que les sels métalliques sont plus performants vis-à-vis des composés aromatiques, hydrophobes et de poids moléculaires élevés. Ces hybrides relarguant peu de chitosan résiduel dans les eaux traitées, leur performance peut être améliorée par une augmentation des doses de traitement.

Coagulation-flocculation is a crucial step during drinking water production. Metallic salts are used for the removal of suspended particles, colloids and Dissolved Organic Matter (DOM). However, these reactants produce large quantities of non-recoverable sludge. Bio-sourced polymers, such as chitosan (CS), are well-known for their flocculent properties. Yet, they are not presently considered as a viable alternative because of their low reactivity towards DOM, the accumulation of unreactive dissolved polymer that tends to increase the organic content of treated waters and the risk to create dysfunctions in downstream processes (membrane fouling, formation of disinfection by-products).This work aims at investigating the feasibility of combining the flocculent properties of CS with the sorption capacities of clay particles (Montmorillonite-MMT) to form ballasted flocs and to prevent chitosan from being released in solution. The preparation of CS-MMT hybrids was optimized and a structure-reactivity relationship was established. The drying step in the hybrids preparation played a key-role by preventing hybrids destabilization that occurred when competitive cations were present in the water matrix. The optimized hybrids were selected and tested on river waters (Vienne, Clain) to determine their reactivity and selectivity. The results were compared with FeCl3, CS and MMT performances. Dried hybrids were thus more efficient for the removal of low molecular weight and weakly hydrophobic compounds. Metallic salts exhibited higher performances for the removal of hydrophobic and aromatic compounds with higher molecular weights. Because dried hybrids release a low concentration of chitosan in treated waters, their performance can potentially be improved by increasing the treatment doses.