Coagulation-floculation des eaux issues des mines de fer : comparaison entre les coagulants minéraux et un coagulant organique issu de la moringa oléifera

par Claudia Dumans Guedes

Thèse de doctorat en Géosciences de l'environnement

Sous la direction de Jean-Yves Bottero et de Jorge Carvalho de Lena.

Soutenue en 2004

à Aix-Marseille 3 .


  • Résumé

    Dans la région nomée Quadrilátero Ferrífero, à l’ état de Minas Gerais, Brazil, sont localisées quelques des plus importants dépôts minéraux de fer du monde. Dans cette même région on trouve le Bassin Hydrographique du Rio Doce et le sub-Bassin du Rio Piracicaba (Rivière Piracicaba), an affluent du Rio Doce. La région entourant le haut et le moyen cours du rivière présente plusieurs entreprises d’ exploitation du fer. Les activités minéraux sont fréquemment résponsables pour l’ augmentation des taux de lixiviation chimique et érosion des sols. Au début on a étudié les tenneurs des minéraux de fer dans des sédiments déposés sur le lit la rivière Piracicaba pour chercher l’ éxistence d’une corrélation entre l’ ensablemment de la rivière et les activités mineures dans la région. Les échantillons prèlévées dans des sites à la voisinage des sources du Piracicaba ont présentées les tenneurs des minéraux de fer hématite et magnétite les plus importants. Les valeurs élevés des concentrations des oxydes de fer sont originés, probablément, du transport des sédiments des terrains des mines par des pétits affluents de la rivière. Les concentrations d’ hématite sur ces sites sont quatre fois plus importantes que les valeurs moyennes observées au long de la plage du Piracicaba recherchée. Donc, l’ étude des conditions pour accélérer la sédimentation des eaux superficielles troubles des mines de fer, avant qu’elles ne se déversent dans la fleuve Piracicaba, sont prioritaires pour ceux concernés avec l’ équilibre hydrologique et environnemental de la région. Au courant de ce travail on a étudié la coagulation/flocculation des suspensions riches en particules des oxydes de fer en utilisant deux agents coagulants: le sulfate d’aluminium (alumen) et un biopolymère naturel appellée Moringa oleífera. Les suspensions naturels sont composées essentiellement des minéraux goethite, hematite, kaolinite et quartz, qui présentent une charge superficielle nette positive sous les pH’s de ce travail. Le sulfate d’aluminium a présenté une bonne performance coagulante vers les suspensions riches en oxydes de fer. Le mécanisme de coagulation/floculation responsable pour la réduction de la turbidité des suspensions traitées a été investigué. Une première étape d’adsorption spécifique des produits de l’ hydrolyse des sels d’ aluminium sur la surface des oxydes, suivie par un processus d’hétérocoagulation entre les agrégats positivemente chargés et des particules chargées negativement présentes dans la suspension, a été proposé. Pourtant, depuis les années 1970, la toxicité de l’aluminium est considerée menaçante pour la santé publique. En ce qui concerne l’ être humain le métal est suspecté d’intervenir dans des maladies telles que le cancer et les maladies d’Alzheimer et Parkinson. Moringa oleífera est un coagulant naturel extrait des graines d’une arbre très bien adaptée au climat du Nord Brésilien dont les fruits sont largement employés dans l’Afrique pour clarifier des eaux troubles sans présenter des risques environnementales. Des travaux en utilisant la Moringa comme coagulant pour les eaux riches en oxydes de fer n’ont pas encore étés publiés. La performance de cet agent coagulant vers les suspensions naturelles provénantes des mines de fer est comparable à celle du sulfate d’aluminium. Le mécanisme de coagulation/floculation des graines a été étudié par bilan de matière et des analyses du précipité par isotermes d’adsorption, spectroscopie IR, diffraction des Rayons-X, spéctroscopie Mössbauer, analyse thérmique, des mésures de potentiel Zéta et par granulométrie laser pour suivre la taille des agrégats formés. La fraction coagulante active des graines de la Moringa oleífera est constituée par des proteínes cathioniques qui adsorbent sur les particules d’ oxydes. Le mécanisme de réaction proposé comprend deux étapes : à la première, il y a un encombrément de l’oxyde par une monocouche de polymère, à la seconde étape, probablement, on a la formation des multicouches. La couche plus externe expose les sites cathioniques vers la solution, ce qui provoque la redispersion des particules pour des concentrations plus importants du coagulant.

  • Titre traduit

    Coagulation-floculation of superficial waters from iron ore mining areas


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    The Quadrilátero Ferrífero area, Minas Gerais, Brazil, contains some of the largest global iron mineral deposits. There it is located Rio Doce Hydrographic Basin and the sub-Basin of Rio Piracicaba (Piracicaba River), a tributary of Rio Doce. The area around the high and medium course of Piracicaba River concentrates an important number of mining companies. Iron ore mining activities are considered one of the main agents responsible for raising chemical and mechanical soil leaching rates. In this work, the iron oxide content of the bottom sediment of the river was investigated in order to try to correlate the sediment accumulation and the mining activities of the region. The samples collected closest to the springs of Piracicaba river showed the higher contents of iron minerals, probably carried by the tributaries which drain the mining areas. At these stations, hematite concentration values are about four times higher than the average value for the river. Considering this, studying coagulation of iron oxide rich superficial waters from mining areas is imperative to those concerned with the environmental and hydrological equilibria of the river. We tried to do this by using two different coagulants, the traditional aluminum sulphate (alumen) and a natural biopolymer named Moringa oleífera. The superficial waters consist essentially of a suspension of goethite, hematite, kaolinite and quartz, which shows a positive net superficial charge under environmental pH conditions. Alumen showed a good performance in the destabilization of those iron oxide rich particle suspensions. Its coagulation/flocculation mechanism was investigated. Specific adsorption of hydrolysis products of aluminum salts on iron oxide particles followed by an heterocoagulation process involving differently charged substrates have been proposed to explain the turbidity reduction of the suspensions. However, since the seventies, aluminum is under suspicion of being responsible for neurovegetative diseases as Alzheimer, Parkinson’s disturb and cancer. Moringa oleífera is a natural coagulant from a tree, well adapted to North and Northeastern Brazilian climate, whose seeds are largely employed in poor countries of Africa as an efficient coagulant for turbid waters. No test with Moringa in oxide rich waters has been reported so far. Its coagulation efficiency with iron oxide suspensions was similar to that of alumen. The mechanism of coagulation/flocculation of the aqueous extract of the seeds has been investigated through adsorption isotherms, infrared spectroscopy, X-Rays diffraction, Mössbauer spectroscopy, thermal gravimetric analysis, Zeta potential measurements and laser granulometric analysis. The active coagulant fraction of Moringa oleífera seeds are cationic proteins that adsorb on the oxide surface probably by a two step mechanism: establishment of a polypeptide monolayer followed by formation of multilayers that redisperse the destabilized particles.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (159-[40] p.)
  • Notes : Publication non autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 143-154

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  • Bibliothèque : Université d'Aix-Marseille (Marseille. Saint-Jérôme). Service commun de la documentation. Bibliothèque de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T 3325
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