Production de materiaux carbonés poreux à base de boue activée issue de station d'épuration : application en épuration d'effluents industriels

par Sébastien Rio

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Pierre Le Cloirec.

Soutenue en 2004

à Nantes .


  • Résumé

    L'étude présentée porte sur la fabrication de matériaux carbonés poreux par valorisation d'un déchet industriel, les boues de station d'épuration. Les applications envisagées pour l'adsorbant produit s'inscrivent dans le domaine de l'épuration des effluents industriels. Dans un premier temps, les boues biologiques utilisées, issues de la station d'épuration de Nantes-Tougas, sont caractérisées exhaustivement. Représentatives des boues de stations d'épuration française, elles présentent une faible surface spécifique (~ 3 m2 g-1) et sont macroporeuses à plus de 97 %. De surface basique, elles possèdent une teneur en carbone élevée (40 % mass. ) qui en font un précurseur intéressant pour la fabrication de matériau carboné poreux. Dans un second temps, deux voies d'activation sont étudiées en parallèle et optimisées par la méthodologie des plans d'expériences : 1- une voie d'activation " chimique ", par imprégnation dans H2SO4 3 M pendant 6 h, suivie d'une activation à l'azote pendant 2 h à 700 ʿC ; 2- une voie d'activation " physique " consistant en une carbonisation sous N2 à 600ʿC pendant 1 h, suivie d'une oxydation par le dioxyde de carbone (900ʿC, 0,5 h, 2,5 L. Min-1) ou la vapeur d'eau (800ʿC, 1,5 h, 2,5 L. Min-1). Dans les deux cas, les procédés d'activation permettent de développer la porosité des adsorbants pour atteindre des surfaces spécifiques comprises entre 270 et 350 m2 g-1, soit 500 à 700 m2 g-1 de carbone en tenant compte du taux de cendres élevé des matériaux produits (50 % mass. ). Leur distribution poreuse est constituée à la fois de micro et de mésopores, à hauteur de 45 et 55 % vol. Respectivement. Enfin, les propriétés de traitement des matériaux produits sont déterminées par rapport à différents polluants représentatifs de pollutions industrielles et comparées à celles de charbons actifs (CA) commerciaux. Leurs propriétés d'adsorption par rapport aux micropolluants organiques sont proportionnelles à la microporosité développée, comprises entre 90 et 150 mg. G-1 pour des COV en phase gaz et le phénol en phase aqueuse. De plus, la mésoporosité de ces matériaux leur confère d'intéressantes propriétés d'élimination de macromolécules telles que les colorants (Qe = 175 - 200 mg. G1). Enfin, les fonctions de surface et les ions Ca2+ contenus dans le matériau précurseur permettent d'obtenir des capacités d'adsorption des ions métalliques de l'ordre de 140 mg g-1, équivalentes à celles obtenues sur des CA commerciaux.


  • Résumé

    This study is devoted to the adsorption processes involving new materials : carbonaceous porous sorbents from sewage sludge. Firstly, physico-chemical characterization of biological sludge and limed sludge collected at municipal wastewater treatment plant of Nantes-Tougas is carried out. Sludges develop very low specific surface area (~ 3 m2 g-1) and their structure is macroporous (97 % vol. ). Their surface is basic in nature. And, their high carbon content (40 % mass. ) confirm that sewage sludge constitute an adapted precursor for carbonaceous porous sorbent preparation. Then, two activation methods are studied and optimized using experimental design methodology: 1- a " chemical " activation process, by impregnation in 3 M H2SO4 aqueous solution during 6 h, followed by an activation under nitrogen atmosphere for 2 h at 700 ʿC ; 2- a " physical " activation process consisting in a carbonization step under nitrogen atmosphere at 600 ʿC for 1 h, followed by an oxidation using carbon dioxide (900ʿC, 0,5 h, 2,5 L min-1) or steam (800ʿC, 1,5 h, 2,5 L. Min-1). These activation process allow specific surface area of carbonaceous sorbents to be developed between 270 et 350 m2 g-1, corresponding to 500 to 700 m2 g-1 of carbon taking into account high ash content of resulting materials. Their porous structure is composed of both micro- and mesopores. Finally, The adsorptive properties of the sorbents made from sludge are estimated with regard of various pollutants representative of industrial pollution and compared with commercial activated carbon one. The adsorption capacities of organic micropollutants are proportional to their microporosity, between 90 and 150 mg. G-1 for VOC in gas phase and phenol in aqueous solution. Then, The important mesoporosity of the materials leads to interesting properties for macromolecules removal, like dyes (Qe = 175 - 200 mg. G1). Their surface functional groups and Ca2+ ions within the materials allow high metallic ions adsorption capacities of 140 mg g-1 to be obtained which are equivalent to those obtained with commercial activated carbon.

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  • Détails : 229 p.
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  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitre

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