Traitement d'effluents aqueux pollués par des ions nitrate ou phosphate ou des hydrocarbures de type BTEX : utilisation d'une zéolithe naturelle modifiée (SMZ) ou de zéolithes synthétiques

par Joachim Schick

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Jean-Louis Paillaud.

Soutenue le 09-12-2010

à Mulhouse , dans le cadre de École doctorale pluridisciplinaire Jean-Henri Lambert, ED 494 (Mulhouse) .

mots clés

• Traitement d'effluents aqueux
• Ions nitrate et phosphate
• Toluène
• Adsorption sur matériaux zéolithiques
• Eaux usées -- Épuration -- Dénitrification
• Eaux usées -- Épuration -- Déphosphatation

Résumé

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la protection de l'environnement et s'intéresse spécifiquement à la dépollution d'effluents aqueux en vue de piéger d'une part les anions nitrate et/ou phosphate, responsables du phénomène d'eutrophisation, mais également le toluène, hydrocarbure couramment rencontré dans les effluents aqueux urbains et industriels ou les eaux naturelles. Le piégeage de ces polluants a été effectué sur des matériaux zéolithiques. Une grande partie des expérimentations utilise un matériau potentiellement efficace pour le piégeage des trois polluants cités plus haut, à savoir la SMZ ("Surfactant-Modified Zeolite"), classiquement préparée à partir d'une zéolithe naturelle, la clinoptilolite, et d'un tensioactif, le bromure d'hexadecyltriméthylammonium (HDTMA+). En piégeage d'ions nitrate, d'autres SMZ, réalisées à partir de zéolithes synthétiques (LTA, FAU) et diverses espèces organiques tensioactives ou non se montrent moins performantes que la SMZ classique, à l'exception d'un nouveau matériau préparé à partir de nanofeuillets de zéolithe MFI et modifié avec l'ion HDTMA+ (SMZN). Pour le piégeage des ions phosphate, les performances de la SMZ classique ont été comparées à celles de plusieurs zéolithes calciques. Enfin, le piégeage de toluène a été expérimenté sur quatre matériaux, la SMZ classique, un charbon actif et deux zéolithes hydrophobes, la silicalite-1 et la zéolithe bêta. Les expérimentations de piégeage ont été réalisées en système fermé ou en système ouvert. L'influence de la concentration initiale en polluants, du rapport liquide/solide, du débit de filtration, de la présence de compétiteurs et du temps de contact a été examinée.

mots clés

• Treatment of aqueous effluents
• Nitrate and phosphate ions
• Toluene
• Zeolitic materials adsorption
• Surfactant-modified zeolites

Titre traduit

Treatment of aqueous effuents polluted with nitrate or phosphate ions or hydrocarbons such as BTEX : use of a modified natural zeolite (SMZ) or synthetic zeolites

Résumé

This work concerns the environmental protection, specifically the treatment of aqueous effluents. Effluents containing nitrate and/or phosphate anions, responsible for the eutrophication phenomenon, and also toluene, which is commonly found in urban and industrial flows and natural waters, were specifically studied. The removal of these pollutants was performed on zeolitic materials. A large part of the experiments use a material potentially efficient to remove the three pollutants mentioned above, namely the SMZ ("Surfactant-Modified Zeolite"), conventionally prepared from a natural zeolite, clinoptilolite, and a surfactant, hexadecyltrimethylammonium bromide (HDTMA+). For nitrate removal, other SMZ, prepared from synthetic zeolites (LTA, FAU) and various organic species (surfactant or not) were less efficient than conventional SMZ except a new material prepared from zeolite MFI nanosheets and modified with HDTMA+ ion. The efficiency of the conventional SMZ for the phosphate ions uptake was compared with those of several calcic zeolites. Finally, removal of toluene was performed on four materials, conventional SMZ, an activated carbon and two hydrophobic zeolites, namely silicalite-1 and beta zeolite. Uptake experiments were conducted in batch-wise and fixed-bed column systems, the second representing a more realistic simulation of dynamic field condition The influence of the initial pollutant concentration, the liquid/solid ratio, the filtration rate, the presence of competitive species and the contact time was examined.