Étude de l'élimination du chrome VI par adsorption sur l'alumine activée par dialyse ionique croisée

par Ikhlass Marzouk Trifi

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Lasâad Dammak.

Le président du jury était Mohamed Dachraoui.

Le jury était composé de Lasâad Dammak, Jean-francois Fauvarque, Bechir Hamrouni.

Les rapporteurs étaient Trong Nguyen, Kardi Younes.


  • Résumé

    Ces travaux de thèse ont débuté par la présentation des propriétés physico-chimiques du chrome, ses principaux domaines d'application. On a aussi indiqué les problèmes posés et les risques associés à l'emploi des dérivés chromiques qui s'expriment essentiellement au niveau cutané, respiratoire et même immunologique. Ensuite, on a cité les différents procédés d'élimination tels que les procédés membranaires, procédés chimiques, procédés biologiques et procédés physiques en précisant les avantages et inconvénients de chacun de ces procédés. Après, on a présenté le procédé d'adsorption sur alumine activée, en rappelant brièvement les différents adsorbants utilisés ainsi que les modèles thermodynamiques et cinétiques utilisés pour décrire ce phénomène. Enfin, on a rappelé quelques généralités sur les membranes échangeuses d'ions et sur le procédé de dialyse ionique croisée. Dans une seconde étape, on a étudié la validation de la technique analytique selon la norme Française XPT 90-120, ensuite une étude préliminaire de l'influence des différents paramètres selon le plan d'expérimentation factorielle afin de montrer l'influence de chaque paramètre indépendamment et leurs dépendances aussi. Ces facteurs sont les suivants : pH, quantité de l'adsorbant, concentration du métal initial et de la température. Cette étude a porté sur l'effet du pH mais aussi l'effet de la masse de l'alumine activée et l'effet de la concentration initiale du chrome afin d'optimiser ces paramètres, les résultats expérimentaux ont montré que l'adsorption du chrome dépend essentiellement du pH et de la concentration du chrome initiale. Dans les conditions optimales, les taux d'élimination du chrome VI peuvent attendre 98 % pour une concentration initiale de 10 mg/L en chrome. Les résultats expérimentaux ont été appliqués aux modèles de Freundlich, Langmuir, Dubinin-Redushkevich et Temkin. Des études cinétique et thermodynamiques suivront pour déterminer l'ordre de la réaction d'adsorption des métaux lourds et nature exothermique du mécanisme. La troisième partie a porté sur la Dialyse Ionique Croisée, dans un premier temps on a développé une étude préliminaire de l'influence des différents paramètres selon le plan d'expérimentation effectué afin d'identifier et d'évaluer l'influence de chaque paramètre sur les taux d'élimination de l'ion métallique. Ces facteurs sont la concentration initiale de l'ion métallique, la concentration initiale de l'ion de substitution, le type de la membrane et l'agitation magnétique. Cette démarche est nécessaire afin de fixer les paramètres optimaux et évaluer leurs interactions mutuelles. Cette étude a permis de montrer que le type de membrane échangeuse d'anions est le plus important paramètre influant sur l'élimination du chrome et ceci peut s'expliquer par les valeurs élevées de la capacité d'échange et de la teneur en eau de la membrane AFN. La modélisation du transfert des ions HCrO4- en dialyse ionique croisée a montré la présence de deux phases : la couche limite de diffusion du côté de l'alimentation (solution à traiter contant les ions HCrO4-) et la membrane. En deuxième étape, nous avons effectué une étude du vieillissement des membranes, qui consiste à faire un suivie de l'épaisseur membranaire, de la conductivité membranaire et de leur morphologie par MEB. Nous avons montré que les membranes AMV et AFN se dégradent peu à priori de la même manière. Finalement, nous avons effectué un nouveau montage qui couple les deux procédés et ceci dans le but d'améliorer le taux d'élimination. Ce couplage a permis d'augmenter l'efficacité et la cinétique d'échange de la dialyse, en plus une réduction considérable de la quantité d'alumine activée à régénérer et l'amélioration de la cinétique de transfert transmembranaire

  • Titre traduit

    Removal of chromium VI from aqueous solutions by adsoprtion onto activated alumina and donnan dialysis


  • Résumé

    The removal of chromium (VI) from aqueous solutions by activated alumina has been investigated as a function of solution pH, initial chromium concentration, adsorbent dose of activated alumina and temperature. The pH and the adsorbent dose of activated alumina are the most significant parameters affecting chromium (VI) adsorption. The chromium concentrations were analyzed by reaction with 1,5-diphenylcarbazide. This method has been validated according to the French standard XPT-90-210. In order to optimize the effect of the main parameters and their mutual interaction for the adsorption process, a full factor design of the type nk has been used. In this study the removal of chromium (VI) by adsorption on activated alumina was investigated and results were fitted to Langmuir, Freundlich, Dubinin-Redushkevich and Temkin adsorption models, at different temperatures. The constants of each model were evaluated depending on temperature. Thermodynamic parameters for the adsorption system were determined at 10, 25 and 40°C. The obtained values showed that Cr (VI) adsorption is a spontaneous and exothermic process. The kinetic process was evaluated by first–order, second–order and Elovich kinetic models. In second section, the removal of chromium (VI) from aqueous solutions by Donnan dialysis has been investigated. The tows AEMs: Selemion AMV and Neosepta AFN. The amount of chromium removed was determined on the basis of the following parameters: initial chromium concentration, type of anion exchange membranes, co-ion concentration and magnetic stirring. A 24 full factorial design analysis was performed to screen the parameters affecting Cr (VI) removal efficiency were examined. Using the experimental results, a linear mathematical model representing the influence of the different parameters and their interactions was obtained. Analysis of variance (ANOVA), F-test and student's t- test showed that the type of anion exchange membrane is the most significant parameter affecting chromium (VI) removal. The statistical analysis of experimental data assumes that the data come from normal distribution. Then, a modelisation of chromium removal by Donnan dialysis through anion exchange membrane, these results are compared with the theoretical predictions given by the resolution of the corrected Nernst–Planck's equation in the cases of the homogeneous models of ion-exchange membranes. This confrontation confirms the existence of three domains corresponding respectively to a complete diffusion boundary layers (DBLs) control, a mixed control and a complete membrane control of the inter-diffusion process. And finally, the Donnan dialysis and adsorption onto activated alumina has been coupled. The coupling DIC-AAA was successfully achieved with 90% of chromium removed


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