Divalent heavy metals adsorption on various porous materials : removal efficiency and application

par Zeinab Ezzeddine

Thèse de doctorat en Chimie organique, minérale, industrielle

Sous la direction de Yannick Pouilloux et de Zeinab Saad.

Le président du jury était Bernard Legube.

Le jury était composé de Yannick Pouilloux, Zeinab Saad, Hamad Hussein, Isabelle Batonneau-Gener.

Les rapporteurs étaient Bénédicte Lebeau-Talamona, Maguy Jaber.

  • Titre traduit

    Adsorption des métaux lourds bivalents sur différents matériaux poreux : efficacité d'élimination et application


  • Résumé

    L'accès à l'eau potable est indispensable au développement de la vie. La pollution, liée aux activités anthropiques, constitue une menace pour la santé humaine et pour les espèces sauvages. Parmi les nombreux polluants retrouvés dans les eaux, la pollution par les métaux lourds constitue un problème environnemental d'intérêt mondial en raison de leur toxicité élevée, même à des concentrations très faibles, et de leur persistance dans la nature. De nombreuses méthodes peuvent être mises en oeuvre pour l'élimination des métaux lourds dans l'eau. Parmi elles, les procédés d'adsorption sont très attractifs car très efficaces et peu couteux. Les zéolithes sont des matériaux bien connus pour leurs propriétés d'échange. Les matériaux mésoporeux modifiés ou adsorbants carbonés sont également très attractifs du fait de leur importante surface spécifique. Dans ce manuscrit, les performances d'adsorption de cations métalliques en phase aqueuse sur des matériaux mésoporeux, silices SBA-15, SBA-16, KIT-6 modifiées par l'EDTA et carbone CMK-3 obtenu par réplication ont été étudiées et comparées avec celles de la zéolithe NaX. Les propriétés physico-chimiques de l'ensemble des matériaux ont été caractérisées par plusieurs techniques d'analyses. L'influence des paramètres expérimentaux (pH, temps de contact, température, concentration des ions métalliques et de la présence d'ions concurrents) sur l'adsorption a été étudiée en mode batch. L'efficacité de ces matériaux a également été étudiée dans un réacteur dynamique à lit fixe. Les résultats obtenus ont montré que tous les matériaux étudiés éliminent efficacement et rapidement les métaux divalents dans les eaux même à faible concentration. Néanmoins, le carbone CMK-3 s'avère être le meilleur adsorbant du fait de sa grande capacité d'adsorption même en présence d'espèces compétitrices.


  • Résumé

    Access to sustainable and clean drinking water is a main concern as the Earth's human population continues its steady growth. Unfortunately, many of the available water resources are becoming increasingly polluted as a result of the direct discharge of industrial effluents. Heavy metals pollution, in particular, is an environmental problem of global interest due to their high toxicity, even at very low concentrations, and persistence in nature. Many methods are available for metal ions removal including adsorption which is attracting a lot of attention recently. Zeolites are well known for having very high exchange capacities. On the other hand, many researchers are studying the removal of heavy metals by modified mesoporous materials or carbonaceous adsorbents. In this thesis, the adsorption efficiencies of several materials for heavy metal removal in aqueous phase were investigated and compared to those of the faujasite NaX zeolite. Mesoporous silica SBA-15, SBA-16, KIT-6 were synthesized and modified with EDTA. Moreover, CMK-3 carbon was nano-casted from SBA-15 then the physic-chemical properties of these materials were characterized by different techniques. The effects of several experimental conditions on adsorption such as pH, contact time, temperature, metal ions concentration and the presence of competitors were studied in batch experiments. Then the efficiency of all these materials was also studied in a dynamic fixed bed reactor. Based on the obtained results, it could be said that all these materials are good candidates for divalent heavy metals removal from waste water even at low concentration. However, CMK-3 material has a high sorption capacity even in presence of competitor species.

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