Biosorption de l'arsenic et du césium par des écorces forestières activées : Etude de l'optimisation des propriétés de biosorption par modification chimique

Arsenic and cesium biosorption by activated forest bark : Study of biosorption properties optimisation by chemical modification

• Auteur / Autrice : Nicolas Genevois
• Direction : Vincent Gloaguen, Vincent Chaleix, Nicolas Villandier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'environnement
• Date : Soutenance le 24/05/2016
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'environnement Gay Lussac (La Rochelle ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie des Substances Naturelles
• Jury : Président / Présidente : Daniel Montplaisir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Gloaguen, Vincent Chaleix, Nicolas Villandier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Grelier, Nicolas Joly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Césium

Arsenic

Adsorption

Transformation

Écorces

Pollution de l'eau -- Lutte contre

Mots clés libres

Biosorption

Césium

Arsenic

Écorces de sapin de Douglas

Modifications chimiques

Biosorption

Cesium

Arsenic

Douglas fir bark

Chemical modifications

Résumé

Ce travail s’inscrit dans la continuité des études menées au Laboratoire de Chimie des Substances Naturelles sur la bioremédiation des éléments-traces, et vise à utiliser les écorces de sapin de Douglas pour éliminer l’arsenic et le césium des eaux. Des tests effectués en bain agité ont permis d’établir des isothermes d’adsorption. Leur traduction par le modèle mathématique de Langmuir a démontré que les écorces brutes possèdent de bonnes propriétés intrinsèques pour la biosorption des éléments étudiés. Afin d’augmenter ces propriétés pour le césium, l’écorce a été oxydée pour faire apparaître des fonctions acide carboxylique et/ou imprégnée par l’hexacyanoferrate de nickel. Pour améliorer la biosorption de l’As(V), des fonctions ammonium ont été intégrées à la structure de l’écorce grâce au greffage de la bétaïne et de polyéthylèneimine méthylée. En parallèle, des fonctions thiol ont été introduites via la fixation del’acide lipoïque et de la N-acétylhomocystéine thiolactone, pour accroître l’adsorption de l’As(III). Les modifications entreprises pour la biosorption du césium et de l’As(III) permettent de conserver l’affinité des écorces pour ces éléments tout en augmentant significativement leur capacité d’adsorption. Enfin, les propriétés de biosorption du césium par Biosorb, un biosorbant à base d’écorce développé et commercialisé par la société Pe@rl, ont été confirmées, y compris en colonne à lit fixe. Les données recueillies lors de ces expériences sont cohérentes avec celles issues du logiciel de simulation OPTIPUR, ce qui permet d’envisager l’industrialisation du procédé.

This work follows several studies conducted in the “Laboratoire de Chimie des Substances Naturelles” about bioremediation of trace elements, and aims to use Douglas fir bark to remove arsenic and cesium from water. Tests carried out in batch allowed the establishment of adsorption isotherms. Their interpretation following Langmuir adsorption model showed that crude Douglas fir bark has good intrinsic properties for biosorption of studied elements. In order to improve these properties for cesium sorption, bark was oxidised to form carboxylic acid functional groups and/or impregnated with nickel hexacyanoferrate. So as to increase As(V) biosorption, ammonium functional groups were incorporated in the bark structure by grafting of betaine and methylated polyethyleneimine. In parallel, thiol functional groups were introduced through the fixation of lipoic acid and N-acetylhomocysteine thiolactone, in order to enhance As(III) sorption. Chemical modifications carried out for cesium and As(III) biosorption led to keep the bark affinity for these elements while increasing significantly their adsorption capacity. Finally, the biosorption properties of cesium onto Biosorb, a bark-based biosorbant developed and marketed by Pe@rl society, were confirmed, including in fixed-bed column. Data collected during these experiments are consistent with those from OPTIPUR simulation software, making possible the process industrialisation.