Nanoparticules d’argent vertes pour un traitement éfficace des eaux usées

 

Université d’Abomey-Calavi (UAC)
École polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC)

Département de génie de chimique-procèdes (GC-P)

Option : Génie chimique
Mémoire de fin de formation pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception grade master

Thème:

Synthèse verte de nanoparticules d’argent pour le traitement photo catalytique des effluents industriels

Réalisé et soutenu par
WOTTO Antoine Elian

Sous la direction de :
Directeur
Dr AGBANGNAN DOSSA C. Pascal
Maître de Conférences/CAMES Enseignant-Chercheur à l’EPAC/UAC

Co-Directeur
Dr NONVIHO Guevara Maître-Assistant/CAMES
Enseignant-Chercheur à l’ENSET/UNSTIM

MEMBRES DU JURY

PRESIDENT	M. ATOHOUN Sylvain Guy Yacolé Professeur Titulaire/CAMES Enseignant-Chercheur à la FAST/UAC
SUPERVISEUR	M. AGBANGNAN DOSSA C. Pascal Maitre de Conférences/CAMES Enseignant-Chercheur à l’EPAC/UAC
ENCADRANT	M. NONVIHO Guevara Maitre-Assistant/CAMES Enseignant-Chercheur à l’ENSET/UNSTIM
EXAMINATRICE	Mme BOGNINOU Gbêdossou Sophie Reine Maitre de Conférences/CAMES Enseignant-Chercheur à l’EPAC/UAC

 

Année académique
2021-2022

M. ALITONOU Guy Alain (Professeur Titulaire des Universités/CAMES)

DIRECTEUR ADJOINT
(Chargé des affaires académiques)

M. PRODJINONTO Vincent
(Maître de Conférences des Universités/CAMES)
CHEF DE DEPARTEMENT

M. GBAGUIDI A. N. Magloire
(Maître de Conférences des Universités/CAMES)

Année académique :
2021-2022
Promotion N^o 3

LISTE DES ENSEIGNANTS ÉTANT INTERVENUS DANS NOTRE FORMATION DE 2017-2022

NOMS	PRÉNOMS	MATIERES ENSEIGNÉES
ADANHOUNME	Villevo	Mathématiques initiales Mathématiques renforcées
ADEOTI	Guy	Dessin Assisté par Ordinateur
AGBANGBA	Codjo Emile	Chimiométrie et Plans d’Expériences Biostatistique Appliquée
AGBANGNAN DOSSA	Cokou Pascal	Chimie initiale Thermochimie et équilibre chimique Chimie renforcée Cinétique chimique Génie de la Séparation Cinétique et Réacteurs Génie de la Réaction Chimique Avancée Physico-chimie des Interfaces et Applications Techniques Séparatives des Procédés et Spéciations Gestion des déchets
AGBOMANHENAN	Macaire	Physique initiale Physique renforcée Magnétostatique et régime variable Physique approfondie Circuit électrique Électromagnétisme
AGOSSOU	Gilles	Législation du travail
ALITONOU	Guy	Chimie des Substances Naturelles Méthodes d’extraction des composés volatiles

ANAGO	Guy	Systèmes logiques et applications
ANJORIN	Malahimi	Thermodynamique initiale Transfert thermique
AVLESSI	Félicien	Synthèse Organique
BEAKOU	Horax Buscotin	Opérations Unitaires Continues et Discontinues Bureau d’Etudes Optimisation Modélisation et Simulation des Procédés Contrôle des Procédés Conception des Réacteurs et Intégration des Procédés Procédés Agroalimentaires et Biotechnologiques
BOCO	Jean-Michel	Algorithme Numérique
BOGNINOU	Gbêdossou Sophie Reine	Biochimie pour Ingénieurs Génie Biochimique Techniques Chromatographiques Renforcées Structure et Réactivité des Molécules organiques
BOHOUN	Patrice	Capteurs électriques
BOKO	Juste Lavenir	Management des projets
BOSSOU	Annick	Sciences Naturelles pour Ingénieurs
CHITOU	Naïmoulaï	Initiation aux Sciences Graphiques Dessin Technique Eléments de Flowsheeting + PID
CHOUGOUROU	Chèpo Daniel	UE libre (Chinois)

CODO	Jean de Paul	Statique Graphique et Analytique
DANHA	Damien	Anglais technique approfondi Anglais scientifique avancé
DJOSSOU	Thierry	Electricité générale
EGBOHO	Franck	Mathématique approfondie Analyse numérique
FANNOU	Jean Louis	Physique Expérimentale Automatisme et Régulation
GBAGUIDI	Acakpo Nonvignon Magloire	Chimie organique Chimie instrumentale et des Matériaux Chimie des nanomatériaux Méthodes d’extraction des composés non volatils Notion de Toxicologie et Ecotoxicologie Traitement des eaux
GBAGUIDI	Brice	Initiation aux Logiciels pour Ingénieurs Équations aux Dérivées Partielles
GBAGUIDI	Gérard	Résistances des Matériaux initiales
GUEDJE	K. François	Algorithme Programmation Architecture des Ordinateurs
HONLONKOU	Albert	Analyse Economique et Financière des Projets
HOUANNOU	Agapi	Probabilité et Statistique
HOUESSOU	Wilfried	Géométrie Descriptive
KOUDORO	Yaya	Formulation Chimie Organique Industrielle

MARCOS	Ibouraima	Recherche Opérationnelle
N’TCHAA	Chabi	Outils Statistiques en Milieu Industriel
NOUNANGNON	Charles	Métrologie
OLORY	Bienvenu	Anglais Scientifique Initial Anglais Scientifique Renforcé
SAGBOHAN	Joseph	Méthodologie de recherche
SAIZONOU	Kpèssou Michaël	Chimie minérale Procédés de la chaîne du solide humide Chimie Minérale Industrielle
SANYA	Arthur	Entrepreneuriat et Leadership
SEGUEDEME	Hergie	Anglais Scientifique Spécialisé
SEWANOUDE	Damien	Comptabilité générale Marketing et Communication Création et gestion des entreprises
SOCLO	Henri	Base de la Qualité
SOEDE	Casimir	Initiation à l’anglais technique Anglais technique renforcé Anglais technique approfondi Anglais technique avancé
TCHOBO	Fidèle	Méthodes Physico-chimiques d’Analyses Electrochimie
TOMETIN	Roger	Energies Alternatives
TOUKOUROU	Chakirou	Physique des Matériaux
VODOUNOU	Edmond	Mécanique des Fluides

WANKPO	Tonalémi Epiphane	Hydraulique Générale
YOUSSAO ABDOU KARIM	Alassane	Hygiène et Sécurité Industrielle Analyse d’Isotopes Radioactifs et Méthodes Radiométriques Chimie nucléaire et cycle du combustible Pollution atmosphérique et Traitement des émissions
ZEVOUNOU	Crépin	Géologie Appliquée
ZOUNTANGNY	Laurent	Technique d’Expression et Méthode de Communication initiale Technique d’Expression et Méthode de Communication renforcée

Dédicace

Nous dédions cet ouvrage

A Dieu le Père Tout-Puissant qui nous comble à chaque instant de son amour, ses grâces et ses bénédictions.

A nos parents qui nous ont soutenu et encouragé durant ces années d’études sans ménager leurs efforts.

A tous les membres de notre famille qui sont une source d’espoir et de motivation au quotidien.

Remerciements

Tous nos remerciements à l’endroit de notre superviseur, M. Cokou Pascal AGBANGNAN-DOSSA, Maître de Conférences/CAMES, Chef honoraire du département de Génie Chimique-Procédés, pour sa disponibilité, son accompagnement, ses conseils et ses orientations.

Toute notre gratitude à notre encadrant M. Guevara NONVIHO, Maître Assistant/CAMES, pour ses conseils, ses recommandations et ses apports tout au long de nos travaux.

Nous remercions également :

M. Buscotin Horax BEAKOU, Docteur et Ingénieur en Génie des Procédés, pour son aide et ses orientations.

M. Félicien AVLESSI, Professeur Titulaire/CAMES, Recteur de l’UAC, pour ses valeurs morales et humaines qui nous ont guidé durant nos travaux.

M. Guy Alain ALITONOU, Professeur Titulaire/CAMES, Directeur de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC), pour ses encouragements et ses précieux conseils.

M. Dominique C. K. SOHOUNHLOUE, Professeur Titulaire émérite de l’Université d’Abomey-Calavi (Bénin), Président de la Société Ouest-Africaine de Chimie (SOACHIM), pour sa générosité et ses encouragements.

M. Magloire Nonvignon GBAGUIDI, Maître de Conférences/CAMES, Chef du département de Génie Chimique-Procédés.

M. Arnaud Ulrich SAGBO pour son soutien, sa technicité et ses conseils.

Les Professeurs Titulaires/CAMES : Edwige AHOUSSI et Fidèle Paul TCHOBO.

Les Maîtres de Conférences des Université/CAMES, Gbêdossou Sophie Reine BOGNINOU, Annick BOSSOU, Diane BOTHON, Léonce DOVONON, Mickael SAIZONOU, Philippe SESSOU et Alassane YOUSSAO.

Le Maître-Assistant des Université/CAMES, Yaya KOUDORO.

Le Docteur, Théophile OLAYE.

Les doctorants, Emmanuel BAKROU, Camille DEDJIHO, Saka MOUSSILIOU.

Les ingénieurs, Richard ADJOVI, Charles AHOUANSE, Ornélia DASSI, Nafissatou FACHINAN et Bertrand HOUNSEMON.

Certains de nos promotionnaires, Hector ALONOMBA, Winoc AMADJIKPE, Judith HOUNKANRIN, Dominique KPADONOU, Farhanatou SANNY, François TOKPLO, Sènanmie YAYA NADJO.

Hommages

A son Excellence Monsieur le Président du jury

C’est un honneur que vous nous faites en acceptant de présider ce jury. Veuillez recevoir l’expression de notre profond respect.

Aux Honorables membres du jury

Nous vous savons gré de la considération que vous nous accordez en acceptant d’apprécier ce travail. Vos critiques, remarques et suggestions contribueront à l’amélioration de sa qualité scientifique.

Liste des abréviations

A : Absorbance

C : Concentration

BM : Bleu de méthylène

nAg : Nanoparticules d’argent

pH : Potentiel Hydrogène

POA : Procédés d’Oxydation Avancée

RPM : Rotations Par Minute

UV : Ultraviolet

Liste des tableaux

Tableau 1 : Quelques applications de la photocatalyse14

Tableau 2 : Principales différences entre adsorptions physique et chimique19

Tableau 3 : Principaux adsorbants et leurs applications25

Tableau 4 : Quelques travaux réalisés sur les phénomènes d’adsorption26

Tableau 5 : Récapitulatifs des combinaisons pour la préparation des nanoparticules d’argent35

Tableau 6 : Absorbances pour les différents essais de la synthèse des nanoparticules d’argent44

Tableau 7 : Paramètres des modèles cinétiques d’adsorption du bleu de méthylène sur les nanoparticules d’argent53

Tableau 8 : Taux d’abattement pour différentes conditions de traitement du bleu de méthylène55

Liste des figures

Figure 1 : Principe théorique du mécanisme de dégradation photocatalytique (Observatoire de la qualité de l’air intérieur)6

Figure 2 : Principaux processus apparaissant après activation photonique d’un semi- conducteur7

Figure 3 : Schéma présentant le principe de la photocatalyse hétérogène9

Figure 4 : Approches d’élaboration des nanoparticules10

Figure 5 : Images FE-SEM de CS-xAA et de la cartographie élémentaire HADDF-STEM. Images EDX de l’échantillon coque-noyau TiO2@CS-xAA correspondant préparé à x = (a) 0, (b) 0,5, (c) 1 et (d) 213

Figure 6 : Domaines d’existence d’un soluté durant l’adsorption sur un matériau20

Figure 7 : Isotherme à la vapeur d’eau21

Figure 8 : Classification des isothermes d’adsorption selon l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (UICPA)22

Figure 9 : Classification des isothermes d’adsorption selon Giles et al.22

Figure 10 : Organigramme du LERCA32

Figure 11 : Feuilles de Neems fraîches34

Figure 12 : Feuilles de Neems séchées34

Figure 13 : Feuilles de Neems broyées et tamisées34

Figure 14 : Essai de traitement sous UV39

Figure 15 : Spectres UV de l’extrait aqueux des feuilles d’A. Indica41

Figure 16 : Variation des spectres UV-Vis en fonction de la quantité de l’extrait aqueux des feuilles d’A. Indica42

Figure 17 : Variation des spectres UV-Vis en fonction de la concentration en ions argent

Figure 18 : Suivi cinétique de la synthèse des nanoparticules d’argent45

Figure 19 : Spectres UV-Vis du bleu de méthylène46

Figure 20 : Courbe d’étalonnage du bleu de méthylène47

Figure 21 : Evolution du pourcentage d’adsorption en fonction de la masse de nanoparticules d’argent48

Figure 22 : Evolution de la quantité adsorbée à l’équilibre en fonction du pH49

Figure 23 : Evolution de la capacité adsorbée à l’équilibre en fonction du pH50

Figure 24 : Modèles cinétiques d’adsorption du BM à 10 ppm51

Figure 25 : Modèles cinétiques d’adsorption du BM à 20 ppm51

Figure 26 : Modèles cinétiques d’adsorption du BM à 50 ppm52

Figure 27 : Modèles cinétiques d’adsorption du BM à 100 ppm52

Figure 28 : Modèles cinétiques d’adsorption du BM à 150 ppm53

Figure 29 : Diagramme d’adsorption de Langmuir pour le bleu de méthylène54

Figure 30 : Diagramme d’adsorption de Freundlich pour le bleu de méthylène

Liste des symboles et unités de mesures

AgNO3 : Nitrate d’argent
CO2 : Dioxyde de carbone
cm : Centimètres

g : Grammes

H2O : Eau

H2SO4 : Acide sulfurique

KNO3 : Nitrate de Potassium

mg.g-1 : Milligrammes par gramme

mg.L-1 : Milligrammes par litre

N : Normalité

NaOH : Hydroxyde de sodium

ppm : Partie Par Million

% : Pourcentage

°C : Degré Celsius

Résumé

Les industries textiles et agroalimentaires produisent de grandes quantités d’effluents liquides. Elles requièrent une attention particulière en raison de la pollution pouvant provenir des propriétés de ces effluents. L’objectif de cette étude est d’évaluer la capacité de dépollution des nanoparticules d’argent. Deux principales étapes ont été suivies.

Il s’agit de la synthèse des nanoparticules d’argent à partir des feuilles d’Azadirachta indica (Neem) et de l’évaluation de la capacité de dépollution de ces nanoparticules. Les valeurs optimales pour la synthèse ont été déterminées par une série d’expériences. Le processus de l’adsorption du bleu de méthylène sur les nanoparticules ainsi que l’influence de la photocatalyse sur l’efficacité du traitement ont été étudiés.

Les valeurs optimales obtenues pour la synthèse des nanoparticules d’argent sont 10 mM pour la concentration de la solution (15 mL) de nitrate d’argent, 3 mL pour la quantité d’extrait aqueux et 180 min pour la durée. L’étude du processus de l’adsorption montre qu’elle se déroule suivant le modèle de Langmuir, qu’elle est meilleure dans des solutions de pH basique et que la cinétique de la réaction correspond au modèle du pseudo second ordre.

Le traitement à l’obscurité permet d’avoir des taux d’abattement de 72,39%, 77,41% et 90,42% respectivement pour des concentrations de 150, 100 et 50 ppm de bleu de méthylène. Une légère baisse d’efficacité s’observe dans le traitement du bleu de méthylène en passant de l’obscurité à une exposition aux UVs à 365 nm. Les extraits aqueux des feuilles de Neem se sont donc révélés être de bons initiateurs pour la synthèse des nanoparticules d’argent.

Les résultats obtenus permettent ainsi d’envisager une efficacité similaire pour le traitement d’eaux usées réelles.

Mots clés : effluents liquides, nanoparticules d’argent, feuilles de Neem, adsorption, photocatalyse.

Abstract

The textile and food industries produce huge quantities of liquid effluents. They require special attention because of the pollution that can come from the properties of these effluents. The objective of this study is to evaluate the depollution capacity of silver nanoparticles. Two main steps were followed. It is the synthesis of silver nanoparticles from the leaves of Azadirachta indica (Neem) and the evaluation of the depollution capacity of these nanoparticles. The optimal values for the synthesis were determined by a series of experiments.

The process of methylene blue adsorption on the nanoparticles as well as the influence of photocatalysis on the treatment efficiency were studied. The optimal values obtained for the synthesis of silver nanoparticles are 10 mM for the concentration of the solution (15 mL) of silver nitrate, 3 mL for the quantity of aqueous extract and 180 min for the duration. The study of the adsorption process shows that it proceeds according to the Langmuir model, that it is better in solutions of basic pH and that the kinetics of the reaction corresponds to the pseudo second order model.

The dark treatment gives abatement rates of 72.39%, 77.41% and 90.42% respectively for concentrations of 150, 100 and 50 ppm of methylene blue. A slight decrease in efficiency is observed in the methylene blue treatment when switching from darkness to UV exposure of 365 nm. The aqueous extracts of Neem leaves were thus found to be good initiators for the synthesis of silver nanoparticles. The results obtained allow us to envisage a similar efficiency for the treatment of real wastewater.

Keywords : liquid effluents, silver nanoparticles, Neem leaves, adsorption, photocatalysis.

SOMMAIRE

INTRODUCTION1

1.SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE4

2.CADRES, MATERIEL ET METHODES30

3.RESULTATS ET DISCUSSION40

CONCLUSION ET SUGGESTIONS59

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES62

ANNEXES73

Introduction

L’eau a une importance indéniable dans la croissance économique et sociale d’une nation. Souvent désignée comme « or bleu », c’est un élément indispensable à la vie, parfois aussi rare qu’un métal précieux. La gestion durable de l’eau constitue dès lors une priorité pour les nations. Aux problèmes liés à sa disponibilité, il faut ajouter ceux relatifs à sa qualité. Le recyclage des eaux usées pourrait être un atout pour satisfaire aux exigences de la disponibilité et de la qualité de l’eau, qualité souvent affectée par les applications industrielles, agricoles et même domestiques.

Apeine 10% de l’eau contaminée est purifiée pour sa réutilisation et les 90% restant sont rejetés dans les plans d’eau altérant de ce fait la qualité de ces derniers. Si aucune mesure n’est prise, l’approvisionnement actuel en eau diminuera d’un tiers d’ici deux décennies [1]. Cette situation a conduit les scientifiques à mener des recherches sur de nouveaux procédés de traitement des eaux et sur l’amélioration des méthodes existantes.

Au Bénin, la gestion de l’eau revêt une importance capitale. Cotonou, la plus grande ville économique de ce pays est considérée par l’ONU depuis 2017 comme une ville aux capacités importantes mais hélas confrontée à de sérieuses difficultés dans le domaine de l’eau [2]. Pour surmonter ces dernières, le Bénin met en œuvre une politique via l’Agence Béninoise pour l’Environnement (ABE) en vue de l’application de la loi-cadre sur l’environnement en République du Bénin (Loi n°98-030 du 12 février 1999).

De ce fait, les industries ont été soumises au respect du décret n°2001-109 du 4 avril 2001 fixant les normes de qualité des eaux résiduaires en République du Bénin. Cette mise en conformité nécessite la mise en place de stations d’épuration des eaux usées (STEP) dont le coût et le temps de traitement varient énormément selon la nature des polluants.

Ces différentes contraintes poussent les industriels à la conception de STEP peu efficaces par soucis d’économie. Dans cette même optique, les STEP sont parfois contournées avec un déversement direct des effluents non traités. À la vue de cette situation, les procédés de traitement actuels doivent être améliorés afin de les rendre plus efficaces, peu couteuses et rapides.

La nécessité d’améliorer les procédés de traitement a conduit les chercheurs à l’utilisation des photocatalyseurs dont les plus connus sont à base de dioxyde de titane (TiO2). Ce dernier, synthétisé par voie chimique, est classé comme potentiellement cancérogène pour l’homme par le Centre International de Recherche sur le Cancer (CIRC). De plus, les produits chimiques intervenant dans sa synthèse sont toxiques et dangereux pour l’environnement. Ainsi, il y a une demande de plus en plus croissante pour la synthèse verte, non-toxique pour l’environnement [3].

Ces dernières années, la synthèse verte de photocatalyseurs dopés par des extraits de plantes médicinales a attiré plus d’attention en raison de leur nature écologique et de leur rentabilité. Avec certitude, les plantes offrent une méthode plus souhaitable pour la synthèse de nanoparticules. Par leur grande variabilité en composés phytochimiques (les terpénoïdes, les phénols, les flavonoïdes, les tanins, les quinones, etc…), les plantes sont censées détenir des propriétés utiles. De plus, les précurseurs et les plantes sont faciles à associer et ne présentent pas de risques durant leur utilisation [4].

Parmi la variété de la flore disponible au Bénin, les feuilles d’Azadirachta indica (margousier ou neem) ont montré un bon potentiel dans la synthèse des nanoparticules pour le traitement microbiologique.

Plus précisément, selon la « Neem Foundation », les principaux constituants des feuilles de Neem sont les protéines (7,1%), les glucides (22,9%), les minéraux (le calcium, le phosphore), la vitamine C, le carotène, etc… Mais elles contiennent également les acides aminés (l’acide glutamique, de la tyrosine, de l’acide aspartique, de l’alanine, de la proline, de la glutamine et de la cystine) et plusieurs acides gras (dodécanoïque, tétradécanoïque, eïcosanique, etc…). Ces différents constituants sont favorables pour la réduction des ions métalliques.

L’objectif principal de ce travail est par conséquent de traiter des effluents industriels par l’activité photocatalytique des nanoparticules d’argent (nAg) semi-conductrices.

Spécifiquement il s’agit de :

• Produire de manière optimale des nanoparticules par une série d’expériences à partir d’extrait aqueux de feuilles d’Azadirachta indica.
• Évaluer la capacité de dépollution des nanoparticules produites sur des eaux usées synthétiques de bleu de méthylène (BM).

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire se compose de trois parties. La première concerne la synthèse bibliographique ; la deuxième expose le cadre de l’étude, les matériels et les méthodes utilisés et enfin la dernière présente les résultats et leur discussion.