Partie expérimentale
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Chapitre IV :
Caractérisation des matériaux utilisés
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Dans cette partie on a mis en évidence les méthodes spectrophotométries (UV-Visible) ainsi la caractérisation physico-chimique de l’adsorbant telle que l’IR, le pH…etc
Additivement, nous nous sommes intéressées à décrire les protocoles et les expériences de l’adsorption du BM
Matériels et méthodes
Préparation de l’adsorbant
Les déchets de coquilles d’œufs ont été collectés à partir des restaurants locaux. Elles ont été lavées avec de l’eau de robinet, ensuite bouillie dans l’eau distillée pendant 15 min pour éliminer les impuretés. Ensuite, notre matériau la membrane de la coquille d’œuf a été séparé manuellement des déchets d’œufs et séchées dans une étuve à 50°C pendant une nuit. Le matériau a été broyé dans un broyeur électrique puis tamisé à l’aide d’un tamis (Afnor). Seules les particules de diamètre entre 315 et 500 µm ont été utilisées pour les tests expérimentaux d’adsorption en mode statique.
Figure IV-1 : Préparation de l’adsorbant
Caractérisation Physico-chimique du matériau utilisé
L’emploi des supports adsorbants dans le domaine de traitement des eaux, nécessite la connaissance de leurs propriétés physico-chimiques. En fonction de ces techniques, il est possible d’avoir des informations sur la structure, la chimie et la morphologie.
Dans notre travail, les différentes techniques physico-chimiques utilisées pour caractériser notre matériau sont : la composition chimique, la diffraction par les rayons X (DRX), la mesure de la surface spécifique par la méthode BET et la microscopie électronique à balayage (MEB) PCZ.
Composition chimique
La composition chimique de notre membrane a été caractérisée par une analyse élémentaire (Leco CHNS-932).
Analyse par spectroscopie infra rouge (IR)
Cette technique sert à déterminer les groupements fonctionnels. Chaque liaison présente des vibrations caractéristiques de fréquences bien déterminées.
L’analyse a été réalisée en mode réflexion avec un spectromètre (IR Affinity -1S) équipé d’un système Golden Gate permettant de procéder à une analyse en réflexion totale atténuée (ATR :Attenuated Total Reflectance) de la membrane. Celles-ci, pressées par une enclume de saphir, sont en contact avec le cristal de diamant dans lequel se propage le rayonnement infrarouge. A l’interface entre le cristal et l’échantillon, une faible partie du signal, l’onde évanescente, est transmise et pénètre l’échantillon sur une profondeur de 1 mm environ, ce qui donne lieu à une absorption d’où des modifications du rayonnement infrarouge émergeant. La figure IV.2 schématise le principe de l’ATR.
Figure IV-2 : Schéma de la méthode ATR
Les spectres d’absorption sont collectés à température ambiante dans le domaine 600-4000 cm-1 après 50 passages de faisceau et avec une résolution de 4 cm-1.
Diffraction des rayons X (DRX)
La diffraction des rayons X est une méthode d’analyse non destructive utilisée en générale pour déterminer la structure cristalline d’un échantillon.
Le principe de la méthode repose sur la diffraction des rayons X par une famille de plans réticulaires (hkl) favorablement orientée sous un angle θ par rapport au faisceau incident. Ceci se traduit dans le diffractogramme, représentant l’intensité en fonction de l’angle de diffraction θ, par l’observation de raies à partir desquelles peuvent être déterminées les distances réticulaires dhkl, caractéristiques d’un composé cristallin donné, à l’aide de la loi de Bragg :
2d sin θ = qλ (Eq 11)
Avec :
- q: Nombre entier correspondant à l’ordre de la diffraction.
- λ: Longueur d’onde du rayonnement utilisé.
- d: Distance réticulaire.
- θ : Angle de diffraction.
La structure cristalline de l’échantillon a été caractérisée par diffraction des rayons X (DRX) (Philips X’Pertdiffractometer) en utilisant un rayonnement de cuivre Kα (λ = 1,5418 Å), une vitesse de balayage de 0,01° min-1 et un angle de 2θ compris entre 0 et 60.
Analyse à microscopie électronique à balayage (MEB)
La microscopie électronique à balayage (MEB) est une technique d’analyse qui permet de déterminer la morphologie et l’état de surface d’un matériau, elle fournit des informations sous forme d’images lumineuses, résultat de l’interaction d’un faisceau d’électrons avec un volume microscopique de l’échantillon étudié, La morphologie de matériau a été caractérisée en utilisant un microscope électronique à balayage (MEB) (JEM-2010-JEOL).
Mesure de la surface spécifique
La surface spécifique du support adsorbant a été déterminée par la méthode BET (Brunauer, Emmett et Teller). Cette technique consiste à déterminer l’isotherme d’adsorption de l’azote gazeux à la surface du support. Ces mesures d’adsorption nécessitent une surface bien dégazée et il faut en particulier retirer l’eau adsorbée pour qu’elle soit accessible aux molécules d’azote.
Les caractéristiques physiques, surface spécifiques, volume spécifique et distribution des pores de l’adsorbant employé ont été déterminées au moyen d’un appareil BET type Nova Station A à 77.3 K.
Détermination du pH de charge nulle (pHpzc) :
Le pH pzc ou pH du point de charge zéro ou nulle correspond à la valeur de pH pour laquelle la charge nette de la surface des matériaux est nulle. Ce paramètre est très important dans les phénomènes d’adsorption, surtout quand des forces électrostatiques sont impliquées dans les mécanismes.
Cette méthode consiste à ajouter une solution d’acide chlorhydrique (0.1N) ou de soude (0.1N), pour ajuster le pH de 1 à 10 à une solution de nitrate de potassium KNO3(0,01 M) de volume 20 ml, à la température ambiante. Lorsque le pH de la solution de KNO3est fixe, on y additionne 0,1g de la MCO. L’ensemble est laissé sous agitation pendant 24 heures et le pH final est alors noté.
Le point d’intersection de la courbe avec l’axe des abscisses, donne le pHpzc du matériau.
L’étude entreprise vise à tester le matériau utilisé pour la fixation du chrome (VI) à partir d’une solution aqueuse dans une colonne à lit fixe et étudier l’influence de différents paramètres (débit d’alimentation, hauteur de lit, concentration de Cr (VI) et pH de la solution) sur la performance de la colonne.
Principe de la spectrophotométrie d’absorption UV-Visible
La spectroscopie d’absorption dans l’UV et le visible est une méthode très commune dans les laboratoires. Le principe de la spectrophotométrie est basé sur la propriété des molécules d’absorber des radiations lumineuses de longueur d’onde déterminée (Figure IV.3).
Le dosage spectrophotométrie UV-Visible consiste à préparer une gamme de dilution (solutions filles) d’une solution étalon (solution mère) et à mesurer l’absorbance de chacun des solutions étalons filles puis à tracer la courbe d’étalonnage A= f(c).
L’absorbance (A) de la solution à doser est mesurée dans la même condition puis reportée sur la courbe d’étalonnage où on peut déterminer graphiquement la concentration inconnue dosée. En calculant la pente de la droite d’étalonnage par régression linéaire, en utilisant la loi de Beer-Lambert :
On écrit alors :
A=LogI0/I (Eq12)
A=Ɛ.C.L (Eq13)
Avec :
- A : Absorption ;
- Ɛ : Coefficient d’extinction spécifique du soluté (l .cm-1.mol-1) ;
- L : L’épaisseur de la cellule optique (cm) ;
- C : La Concentration du soluté (mol.l-1).
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Figure IV-3 : principe simplifié de la spectrophotométrie UV/visible
Choix la longueur d’onde
Pour choisir la longueur d’onde d’absorption maximale, nous avons effectué des mesures d’absorbance d’une solution de chrome de concentration 10 mg L-1 en faisant varier la longueur d’onde dans le domaine du visible. Les résultats sont donnés dans la figure IV.4 montrent que l’absorption maximale correspond à la longueur d’onde λ = 665 nm.
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Figure IV-4 : Spectre du Bleu de Méthylène (20ppm) à pH=6.9-7,2.
Etablissement de la courbe d’étalonnage
La courbe d’étalonnage a été réalisée, a partir d’une solution mère de concentration 100 mg.l-1, de cette dernière, nous avons préparé une série des solutions filles. On mesure l’absorbance de chacune de ces solutions la courbe d’étalonnage de ce colorant est donnée par la Figure IV.5.
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Figure IV-5 : Courbe d’étalonnage de bleu de méthylène
La dépendance Abs=f(C) montre une linéarité de la courbe dont le coefficient de corrélation R2=0,9993.
L’efficacité d’élimination de colorant E % est donnée par équation (13) :
E(%) = (Ci-Cf/Ci) * 100 (Eq13)
La quantité adsorbée est calculées en utilisant l’équation (14):
Qads = (Ci-Cf) * V / m (Eq14)
Avec :
- Qads: Quantité d’adsorbat par gramme d’adsorbant
- Ci: Concentration initiale de colorant en mg.l-1
- Cf: Concentration finale de colorant en mg.l-1
- m : masse d’adsorbant en g
- V : le volume de solution en L.
