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N°= d’ordre :23/ 2011 –M / CH REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE M

N°= d’ordre :23/ 2011 –M / CH REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université des Sciences et de la Technologie HOUARI BOUMEDIENE Faculté de Chimie Thèse Présentée pour l’obtention du diplôme de MAGISTER EN : CHIMIE Option : Chimie Physique et Théorique par : Melle K.Benhamada Thème La soutenance à eu lieu le 16 / 03 / 2011 devant la commission de jury : Mr. C.Chelghoum , Professeur à l’USTHB Président Mr.S.Chegrouche ,Directeur de recherche au CRND Directeur de thèse Mr.M.Boufatit ,Maitre de conférences /A à l’USTHB Examinateur Mr.M.Barkat ,Maitre de recherche au CRND Invité Etude cinétique et thermodynamique de l’adsorption du cadmium et le zinc par charbon actif. A la mémoire de mes parents A mes frères et sœurs Aux personnes qui se donneront la peine de me lire Je dédie ce travail à tous l’ensemble de l’USTHB qui m’ont apportée de l’aide. Remerciment Je tiens à remercier Mr S.Chegrouche Directeur de recherche d’avoir être encadrée, ainsi particulièrement à propos de l’aide scientifique. Je remercie Mr C.Chelghoum d’avoir présider la jury. Ainsi Mr M.Boufatit et Mr M.Barkat d’être parmis les membres de jury, mes remercîments. Mes remercîments sincèrement à Mr A.Mellah Directeur de recherche. Avant propos Le présent travail à fait l’objectif de la préparation de ce mémoire de Magister, dont l’analyse des échantillons ont étés réaliser au laboratoire de caractérisation et extraction liquide –solide au niveau du centre de recherche nucléaire de Draria, sous la direction de Monsieur S.Chegrouche :Directeur de recherche. Résumé Les métaux lourds constituent un phénomène toxique à leurs apparitions à faibles dose en concentration métalliques, principalement le cadmium et le zinc dans l'eau en provoquant une toxicité chronique. L'usage du charbon actif comme adsorbant des cations métalliques à un effet spécifique par le processus d'adsorption. La structure interne du charbon actif favorise la fixation des éléments métalliques à la surface de l'adsorbant .Le pouvoir adsorbant du charbon actif est relié à la structure microporeuse et la large surface spécifique évaluée 932.28 m2 /g obtenue par la méthode de BET.La méthode t-plot permet de déterminer le volume microporeux. L’étude paramétriques à l'influence du pH à un effet à la fixation des cations métalliques à obtenir un taux d'adsorption maximale 97.82 – 97.67 % à pH optimal pH = 4 – 6 pour le zinc et le cadmium.L'étude expérimentale permet de déterminer la sélectivité en cadmium.L’isotherme d’adsorption de Langmuir est mieux approprié et la capacité maximale d'adsorption qe = 10 - 41.67 mg/g pour le Cd (II) et Zn (II).Le modèle cinétique pseudo second ordre est mieux approprié à d’écrire le processus d’adsorption du cadmium et le zinc. Mots clés : cadmium , zinc , charbon actif , cinétique, adsorption . SOMMAIRE Liste des symboles Introduction ……………………………………………………………………….....1 Chapitre 1 : Synthèse bibliographique du cadmium et du zinc.........3 I-1. Le cadmium …………………………………………………………………………………3 1-1. Propriétés physico-chimique du cadmium…………………………………….........4 1-2 . Utilisation du cadmium…………………………………………………………........4 1-3. Les normes du cadmium……………………………………………………………..5 I-2. Le zinc ……………………………………………………………………………………….5 2-1. Propriétés physico- chimique du zinc………………………………………………..6 2-2. Utilisation du zinc …………………………………………………………………….6 2-3. Les normes du zinc……………………………………………………………………7 I-3. Le cadmium et le zinc dans l’environnement………………………………………….....7 I-4. Elimination des éléments métalliques……………………………………………………...8 Chapitre II : Phénomène d’adsorption………........................10 II- L’adsorption………………………………………………………………………10 II-1- Types d’adsorption…………………………………………………………....11 1-1- Adsorption physique……………………………………………………….11 1-2- Adsorption chimique………………………………………………………11 II-2- Mécanisme d’adsorption……………………………………………………….12 II-3- Types d’isotherme d’adsorption………………………………………………12 3-1- Isotherme type I……………………………………………………………12 3-2- Isotherme type II……………………………………………………………12 3-3. Isotherme type III…………………………………………………………...13 3-4- Isotherme type VI…………………………………………………………13 3-5- Isotherme type V…………………………………………………………..13 II-4- Modèles d’isothermes et cinétique d’adsorption………………………………………14 4-1-Modèles de Langmuir……………………………………………………….14 4-2-Modèle de Freundlich………………………………………………………..16 4-3. Modèle de Temkin …………………………………………………………...17 II-5.Cinétique d’adsorption ……………………………………………………………...17 5-1.Cinétique pseudo premier ordre ………………………………………………17 5-1.Cinétique pseudo second ordre ………………………………………………18 Chapitre III : Les adsorbants………………………………………………. 19 III-1- Le charbon actif………………………………………………………………….19 III-2.Différents formes de charbons actifs……………………………………………19 2- 1. Charbon actif en poudre ……………………………………………….20 2- 2. Charbon actif en grain…………………………………………………..20 III-3- Structure des charbons actifs…………………………………………………...21 III-4- Texture poreuse des charbons actifs ………………………………………….22 III-5-Les divers adsorbants…………………………………………………………….23 5-1-Les argiles ………………………………………………………………...23 5-2- Les zéolites………………………………………………………………..24 5-3-Les résines………………………………………………………………….24 Chapitre IV : Méthodes de caractérisation……………………...25 IV-1- Analyse thermique ……………………………………………………………...25 IV-1-1- Analyse thermique différentielle (ATD)…………………………………….25 IV-1-2- Analyse thermique gravimétrique (ATG)…………………………………...26 IV-1-3- Discussion des résultats ……………………………………………………..27 IV-2- La surface spécifique…………………………………………………………..31 IV-3-Surface du solide …………………………………………………………………31 3-1-Surface externe……………………………………………………………..31 3-2- Surface interne……………………………………………………………32 IV-4- La méthode de BET…………………………………………………………….. 33 IV-5- Caractéristique texturale………………………………………………………...35 IV-6-Le volume poreux…………………………………………………………………35 IV- 7-Caractéristique physico-chimique des charbons actifs………………………37 ChapitreV :Etude paramétrique.…………………………………38 V-1. Procédure expérimentale…………………………………………………………..38 1. Effet du temps d’équilibre………………………………………………………….38 2. Effet de masse…………………..…………………………………….....................41 3. Effet de la concentration initiale du métal…… ………………………………….43 3-1. Effet de la concentration initiale du cadmium……………………………..43 3-2 .Effet de la concentration initiale du zinc……………………………….......44 4. Effet de la température………………………………………………………........45 5. Effet du pH ……………….………………………………………………………….47 5-1. Effet du pH sur l’adsorption du zinc……………………………….. ……..47 5-2. Effet du pH de l’adsorption du cadmium…………………………………….48 Chapitre VI : Etude des modèles d’isothermes d’adsorption………..50 VI- 1 -Etude des capacités d’adsorption…………………………………………….50 VI -2. Isothermes d’adsorption………………………………………………………..52 1. Isotherme de Langmuir…………………………………………………………52 2. Isotherme de Freundlich……………………………………………………….54 3. Isotherme de Temkin…………………………………………………………..56 Chapitre VII : Etude cinétique et thermodynamique…………..56 VII- Etude cinétique de l’adsorption du cadmium et du zinc………………………59 VII-1.Cinétique pseudo premier ordre……………………………………………….59 1. Effet de concentration optimal ………………………………………………..59 2. Effet de température de l’adsorption du zinc ……………………………...60 VII- 2 .Cinétique pseudo second ordre ………………………………………..62 2.1.Effet de concentration optimale …………………………………....62 2.2. Effet de température du zinc ……………………………………..64 VII-3.Etude thermodynamique de l’adsorption du zinc……………………………..65 1. L’enthalpie libre standard…………………………………………………..65 2. Energie standards…………………………………………………………...68 Conclusion ……………………………………………………………………………...69 Références bibliographiques Annexes Liste des symboles V : Le volume du gaz adsorbé dans les conditions standards de pression et de température par gramme (cm3/g). Vm : le volume monomoléculaire des particules adsorbées (cm3/g). P° : pression de vapeur saturante du gaz (mm Hg). P : pression du gaz (mmHg). C : la constante d’adsorption. SBET : l'air spécifique total du solide en (m2/g). N : nombre d'Avogadro 6,023 1023. Vm : volume adsorbée d'une monocouche (cm3 /g). σm (N2) : l'air moléculaire d'une particule d'azote adsorbée (16.2 A2). W° : volume des micropores (cm3/g). SBET : surface spécifique de BET (m2/g). Sext : surface externe (m2/g). SMicro : surface des micropores (m2/g). Stot : surface total (m2/g). L° : taille des particules (mm). %Rend :Rendement d’adsorption des ions métalliques C0 : la concentration initiale de la solution métallique (mg/ l). Ce : concentration de l’adsorbat à l'équilibre (mg /l) K1ads : la constante d'adsorption du pseudo-premier ordre (mn-1). K2 ads : la constante d'adsorption du pseudo- second ordre (g mg-1 mn-1). qe : la capacité d'adsorption à l'équilibre (mg/g). qt : la capacité d'adsorption à l'instant t (mg/g). KL : constante de Langmuir (l /mg). RL : facteur de séparation indique la nature du processus d’adsorption. m : la masse d’adsorbant (g). KF : constante de Freundlich. n : l’intensité d’adsorption. T : température ambiante (K). A : constante de Temkin (l /mg). b :constante de Temkin. B :chaleur d’adsorption (Kj/mol). ΔG° ads : l’énergie libre standard d’adsorption (Kj /mol.K). ΔH° ads :l’enthalpie standard d’adsorption (Kj /mol.K). ΔS° ads : l’entropie standard d’adsorption (Kj /mol). Introduction Introduction Les eaux potables et les eaux résiduaires contiennent des microorganismes et des particules toxiques les substances réfractaires et les métaux lourds leur élimination nécessite l’application des procédés efficace afin d’obtenir une eau désinfectée. La dégradation de la qualité de l'eau résulte l'existence des substances et les corps étrangers tels que les microorganismes, les produits chimiques et les déchets industriels. La contamination de l'eau se produit par divers substance et microorganismes ainsi les métaux lourds qui sont l’objectif du présent travail. Dans la plupart des cas il est particulièrement essentiel d’éliminer les particules indésirables, il ya plusieurs méthodes de traitement .Multiple processus sont valable pour l’élimination et faire dissoudre les métaux lourds, plusieurs méthodes était appliquer tels que : les méthodes chimiques, physiques, thermique, la précipitation coagulation, l’échange cationique, ainsi le phénomène d’adsorption par un solide qui sera l’objectif de notre étude. Parmi les différentes méthodes d'extraction, nous nous sommes intéresser de mettre en évidence à l'adsorption liquide - solide des éléments métalliques par charbon actif. Les métaux lourds ont un effet toxiques grave, atteint divers organes, celui-ci cause de dangereux maladie tels que les intoxications par le cadmium et le zinc .Le cadmium provoque des troubles s’il est à forte concentration , donc le cadmium et le zinc présentent des intoxications chroniques qu’elle peut être trouvée dans les eaux destinée à la consommation. Le présent travail sera donc de proposer une méthode pour l’étude de l’extraction du cadmium et le zinc par charbon actif en vue d’avoir un bon rendement d’élimination. Ce qui favorise l’interprétation des résultats expérimentaux d’où le plan du travail est comme suite : Le premier chapitre : synthèse bibliographique du cadmium et le zinc. Le deuxième chapitre traite le phénomène d’adsorption. Le chapitre trois fera l’étude du matériau utilisé et les divers adsorbants. Le chapitre quatre abordera les techniques de caractérisation telles que : BET, ATD /ATG. Le chapitre cinq sera l’étude expérimental où nous nous sommes intéressés en premier lieu à l’étude paramétrique a été jugé nécessaire pour sélectionner les paramètres influe l’adsorption du zinc et le cadmium par le charbon actif. Le sixième chapitre applications des modèles d’isothermes d’adsorption et le dernier chapitre l’étude cinétique et thermodynamique des uploads/Science et Technologie/ th6530.pdf