Adsorption et désorption du phosphore des eaux usées par des adsorbants à base d'alumine

Ce travail propose une étude sur l'identification et la compréhension des mécanismes d'adsorption et de désorption du phosphore (P) contenu dans les effluents liquides à partir de deux adsorbants à base d'alumine (alumine pure et alumine dopée). La caractérisation est une étape clé pour comprendre le comportement des alumines lors de l'adsorption et la désorption. Pour cela une combinaison de caractérisation physique, chimique, thermique et de surface des alumines a été réalisée. Les expériences d'adsorption ont été réalisées dans un réacteur batch et dans une colonne à lit fixe. Les résultats des expériences d'adsorption en batch ont montré une efficacité d'adsorption du phosphore allant jusqu'à 2 gP/kg soit la quasi-totalité du P introduite pour une concentration initiale en phosphore de 15 mg/L. L'adsorption du phosphore s'effectue en deux étapes : (i) la diffusion à travers le film liquide entourant la particule et (ii) la diffusion dans les pores. Quant aux expériences en colonne l'influence de la hauteur de lit (5 cm, 7,5 cm et 10 cm) sur l'adsorption du phosphore en colonne a été étudiée. Les résultats de ces expériences montrent une capacité d'adsorption du phosphore de l'alumine autour de 20 gP/kg d'alumine pour les 3 hauteurs. Les résultats ont montré que l'augmentation de la capacité d'adsorption de l'alumine n'est pas proportionnelle à l'augmentation de la hauteur de lit d'alumine. L'évolution du pH en sortie de colonne, pour les 3 hauteurs, met en évidence un phénomène d'échange d'ions. Des modèles permettant de décrire la dynamique d'adsorption en colonne ont été appliqués aux résultats expérimentaux afin d'identifier le mécanisme régissant le processus d'adsorption du phosphore (transfert de masse, complexation de surface). Ces résultats montrent que le transfert externe ne limite pas l'adsorption du phosphore mais plutôt la diffusion interne. La caractérisation au microscope électronique à balayage des particules d'alumines saturées montre une distribution homogène du phosphore à l'intérieur et à la surface de la particule. Une étude comparative de désorption a été réalisée à l'échelle laboratoire et à l'échelle pilote. Différents désorbants (solution : saline, acide et basique) ont été testés à l'échelle laboratoire afin de choisir le désorbant le plus efficace. Cette étude a été complétée par un travail de modélisation de la cinétique des processus mis en œuvre. Les résultats montrent que la base forte est le désorbant le plus efficace. Les expériences de désorption à l'échelle laboratoire (0,05 L) ont permis de fixer les conditions opératoires pour les essais à l'échelle pilote (20 L). Les expériences à l'échelle pilote ont permis d'identifier un compromis entre efficacité de désorption et coût. Ainsi 67% du phosphore peut être désorbés avec 0,5 mol/L de NaOH pour un rapport solide-liquide de 40 et un temps de contact de 6h. Une deuxième réutilisation de cette solution de NaOH (0,5 mol/L), a permis de désorber 50% du phosphore pour un rapport solide-liquide de 40 et un temps de contact de 6h. Une estimation économique préliminaire a également été réalisée. Des expériences préliminaires de régénération des alumines à l'échelle laboratoire montrent un rétablissement de 85% la capacité d'adsorption de l'alumine et 45% de la capacité d'adsorption de l'alumine dopée.