Development of an innovative and eco-compatible composite material for the reversible trapping of pollutants : application to the depollution of industrial effluents

Etude et développement d'un matériau composite innovant et éco-compatible pour le piégeage universel et réversible de polluants métalliques : application a la remédiation d'effluents industriels et au recyclage de métaux Les industries spécialisées dans le domaine du traitement de surfaces métalliques génèrent des effluents contaminés par des métaux tels que le Cr,Zn, Ni, Cu … et des polluants inorganiques tels que les nitrates, nitrites et sulfates. Les travaux de recherche effectués durant cette thèse concernent le développement de matériaux composites innovants constitués d’hydroxydes doubles lamellaires (HDLs) et d’oxyde graphitique (OG). Les HDLs, possédant une charge structurelle de part des substitutions isomorphiques, sont utilisés pour la capture par intercalation interfoliaire des anions majeurs. Quant à l’oxyde graphitique, chargé négativement pour des valeurs de pH supérieures au pHPZC, il est utilisé pour la capture par adsorption de surface des différents métaux cités précédemment. Le matériau composite est réalisé sous forme de billes hybrides par dispersion des adsorbants dans une matrice de chitosane (CS), un bio polymère naturel. Les HDLs carbonatés et chlorurés avec des rapports cationiques Co/Fe compris entre 2/2 et 10/2, ont été synthétisés en utilisant la méthode de co-précipitation à pH variable. L’OG a été synthétisé par voie chimique suivant la méthode de Hummers modifiée. Des billes de différentes compositions : chitosane pure (CS), chitosane et HDL (CS/ HDL), chitosane et OG (CS/OG), ainsi que CS/HDL/OG ont été élaborées en formulant un gel adapté. Pour l’élaboration des billes CS/HDL/OG, la poudre de chitosane est dissoute dans de l’acide acétique dilué puis l’OG dispersé par traitement ultra-sonique est ajouté et finalement les précurseurs de HDL (sel de métaux) sont ajoutés.Le gel est ensuite transféré dans une solution de soude pour la formation des billes. Une fois formées, une étape de lavage est nécessaire afin d’abaisser le pH dans les billes, favorisant ainsi la formation des HDLs. La caractérisation physico-chimique réalisée sur les HDLs carbonatés a montré l’obtention de phases bien cristallisées avec les rapports cationiques compris entre 2/2 et 8/2. Pour le rapport 10/2, une faible quantité d’impureté de type C₀₃O₄ a été détectée. La spectroscopie FTIR et la spectroscopie d’absorption atomique ont permis de préciser la composition chimique des produits de synthèse en termes à la fois d’anions interfoliaires et de rapport Co/Fe. Cependant, les analyses EDX réalisées sur des particules individualisées ont montré que le rapport Co/Fe pouvait varier localement, spécifiquement pour les compositions 2/2 et 10/2. La capacité des matériaux à piéger des cations a été testée en ciblant le zinc. Les essais d’adsorption du Zn vis à vis des billes de CS/OG ont montré une capacité d’adsorption de Zn de 42,0 mg par g de OG. Cette dernière valeur est inférieure à la capacité de sorption du zinc sur l’oxyde graphitique seul quis’élève à 65,1 mg/g. Cet abaissement de la capacité de capture est très probablement dû à l’interaction entre le CS chargé positivement et l’OG chargé négativement. Concernant la capture du zinc par les billes de CS/HDL/OG, la capacité de capture est de l’ordre de 64.4 mg de zinc par gd’OG présent dans la bille. La différence entre la quantité de zinc adsorbée par les billes de CS/OG et celle par les billes de CS/HDL/OG peut être reliée à l’effet tampon du HDL à un pH ≥ 8.0. Une évaluation de la capacité d’échange anionique des HDLs a été menée en étudiant la capacité decapture des sulfates, nitrates et nitrites par les HDLs chlorurés. Il apparait que l’affinité de ces matériaux pour les sulfates est supérieure à celle pour les nitrates et nitrites. L’étude de l’échange sur les billes de CS/HDLs et CS/HDLs/GO a montré un taux de capture des sulfates, des nitrates et nitrite supérieur à la capacité d’échange des HDLs présents dans les billes. Cela peut être expliqué par la présence du chitosane qui à pH=7 présente toujours des groupements chargés positivement susceptibles de participer à la capture des anions.