préparation d’une nouvelle phase adsorbante et étude · ii-6-2- concept d’isotherme...

République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université Larbi Tébessi- Tébessa

Faculté des Sciences Exactes et des Sciences de la Nature et de la Vie

Département : Sciences de la matière

MEMOIRE DE MASTER

Domaine : Sciences de la matière

Filière : chimie

Option : Chimie organique et matériaux organiques

Thème :

Préparation d’une nouvelle phase adsorbante et étude

comparative

Présenté par :

Sakher Chaima

Devant le jury :

Boumedjout Meriem MAA U. Tébessa Présidente

Lakhal Fatima Zohra MAA U. Tébessa Rapporteur

Boukhdena Wafia MAA U. Tébessa Examinatrice 1

Graidia Amel MAA U. Tébessa Examinatrice 2

Date de Soutenance : 29/05/2016

Dédicace

Louange à Dieu Le tout puissant

Je dédie le fruit de mon modeste travail :

À ma très chère mère

Symbole d’amour et d’affection

À mon père

Qu’il trouve ici le fruit de son sacrifice et son encouragement

À mes chers frères Bilel, Hamza et Oussama et ma sœur Haifa

À toute ma famille

Et à toute la promotion de chimie organique 2015/2016

À tous mes amies surtout :

B.Basma

À tous ceux que j’aime et que je respecte.

À ceux qui m'ont tout donné sans rien en retour

À ceux qui m’ont encouragé et soutenu dans les moments les plus difficiles

Et ceux à qui je dois tant

Je vous aime tous et j'espère que la vie vous réservera

Plein de bonheur,

De réussite, de prospérité et une très bonne santé.

Que ce travail soit le témoignage sincère et affectueux de ma profonde reconnaissance pour

tout ce que vous avez fait pour moi

«Ce n’est pas parce que les choses sont difficiles que nous n’osons

pas, c’est parce que nous n’osons pas qu’elles sont difficiles›»

Sénèque

Chaima

Remerciements

Avant toute chose, nous remercions Dieu Le tout puissant, pour le courage et la force qu’Il

nous a donné pour mener ce travail jusqu’à la fin.

Comme le veut la tradition, la page des remerciements, est une tâche difficile. Aucune

expression, ni aucun geste, ne peut combler les sentiments que j’ai envers les personnes qui

m’ont fait preuve de confiance, patience et générosité, et sans qui ce mémoire n’aurait pu

voir le jour.

Je commence par adresser mes plus chaleureux remerciements à ceux dont le nom

n'apparaît pas dans cette page et qui m'ont aidé d'une manière ou d'une autre à réaliser ce

travail.

Je dois aussi exprimer ma profonde gratitude à tous mes amis qui m’ont soutenu tout en

pensant aux moments sympathiques que nous avons passés ensemble.

Mes remerciements les plus vifs vont tout particulièrement à mes parents qui ont joué

évidemment un très grand rôle dans la réalisation de ce mémoire. Ils m’ont donné un

environnement idéal depuis mon enfance et m'ont enseigné les valeurs d'humilité et

d'honnêteté avec lesquels j'ai essayé d'aborder mon travail scientifique. Leur soutien moral

et matériel m’a été indispensable tout au long de ces années.

Je remercie infiniment mon encadreuse Mme Lakhel Fatima Zohra pour l'honneur qu'elle

m’a fait en m’encourageant, m’orientant et en me soutenant, ainsi qu’à sa patience avec moi

tout au long de l'élaboration de ce mémoire. Je la remercie également pour ses conseils, et

la confiance qu’elle m’a constamment témoignée qui ont été pour moi très motivants.

Je tiens à exprimer tous mes remerciements à Madame Boumedjout Meriem qui m’a fait

l’honneur d’accepter de juger mon travail, qu’elle trouve ici l’expression de ma profonde

gratitude.

Je suis très honoré que Madame Boukhedena Wafia, ait accepté de siéger à ce jury qu’elle

trouve ici l’expression de ma profonde gratitude.

Je tiens à remercier également madame Graidia Amel pour avoir accepté de juger et

examiner ce travail.

Je ne saurais clôturer cette page sans adresser mes sincères remerciements à Monsieur

B.Smaali de m’avoir accueillie dans le laboratoire de département de génie civil.

Enfin, je remercie tout particulièrement ceux que j’ai oubliés, en les priant de bien vouloir

m’excuser.

J’espère que ce travail leur témoignera toute ma reconnaissance et mon estime à leurs

égards.

S.Chaima

ملخص

وعلى الطبيعية المواد تثمين إلى األول الجانب يهدف: بيئيين أساسين محورين البحث هذا في نتناول

والمحضر المنشط للفحم االمتزاز سعة دراسة ،الثاني ومن الجانب التمور بعض نوى الخصوص وجه

جنوب 'دقلة نور' هي المعنية النوعية) الماء في محتوى الخليك حمض إزالة النوى على هذه من أساسا

. (الجزائر شرق

درجة 600 في متفحم األول. الفحم: الفحم من أنواع ثالثة تم التركيز على المواد االولية، إعداد بعد

( واالخر بحامضN10النيتريك بتركيز ) مئوية، الفحوم األخرى تم معالجتها كيميائيا. أحدهما بحمض

الحالتين. كلتا في مئوية درجة 450 في الكربنة يليه ،(٪40) الفوسفوريك

.(Merck) التجاري الكربون مع مقارنة دراسة إجراء تم

الحموضة، ودرجة الحمراء، تحت األشعة والرماد، الرطوبة) لتحديد الخصائص المختلفة النتائج

تلك من فعالية أكثر هو عليه الحصول تم الذي الكربون أن أظهرت قد( ذلك إلى وما والحجم والكتلة تركيز

مياه. معالجة عمليات في المثال سبيل على اختباره ذلك بعد ويمكن صناعيا، المنتجة

الكربنة. االمتزاز، نوى التمور، الفحم،، المنشط الكربون :المفتاحية الكلمات

Résumé

Notre travail présente un double aspect environnemental. D’une part une valorisation de

sous-produits naturels en l’occurrence les noyaux de dattes, et d’autre part, l’étude de

l’efficacité adsorbante du charbon actif issu de ces noyaux pour l’élimination de l'acide acétique

contenu dans une eau. La variété locale qui a fait l’objet de cette étude est « Deglet Nour » du

Sud-Est de l’Algérie.

Après la préparation de la matière première, trois types de charbon sont visés : le premier

un charbon carbonisé à 600 °C, les deux autres sont prétraités chimiquement l’un à l’acide

nitrique (10N) et l’autre à l’acide phosphorique (40%) suivi d’une carbonisation à 450 °C dans

les deux cas.

Une étude comparative avec un charbon commercial (Merck) était réalisée.

Les différents résultats de caractérisation (taux d’humidité et cendre, IR, pH, concentration,

masse, granulométrie etc.) ont montré que les charbons obtenus sont plus efficaces que ceux

fabriqués industriellement et pourraient alors être essayés par exemple dans les filières de

traitement des eaux.

Mots clés : charbon actif, charbon, noyaux de dattes, adsorption, activation, carbonisation.

Abstract

Our work has two main environmental aspects. The firstly, a valuation of natural sub-

products, in this case the nucleus of dates, and secondly, the study of the adsorbent efficiency

of activated carbon obtained from these nucleuses to eliminate acetic acid contained in a water.

The local type of dates used in this study is "Deglet Nour" from Algeria southeast.

After the preparation of primary material, three types of coal are aimed: the first is

carbonized at 600 ° C, the other two types were pretreated chemically, one with (10N) nitric

acid and the other one with phosphoric acid (40%) followed by carbonization at 450 ° C for

each.

A comparative study with a commercial carbon (Merck) has been accomplished.

The different results of characterization (moisture rate and ash, IR, pH, concentration,

mass, granulometry etc.) showed that the obtained carbon is more effective than the commercial

ones which produced industrially, so it could be tested for example in waters treatment

processes.

Keywords: activated carbon, carbon, date stones, adsorption, activation, carbonization.

Table des matières

Table des matières

Matière N° de page

Liste des figures

Liste des tableaux

Liste des symboles et abréviations

Introduction générale 1

Chapitre I : Le charbon et les phases adsorbantes

I-1-Introduction 3

I-2-Charon actif 3

I-2-1-Historique 3

I-2-2-Définition 4

I-3- Différents types de charbon actif 4

I-3-1-Origine végétale 4

I-3-2-Charbon actif en poudre (CAP) 5

I-3-3-Charbon actif en grain (CAG) 5

I-4-Fabrication du charbon actif 6

I-5-Les types d'adsorbants 8

I-5-1- Les charbons actifs 8

I-5-2 -Les adsorbants minéraux 8

I-5-3-Les adsorbants à base de polymère 9

I-6- Caractéristique du charbon activé 10

I-6-1- Caractéristiques physiques 10

Table des matières

I-6-2- Les caractéristiques chimiques 12

I-7-Structure interne du charbon actif 13

I-8-Domaines d’utilisation des charbons actifs 13

I-9-Conclusion 14

Références 15

Chapitre II : Aspects fondamentaux sur l’adsorption

II-1-Introduction 19

II-2- La théorie d’adsorption 19

II-2-1-Définition 19

II-2-2-Les types d’adsorption 20

II-2-2-1-Adsorption physique 20

II-2-2-2-Adsorption chimique 21

II-3-Cinétique d'adsorption 22

IІ-4-Mécanisme d’adsorption 22

II-5-Facteurs influençant le phénomène d’adsorption 23

II-5-1-La température 23

II-5-2- Facteurs caractérisant l’adsorbant 23

II-5-3- Facteurs caractérisant l’adsorbat 24

II-6- Isothermes d’adsorption 24

II-6-1-Capacité d'adsorption 24

II-6-2- Concept d’isotherme d'adsorption 25

II-7-Conclusion 25

Références 26

Table des matières

Chapitre III : Charbon à base des noyaux de dattes

III-1-Introduction 28

III-2-Les dattes 28

III-2-1- Définition 28

III-2-2-Les variétés cultivées 29

III-2-3-Deglet Nour 29

III-3-Noyaux de dattes (ND) 30

III-3-1-Définition 30

III-3-2- Origine des noyaux de dattes 30

III-3-3-Composition chimique 31

III-4- Préparation du charbon actif à base végétale 32

III-4-1-Décomposition thermique des matériaux végétaux 32

III-4-2-La pyrolyse 32

III-4-3-Activation physique 33

III-4-4-Activation chimique 33

III-5-Actions pharmacologiques 34

III-5-1-Fonction antiseptique 34

III-5-2-Fonction cosmétologique 34

III-5-3-L’activité antivirale 34

III-6-Différentes utilisations du noyau de dattes 34

III-6-1-Alimentation animale 34

III-6-2-Fabrication de charbon actif 35

III-6-3-Autres utilisations 35

Table des matières

III-7-Conclusion 36

Références 37

Chapitre IV : Techniques expérimentales

IV-1-Introduction 39

IV-2-Objectif de cette étude 39

IV-3-Réactifs et produits 39

IV-3-1-Adsorbants 39

IV-3-2-Adsorbat 39

IV-3-3- Indicateur coloré 40

IV-3-4 - Les produits 40

IV-4-Méthodes d’analyse 41

a) PH- métrie 41

b) Dosage acido-basique 41

c) Spectroscopie infrarouge 42

IV-5-Matériels utilisés 42

IV-6-Méthodologie expérimentale 43

IV-6-1-Préparation de solutions 43

IV-6-2-Préparation les phases adsorbantes 43

IV-6-2-1-Préparation du charbon à base des noyaux de dattes 43

Préparation de la matière première 43

Carbonisation des noyaux 44

Activation chimique des noyaux 45

Activation chimique par l’acide nitrique (HNO3) 45

Activation chimique par l’acide phosphorique (H3PO4) 46

IV-6-2-2-Traitement du charbon en grain (Merck) 47

Table des matières

IV-7-Protocole d’adsorption 47

Références 48

Chapitre V : Résultats et discussion

V-1-Détermination du caractère acido-basique des charbons actifs 50

V-2-Adsorption d’acide acétique sur les deux types de charbon actif 50

V-2-1 : Adsorption du CH3COOH sur le charbon des noyaux de dattes 50

V-2-1–a : Effet de la granulométrie 50

V-2-1–b : Effet de masse 52

V-2-1– c : Cinétique d’adsorption 54

V-2-2 : Adsorption du CH3COOH sur le charbon en grain Merck 55

V-2-1–a : Effet de la granulométrie 55

V-2-1–b : Effet de masse 57

V-2-1– c : Cinétique d’adsorption 58

V-3-Adsorption d’acide acétique sur les deux types de charbon activé chimiquement 60

V-3-1 : Par l’acide phosphorique (H3PO4) 60

V-3-2 : Par l’acide nitrique (HNO3) 60

V-4-Adsorption d’acide acétique sur CND broyés puis calcinés 60

V-5-Adsorption d’acide acétique sur CND calcinés puis broyés 60

V-6-Caractérisation du charbon actif valorisé 61

V-6-1-Détermination de la teneur en eau (taux d’humidité) 61

V-6-2-Détermination de la teneur en cendres 62

V-6-3-Analyse structurale par spectroscopie I R T F 63

a) Etude des fonctions de surface 63

Table des matières

b) Résultats de l’analyse IR du CND natif et CND /HNO3-CND/ H3PO4 après l’adsorption. 63

V-7-Effet de la granulométrie sur l’adsorption de CH3COOH sur le CND et le C.Merck 68

V-8-Effet de masse sur l’adsorption de CH3COOH sur le CND et le C.Merck 69

V-9-Cinétique d’adsorption sur l’adsorption de CH3COOH sur le CND et le C.Merck 70

V-10- Etude comparative d’adsorption de l’acide acétique entre les deux types d’activation 71

V-11-Etude comparative entre l’adsorption sur noyaux calcinés puis broyés et les noyaux

broyés puis calcinés. 72

Références 73

Conclusion générale 74

Annexes

Liste des figures

Liste des figures

N°de figure Désignation Page

Figure I-1 Structure du charbon actif vu sous un microscope électronique. 4

Figure I-2 Charbon actif en poudre(CAP). 5

Figure I-3 Charbon actif en granulé. 6

Figure I-4 Les étapes de fabrication du charbon actif. 7

Figure I-5 Représentations schématisées d’un grain poreux. 10

Figure I-6 Représentation de la surface externe et interne d’un matériau

poreux.

11

Figure I-7 Représentation schématique des microstructures du charbon

actif.

12

Figure I-8 Une feuille de graphène. 13

Figure II-1 Représentation de l'adsorption de l’adsorbât à la surface d’un

adsorbant.

20

Figure II-2 Schéma de l’adsorption physique. 21

Figure II-3 Étapes de transfert d’un soluté lors de son adsorption. 22

Figure III-1 Schéma datte et son noyau. 29

Figure III-2 Noyau de dattes. 30

Liste des figures

Figure IV-1 Montage pour titrage acido-basique. 41

Figure IV-2 Spectrophotomètre infrarouge. 42

Figure IV-3 Échantillons des dattes cultivés de la région d’Oued Souf. 43

Figure IV-4 Les noyaux extraits des dattes. 44

Figure IV-5 Les étapes de fabrication de noir de carbone à partir des noyaux

de dattes (ND).

45

FigureIV-6 Les étapes d'activation chimique par l’acide nitrique du charbon

(ND).

46

Figure IV-7 Les étapes d'activation chimique par l’acide phosphorique du

charbon (ND).

47

Figure V-1 Variation du pHf en fonction des diamètres du charbon des

noyaux de dattes (CND) à température ambiante.

51

Figure V-2 Variation de la concentration finale en fonction des diamètres du

charbon des noyaux de dattes (CND) à température ambiante.

52

Figure V-3 Variation du pHf en fonction des masses pour le charbon des


53

Figure V-4 Variation de la concentration finale en fonction des masses pour

le charbon des noyaux de dattes (CND) à température ambiante.

53

Figure V-5 Variation du pHf en fonction du temps pour le charbon des


54

Figure V-6 Variation de la concentration finale en fonction du temps pour le


55

Figure V-7 Variation du pHf en fonction des diamètres pour le charbon 56

Liste des figures

Merck (CAG) à température ambiante.

Figure V-8 Variation de la concentration finale en fonction des diamètres

pour le charbon Merck (CAG) à température ambiante.

56

Figure V-9 Variation du pHf en fonction des masses pour le charbon Merck

(CAG) à température ambiante.

57

Figure V-10 Variation de la concentration finale en fonction des masses pour

le charbon Merck (CAG) à température ambiante.

58

Figure V-11 Variation du pHf en fonction du temps pour le charbon Merck

(CAG) à température ambiante.

59

Figure V-12 Variation de la concentration finale en fonction du temps pour le

charbon Merck (CAG) à température ambiante.

59

Figure V-13 Spectre I.R du C. Merck 64

Figure V-14 Spectre I.R du CND avant l’adsorption. 65

Figure V-15 Spectre I.R du CND/ H3PO4 après l’adsorption 66

Figure V-16 Spectre I.R du CND /HNO3 après l’adsorption. 67

Liste des tableaux

Liste des tableaux

N° de

tableau

Désignation Page

Tableau I.1 Les avantages et les inconvénients du CAP. 5

Tableau I.2 Les avantages et les inconvénients de CAG. 6

Tableau I.3 Distribution de la taille des pores selon l’IUPAC. 10

Tableau I.4 Surfaces spécifiques de quelques matériaux adsorbants. 11

Tableau II.1 Distinction entre l’adsorption physique et chimique. 21

Tableau III.1 Composition chimique de noyaux de dattes. 31

Tableau III.2 Caractéristiques physiques des charbons actifs. 31

Tableau III.3 Analyse élémentaire, taux de cendres et d’humidité des noyaux

de datte.

32

Tableau V.1 Détermination du caractère du charbon actif. 50

Tableau V.2 Variation de la concentration et du pH en fonction de la

granulométrie pour le charbon des noyaux de dattes (CND) à

température ambiante.

51

Liste des tableaux

Tableau V.3 Variation de la concentration et du pH en fonction de la masse

pour le charbon des noyaux de dattes (CND) à température

ambiante.

52

Tableau V.4 Variation de la concentration et du pH en fonction du temps

pour le charbon des noyaux de dattes (CND) à température

ambiante.

54


granulométrie pour le charbon Merck (CAG) à température

ambiante.

55

Tableau V.6 Variation de la concentration et le pH en fonction de la masse


57

Tableau V.7 Variation de la concentration et le pH en fonction des temps


58

Tableau V.8 Taux d’humidité du charbon Merck et du charbon des noyaux

de dattes.

61

Tableau V.9 Taux de cendre du charbon Merck et du charbon des noyaux de

dattes.

62

Tableau V.10 Résultats de l’analyse I.R. 63


granulométrie pour le charbon des noyaux de dattes (CND) et le

C. Merck à température ambiante.

68

Tableau V.12 Variation de la concentration et du pH en fonction de la masse

pour le charbon des noyaux de dattes (CND) et le C. Merck à


69

Tableau V.13 Variation de la concentration et du pH en fonction du temps

pour le charbon des noyaux de dattes (CND) et le C. Merck à

70

Liste des tableaux


Tableau V-14 Etude comparative entre l’adsorption sur noyaux activé par

H3PO4 et HNO3.

71

Tableau V-15 Perte de masse 71

Tableau V-16 Etude comparative entre l’adsorption sur noyaux calcinés puis

broyés et les noyaux broyés puis calcinés.

72

Tableau V-17 Taux d’humidité (H%)et taux de cendre (Cd%) 72



Signification Abréviations et symboles

International Union of Pure and Applied

Chemistry

IUPAC

Capacité d’adsorption du support Q

Concentration initiale du substrat 0C

Concentration du substrat tC

Dichlore 2Cl

Zinc Zn

Acide sulfurique 4SO2H

Dioxyde de carbone 2CO

Eau O2H

Trihydroxyde d’aluminium 3Al(OH)

aluminiumd’ xydeO 3O2Al

Charbon actif CA

Charbon actif en poudre CAP

Charbon actif en grain CAG

https://fr.wikipedia.org/wiki/Aluminium

https://fr.wikipedia.org/wiki/Oxyde


Charbon noyaux de dattes CND

ᵖLa taille effective TE

Le coefficient d’uniformité CU

La surface spécifique BET

l'acide phosphorique 4PO3H

l’acide nitrique 3HNO

L'acide acétique COOH3CH

Hydroxyde de sodium NaOH

phénolphtaléine 4O14H20C

Millilitre ml

Gramme G

Kilogramme gK

Pourcentage %

Degré Celsius °C

Millimètre mm

Micromètre μm


Concentration initiale iC

Concentration finale fC

pH initiale ipH

pH filtrat fpH

pH surnageant surpH

Masse initiale im

Masse finale fm

Volume de la solution V

Introduction générale

1



De nos jours la demande croissante de matériaux adsorbants pour des procédés de

protection de l'environnement suscite une recherche complémentaire dans la fabrication des

charbons activés à partir de matières non classiques, concrètement à partir des déchets végétaux

[1].

Le charbon actif est l’un des matériaux adsorbants le plus utilisé pour la filtration de l’eau

et des liquides. C’est un matériau doté d’une structure poreuse extrêmement complexe et

présentant une très grande surface spécifique pouvant ainsi adsorber une grande variété de

substance.

Différentes études ont été consacrées à la production et la caractérisation de charbons

activés provenant de matériaux de différentes sources végétales d’origines variées : les bois, les

coques de noix de coco, les coques d’amandes de noisettes et de noix, la pulpe de pomme, les

noyaux d’abricot, de pêches ainsi que les noyaux d’olives et les noyaux de dattes [2-4].

Une quantité importante de noyaux de dattes est générée chaque année et constitue une

source significative de déchets agricoles. De tels sous-produits correspondants à cette perte sont

pourtant susceptibles de présenter un intérêt économique non négligeable. Il s'avère, ainsi,

important de valoriser de tels déchets [5].

Les noyaux de dattes ont fait l’objet de diverses études pour des applications variées

comme l’adsorption [6].

Le présent travail porte sur trois parties essentielles.

Une partie bibliographique qui comporte trois chapitres :

Dans le premier chapitre une étude bibliographique sur le charbon actif et les

précurseurs les plus utilisés pour la fabrication de ce dernier

Le deuxième chapitre, concerne les généralités sur l'adsorption essentiellement les

différents paramètres influant sur l'adsorption et la description de ce phénomène.

Le troisième chapitre est consacré à la présentation de notre matière première, les

noyaux de dattes.

2


Une seconde partie pratique, dont les objectifs sont les suivants :

Étudier en profondeur la transformation des noyaux de dattes en charbon activés, et les

déférents types d’activation.

Étudier l’influence des différents paramètres opératoires sur la qualité des charbons

préparés.

Caractériser les charbons obtenus, avant et après traitement.

Une troisième partie présente les résultats et discussions.

Une conclusion générale résumera les différents résultats obtenus, leurs interprétations ainsi

que diverses suggestions et recommandations.

Références

[1] M.L.Sekirifa, M.Hadj-Mahammed. Etude comparative de la capacite adsorbante d’un

charbon actif issu de noyaux de dattes et un charbon actif commercial, (2005), p. 55-59.

[2]- Laila B. Khalil. Adsorption Sci. And Technol ; Vol 17, No9, (1999).

[3]- K.Gergova, N.Petrov, S.Eser. Carbon 32,4 (1994), 693-702.

[4]- F.Rodriguez-Reinoso, J.M. Molina-Sabio, Perz-Lledo, C.Prado-Burguete. Carbon 23, 1,

(1985), 19-24.

[5] N.Bouchemal, Z. Merzougui, F. Addoun, adsorption en milieux aqueux de deux colorants

sur charbons actifs à base de noyaux de datte, (2011), 21(1), 1-14.

[6] N.Sedira, Etude de l'adsorption des métaux lourds sur un charbon actif issu de noyaux de

dattes, Univ. Mohamed-Chérif Messaidia S/A, (2013), p1.

Chapitre I :

Le charbon et les phases adsorbantes


3

I-1-Introduction

Il y a plusieurs siècles les premiers adsorbants utilisés furent les argiles et les terres

décolorantes, puis arrivé à la fin du XIX siècle, furent développés les charbons actifs. C’est en

1945 que furent reconnues les propriétés exceptionnelles d’adsorption du charbon actif.

Actuellement, le charbon actif est le plus couramment utilisé. Les charbons actifs sont définis

comme étant des matériaux carbonés très poreux qui présentent une grande surface spécifique

d’une grande porosité, d’où les propriétés d’adsorptions exceptionnelles. Le charbon actif est

un matériau solide noir carboné, sans goût, il se distingue du carbone élémentaire par

l’élimination de toutes les impuretés non carbonées et l’oxydation de sa surface. Ils sont des

adsorbants ayant un très grand nombre d’application surtout dans le traitement des eaux et

celles des eaux usées, ils sont utilisés pour purifier l’eau du goût et de l’odeur qui les affecte.

Le charbon actif présente une meilleure technologie par son adsorption et ceci pour éliminer

une variété considérable de contaminants organiques et inorganiques. Une grande variété de

matière première moins coûteuse est utilisée pour la fabrication du charbon actif [1].

I-2-Charbon actif

I-2-1-Historique

Le charbon actif est utilisé depuis longtemps pour ses propriétés épuratoires dans le

traitement de l’eau ou des gaz.

2000 ans avant JC : Utilisation par les médecins égyptiens.

1773 : Utilisation pour la purification des gaz.

1785 : Utilisation pour la décoloration des liquides.

1914 : Utilisation pour les masques à gaz.

1924 : Utilisation pour l’élimination des goûts et des odeurs.

1960 : Utilisation pour l’élimination du chlore.

1970 : Utilisation comme adsorbant.

1976 : Utilisation comme support biologique.

Pendant les guerres, le charbon actif a été développé pour le traitement des gaz toxiques.

Après la seconde guerre mondiale, le milieu industriel s’est intéressé à ce matériau. Plus tard,

l’apparition des micropolluants dans les eaux a nécessité de nouvelles techniques de

traitements. La capacité du charbon actif à retenir des molécules à faible concentration

convenait parfaitement. La banalisation de son utilisation est due à l’augmentation de la

quantité de pesticides présents dans les eaux et à la législation de plus en plus stricte.


4

Néanmoins la connaissance de ce matériau reste partielle [2].

I-2-2-Définition

Le charbon actif est un carbone microporeux inerte qui a subi un traitement pour

augmenter sa surface. Il possède ainsi une très grande surface spécifique pouvant aller de 100

à 2000 m2 .g-1 d'où sa grande capacité d'adsorption.

La structure du charbon actif est proche de celle du graphite, ordonnée sous la forme d'un

empilement de couches successives planes d'atomes de carbone disposés en hexagones

réguliers [3].

Le charbon actif est un adsorbant non spécifique avec une structure poreuse bien

développée formée majoritairement par des micropores et des mésopores de différents

diamètres [4], elle est représentée sur la (figure I.1).

Figure I.1 : Structure du charbon actif vu sous un microscope électronique [3].

I-3- Différents types de charbon actif

I-3-1-Origine végétale

Le charbon végétal actif est obtenu par carbonisation de la matière végétale grâce à un

procédé appelé activation. La surface d’adsorption est ensuite augmentée. Ce procédé a pour

effet de créer à la surface du charbon d’innombrables pores ou orifices microscopiques qui

vont attirer les molécules des différentes substances chimiques [5].


5

I-3-2-Charbon actif en poudre (CAP)

Le charbon actif en poudre présente une granulométrie inférieure à 100 micromètres (100

μm) avec un diamètre moyen situé entre 15 et 25 μm. Il a une large surface externe et une

faible profondeur de diffusion ce qui engendre une vitesse d'adsorption très rapide [6].

Figure I.2 : Charbon actif en poudre(CAP).

Le tableau suivant résume quelques avantages et inconvénients du charbon en poudre.

Tableau I.1 : Les avantages et les inconvénients du CAP [7].

Avantages Inconvénients

Les CAP sont environ 2 à 3 fois moins

chers que les CAG (peu couteux).

Leur dosage en quantité réglable peut

suivre la concentration des polluants si

celle-ci est connue.

Leur cinétique d’adsorption est rapide.

Favorise la décantation

Leur emploi ne nécessite qu’un inves-

tissement réduit quand le traitement ne

comporte qu’une étape de floculation-

décantation.

La régénération est impossible.

Il est difficile d’éliminer les dernières

traces d’impuretés sans addition d’un

excès.

La détection des points de pollution est

problématique.

La concentration applicable est limitée à

80 mg/l.

Il est utilisé essentiellement à l’occasion

de dosages discontinus ou de faible

importance.

I-3-3-Charbon actif en grain (CAG)

La forme granulaire du charbon est caractérisée par une taille des particules supérieure à

1 millimètre (1 mm), un faible diamètre des pores, une grande surface interne et une surface


6

externe relativement faible. Il en résulte que les phénomènes de diffusion à l'intérieur des

pores prennent une grande importance dans le processus d'adsorption [6].

Figure I.3 : Charbon actif en granulé

Le tableau suivant résume quelques avantages et inconvénients du charbon en grain.

Tableau I.2 : Les avantages et les inconvénients de CAG [8].

Avantages Inconvénients

Le CAG est utilisé sous forme de lit La cinétique d’adsorption est lente. filtrant. Il est plus coûteux que le CAP.

Il est facile à manipuler.

Sa régénération est possible.

I-4-Fabrication du charbon actif

La fabrication du charbon actif passe nécessairement par l'identification et le choix de la

matière première. Les matières premières peuvent être obtenues à partir d’un grand nombre

de matériaux contenant le carbone d’origine végétale, animale ou minérale.

Origine végétale

Il existe une multitude de produits d’origine végétale qui peuvent intervenir dans la

synthése des charbons actifs et sous différentes formes variées :

Déchets agricoles non utilisables, exemple : noyaux de fruit, coque de noix de coco[9,

10], bagasse de canne à sucre [11, 12], noyaux de dattes [13-18].

Paille et enveloppes de céréales, exemple : blé et riz[19]

Arbre sous forme de copeaux ou de sciure de bois, exemple : bouleau, chêne,

eucalyptus [12, 20], lignite[21].


7

Origine animale

Les charbons activés sont essentiellement obtenus à partir d’ossements d’animaux, mais

aussi à partir de leur sang et de leur chair.

Origine minérale

Les charbons actifs sont obtenus en grandes majorité à partir de matériaux

combustibles comme le charbon minéral (houille, coke) ou la tourbe.

Sa fabrication se déroule en deux étapes :

Phase de carbonisation : Elle consiste à éliminer les matières volatiles par voie

thermique (500-700°C) en présence de sels métalliques pendant 5 à 6 heures.

Phase d’activation : Une activation physique permet d’augmenter sa surface spécifique

faible (de 5 à 6 m2/g initialement à 600-2000 m2/g). C’est une oxydation, à

température élevée (800-1000°C), pendant 24 à 72 heures, en présence de vapeur

d’eau, de CO2 ou d’oxygène.

Une autre méthode de fabrication est l’activation chimique, la carbonisation et

l’activation sont simultanées. Lors de cette méthode, on utilise directement sur le matériau

brut, des agents déshydratants et des oxydants minéraux (H3PO4, H2SO4, Zn, Cl2) à haute

température (400-600°C) pendant 5 à 24 heures [2].

Les différentes étapes de fabrication de charbon actif se résument dans le tableau qui suit :

Figure I.4 : Les étapes de fabrication du charbon actif [22].


8

I-5-Les types d'adsorbants

L’adsorption est un phénomène de surface d’où l’intérêt de connaissance des propriétés

physiques des matériaux adsorbants telles que, la porosité, la surface spécifique, la densité

apparente et réelle [23].

I-5-1- Les charbons actifs [23]

Les charbons actifs sont préparés par pyrolyse d'une matière contenant du carbone,

charbon ou matériau végétal, pour conduire à un charbon de bois qui est ensuite oxydé par la

vapeur d'eau dans des conditions contrôlées pour créer une structure microporeuse. Il existe

plusieurs centaines de qualités de charbons actifs, suivant le précurseur et les conditions de

traitement. On peut aussi trouver des charbons actifs dits « chimiques », car activés à chaud

en présence d'agents chimiques déshydratants, acide phosphorique ou chlorure de zinc. Ce

sont des adsorbants hydrophobes dont la surface spécifique se situe entre 500 et 1500 m2 /g.

Leur porosité, leur vaste domaine d’application et leur coût font des charbons actifs les

adsorbants les plus répandus.

- La régénération

Lorsqu’il est utilisé en tant qu’adsorbant, le CA se sature progressivement et il finit par

ne plus pouvoir fixer les molécules à sa surface. Afin de valoriser au mieux ce matériau et ne

pas en faire un déchet ultime, il apparait donc important de pouvoir le régénérer de façon à ce

qu’il puisse retrouver ses propriétés initiales d’adsorbant.

Il existe un certain nombre de techniques de régénération : thermique, à la vapeur d’eau,

chimique (extraction par solvant, par fluide supercritique ou décomposition des adsorbats par

des agents oxydants ou réducteurs), électrochimique ou encore biologique [24]

I-5-2 -Les adsorbants minéraux

Les adsorbants minéraux peuvent exister à l’état naturel ou synthétisés.

Les argiles

Les argiles sont des aluminosilicates. Ce sont des produits naturels, qui sont activés pour

avoir de meilleures propriétés adsorbantes.

Les zéolithes

Les zéolithes sont des adsorbants de squelette cristallin aluminosilicate tridimensionnel

constitué de tétraèdres SiO4 et AlO4, de formule globale (AlO2M, nSiO2) où M représente le


9

plus souvent un métal alcalin ou alcalino-terreux et n ≥1. Il existe plus de 100 espèces de

zéolithes, différent par la valeur de n et la structure cristallographique. Ils ont une structure

microporeuse faite de cavités et de canaux qui leur confère des propriétés adsorbantes. Ils sont

sous forme de poudre, granulés ou extrudés. La surface spécifique ne dépasse pas 900 m2 /g.

mais, ils présentent une bonne sélectivité [25].

Les alumines activées

Les alumines activées sont obtenues par thermolyse flash du trihydroxyde d'aluminium

Al(OH) 3 qui conduit à un produit de composition approximative Al2O3, 0.5 H2O, possédant

une structure poreuse résultant du départ de molécules d'eau. La surface des pores est

couverte de groupements Al-OH, et l'adsorption se fait préférentiellement par liaison

hydrogène. Les alumines activées sont des adsorbants amorphes, moyennement polaires et

hydrophiles. Ils ont une surface spécifique de 300 m2 /g [26].

Les gels de silice

Les gels de silice sont préparés à partir de Si(OH)4 en phase aqueuse, obtenus par

acidification d'un silicate de sodium, ou bien à partir d'un sol de silice. Les groupements

Si-OH conduisent à des liaisons hydrogène.

Il existe deux types de gels de silice : les microporeux, assez hydrophiles, et les macroporeux,

versatiles, qui diffèrent par la taille des pores comme le nom l'indique. Leur surface spécifique

peut être de 300 à 800 m2 /g [27].

I-5-3-Les adsorbants à base de polymère

Ce sont pour la plupart des produits en développements qui n'ont actuellement que des

applications très spécifiques et peu nombreuses. Le plus répandu est un copolymère du

styrène et du divinylbenzène : le polystyrène forme des chaînes reliées entre elles par des

ponts de divinylbenzène, ce qui confère une porosité interchaînes à la structure.

Une caractéristique importante de ces adsorbants est qu'ils sont très hydrophobes. Ces

produits peuvent être utilisés tel quel ou subir une carbonisation. On obtient alors des

adsorbants voisins des charbons actifs. Si le polymère initial est préparé en fibres, on peut le

tisser et obtenir des tissus de charbon actif.


10

Le diamètre de fibre étant de l'ordre de 10 microns, le temps de transfert est beaucoup

plus rapide que pour tous les autres adsorbants. Sa surface spécifique peut atteindre pour les

tissus de charbon actif 2000 m2 /g [28].

I-6- Caractéristiques du charbon activé

I-6-1 Caractéristiques physiques

Structure poreuse d’un charbon activé

La structure d’un solide est définie par deux principaux paramètres : la porosité et la

surface spécifique qui dépend directement du volume poreux [29]. Selon la définition de

l’IUPAC [30], la porosité est divisée en trois domaines :

Tableau I.3 : Distribution de la taille des pores selon l’IUPAC [30]

Figure I.5 : Représentations schématisées d’un grain poreux [31]

Surface spécifique

La surface spécifique d'un adsorbant est une surface par unité de masse. Elle est

généralement exprimée en m2.g-1. Son estimation est conventionnellement fondée sur des

mesures de la capacité d'adsorption de l'adsorbant en question, correspondant à un adsorbat

donné [32].

Dénomination Diamètre (A°)

Macropores >500

Mésopores 20-500

Micropores <20


11

Le tableau ci-dessous résume quelques surfaces spécifiques de certains adsorbants.

Tableau I. 4 : Surfaces spécifiques de quelques matériaux adsorbants [33]

Matériaux adsorbants Surfaces spécifiques (m2.g-1)

Alumine activée 200-400

Tamis moléculaires carbonés 300-600

Adsorbants à base de polymère 100-700

Zéolites 500-800

Gel de silice 600-800

Charbons actifs 400-2000

Il est nécessaire de distinguer la surface interne de la surface externe d'un adsorbant. La

première est la surface microporeuse représentée par les parois des micropores ; elle peut

atteindre plusieurs mètres carrés par gramme.

La deuxième est la surface non microporeuse qui comprend les parois des mésopores et

des macropores, ainsi que la surface des feuillets aromatiques [32], elle est représentée sur

la figure. I.6.

Figure I.6 : Représentation de la surface externe et interne d’un matériau poreux [34].


12

Figure I.7 : Représentation schématique des microstructures du charbon actif [35].

Granulométrie

Elle conditionne la vitesse d'adsorption, plus le grain est petit, plus le transfert vers le

centre est rapide [36].

Humidité et teneur en cendres :

Ces deux paramètres sont également importants lorsqu’il s’agit de sélectionner un

charbon actif. À la livraison, l’humidité doit être inférieure à 5% tandis que la teneur en

cendres ne doit pas dépasser 10% sinon le pH risque d’atteindre des valeurs élevées et de

causer la précipitation des carbonates de l’eau sur le charbon. Ceci entraîne évidemment une

baisse de la capacité d’adsorption [37].

Densité apparente

Elle rend compte de la masse de matériau contenue dans un volume donné, comprenant

le volume d'air interstitiel. Une valeur élevée de densité apparente indique une meilleure

qualité de charbon actif. Elle est exprimée en kg. m-3[36].

I-6-2 Les caractéristiques chimiques

Les propriétés chimiques superficielles d'un charbon actif dépendent fortement de la

présence et de la nature des complexes oxygénés. Ceux-ci sont responsables en grande partie

de ses propriétés acido-basiques superficielles lesquelles jouent un rôle important dans le

phénomène d'adsorption [38].


13

Les charbons sont classés en deux types, selon leur caractère acido-basique :

- Les charbons de type L qui présentent un caractère acide, et qui possèdent des

caractéristiques de nature hydrophile

- Les charbons de type H au caractère basique possédant une surface de nature hydrophobe.

I-7-Structure interne du charbon actif

La structure des charbons actifs est constituée d’une association aléatoire de plans

d’atomes de carbone. Ces atomes sont organisés sous forme de cycles aromatiques qui

forment des feuillets de carbone appelés graphène. Le graphène a une structure

bidimensionnelle d’atomes de carbone rappelant celle d’un nid d’abeille (Figure I-8).

Figure I.8 : Une feuille de graphène [35]

I-8-Domaines d’utilisation des charbons actifs

Les domaines d'application des charbons actifs sont nombreux et variés :

Filtration

Décontamination de l'eau potable : le charbon actif retient un grand nombre de composés

organiques, tels les pesticides. Cet usage représente 20 % du marché mondial.

masques à gaz.

filtres à cigarettes.

Egalement utilisé pour filtrer les polluants organiques.

Chimie

Décoloration des eaux : eau potable et autres liquides alimentaires (boissons gazeuses, etc).

Décoloration du sucre.

Décaféination du café.

Support pour métaux catalytiques ultra divisés, par exemple, platine sur le charbon actif.

Elimination des hydrocarbures dans l’eau.


14

Industrie

Extraction de l’or de ses minerais.

Stockage de l’hydrogène (nano fibre de charbon actif).

Médecine

Anti-diarrhéique dans les cas des diarrhées.

Aigreurs d'estomac, aérophagies, flatulences.

Epuration digestive et abaissement du taux de cholestérol.

Traitement de l’intoxication alimentaire.

Antidote en cas d’intoxication par médicaments, produits chimiques, métaux lourds,

détergents, solvants organiques [39].

Catalyseur

Le charbon peut agir comme catalyseur de différentes réactions (hydrogénation,

oxydation et polymérisation) du fait de ses propriétés électroniques tantôt de conducteur,

semi-conducteur ou d’isolant.

Support catalytique

Le charbon actif dispose de plusieurs avantages permettant de l’utiliser comme support

catalytique : surface spécifique élevée, résistance à l’attrition, stabilité chimique à la fois en

milieu acide et basique, stabilité thermique relativement importante, variété de formes

(poudre, granules, extrudes, tissus, fibres, …) et de propriétés physico-chimiques (distribution

de taille de pores, polarite de surface …). De plus, après réaction, le charbon actif peut être

brûlé pour récupérer les métaux qui s’accumulent dans les cendres [40].

I-9-Conclusion

Comme nous venons de le voir, de par ses propriétés physico-chimiques particulières, le

charbon actif peut jouer différents rôles en traitement des eaux : adsorbant, mais aussi

catalyseur direct d’oxydation pour certains polluants. On peut conclure que l'application

industrielle du charbon actif dans l'adsorption de certains polluants chimiques susceptibles

d'être présents dans les effluents industriels liquides et gazeux est importante vue sa grande

surface spécifique, sa disponibilité et son faible coût [41].

En revanche la surface spécifique et la structure poreuse de charbon actif dépendent

beaucoup des matières de départ et du mode de traitement. Les noyaux de dattes sont

considérés comme un bon précurseur utilisé dans le domaine de fabrication du charbon actif

[42].


15

Références

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17

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18

[37] Degremont, ״ Mémento. Technique de l’eau10 .״ ème édition copyright, (2005).

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[41] Document en ligne, disponible sur˂http://www.memoireonline.com/11/13/7701/m_L-

utilisation-industrielle-du-charbon-actif10.html˃.

[42] N.Sedira, Etude de l'adsorption des métaux lourds sur un charbon actif issu de noyaux de

dattes, Univ. Mohamed-Chérif Messaidia S/A, (2013), p73.

http://www.memoireonline.com/11/13/7701/m_L-utilisation-industrielle-du-charbon-actif10.html

http://www.memoireonline.com/11/13/7701/m_L-utilisation-industrielle-du-charbon-actif10.html

Chapitre II :

Aspects fondamentaux sur l’adsorption


19

II-1-Introduction

L’adsorption est un phénomène qui a été observé pour la première fois par C.W.Scheele

pour les gaz et par Lowitz en 1785 et Kraemer en 1930 pour les solutions [1]. Aujourd’hui,

elle est reconnue comme un phénomène significatif dans la majorité des processus physique,

biologique et chimique. L’adsorption, particulièrement par le charbon actif est devenue une

opération très utilisée pour la purification des eaux, eaux usées et dans une gamme variée de

problèmes environnementaux.

Dans ce chapitre nous allons donner quelques généralités sur l’adsorption pour mieux

définir l’importance de ce processus, expliquer sa cinétique, ses caractéristiques et les

éléments influant l’adsorption.

II-2- La théorie d’adsorption

II-2-1-Définition

L’adsorption est un procédé de traitement, bien adapté pour éliminer une très grande

diversité de composés toxiques dans notre environnement. Elle est essentiellement utilisée

pour le traitement de l'eau et de l'air. Au cours de ce processus, les molécules d'un fluide (gaz

ou liquide), appelé adsorbat, viennent se fixer sur la surface d'un solide, appelé adsorbant,

représenté par la (Figure II.1).Ce procédé définit la propriété de certains matériaux de fixer à

leur surface des molécules (gaz, ions métalliques, molécules organiques, etc.) d’une manière

plus ou moins réversible. Au cours de ce processus, il y aura donc un transfert de matière de

la phase aqueuse ou gazeuse vers la surface solide. Le solide acquiert alors des propriétés

superficielles (hydrophobie ou hydrophilie) susceptibles de modifier l’état d’équilibre du

milieu (dispersion, floculation) [2-4].

La nature des liaisons formées ainsi que la quantité d'énergie dégagée lors de la rétention

d'une molécule à la surface d'un solide permettent de distinguer deux types d'adsorption :

adsorption physique et adsorption chimique [3, 5 ,6].


20

Figure II.1 : Représentation de l'adsorption de l’adsorbât à la surface d’un adsorbant [7]

II-2-2-Les types d’adsorption [8]

Selon les types et la nature des interactions adsorbat-adsorbant ou les forces qui

maintiennent les adsorbats sur la surface solide, on distingue deux types d’adsorption : la

physisorption et la chimisorption.

II-2-2-1-Adsorption physique [9]

L’adsorption est dite adsorption physique lorsqu’elle est due à des forces d’interaction

physiques entre les atomes, ou groupements d’atomes du solide et les molécules de fluide.

Ces interactions sont aussi appelées forces de Van Der Waals. Elles sont dues au mouvement

des électrons à l’intérieur des molécules qui peuvent engendrer de petits moments dipolaires

instantanés. Des interactions électrostatiques peuvent aussi se combiner aux forces de Van

Der Waals (figure II.2).

La physisorption présente un intérêt particulier car elle permet de mesurer la surface

spécifique du solide adsorbant et la taille moyenne des pores grâce à des critères [10].

La chaleur d’adsorption dégagée est de l’ordre de 20 kJ / mole.

La vitesse du processus d’adsorption est très rapide.

La quantité adsorbée décroît avec l’élévation de la température.

L’adsorption physique est complètement réversible.

L’adsorption se fait en plusieurs couches possibles.


21

Figure II.2 : Schéma de l’adsorption physique [11]

II-2-2-2-Adsorption chimique

L’adsorption chimique ou chimisorption ou encore adsorption activée résulte d’une

interaction chimique qui se traduit par un transfert d’électrons entre le solide et l’adsorbat.

Il y a alors formation d’un composé chimique à la surface de l’adsorbant. Ce type

d’adsorption se développe à haute température et met en jeu une enthalpie de transformation

élevée.

Le tableau (II.1) regroupe quelques critères de distinction entre l'adsorption physique et

chimique.

Tableau II.1. Distinction entre l’adsorption physique et chimique [12]

Propriétés Adsorption physique Adsorption chimique

Température du processus

Relativement basse Plus élevé

Chaleur d’adsorption 5 Kcal/mol environ 10 Kcal/mol environ

Liaisons Physiques : Wan der Waals Chimiques

Cinétique Rapide, reversible Lente, irréversible

Spécificité Processus non spécifique Processus très spécifique

Désorption Facile Difficile

Couches formées mono ou multicouches Uniquement monocouches


22

1 Eau libre

Eau liée 2

3

4

II-3-Cinétique d'adsorption

La connaissance des paramètres de l'équilibre d'adsorption permet de déduire les

capacités d'adsorption d'un support. La détermination des paramètres cinétiques doit en plus

être réalisée pour la prévision de l'allure des courbes. Le transfert d'un adsorbat de la phase

liquide vers un site d'adsorption [13], représenté par la (Figure II.3) fait intervenir les étapes

suivantes :

Figure II .3 : Étapes de transfert d’un soluté lors de son adsorption

Étape n°1 : Transfert de la particule de la couche externe d’hydratation vers la couche interne

(Étape très rapide).

Étape n°2 : Déplacement de l’eau liée jusqu’au contact avec le charbon. (Étape rapide).

Étape n°3 : Diffusion à l’intérieur du charbon sous l’influence du gradient de concentration.

(Étape lente).

Étape n°4 : Adsorption dans un micropore. (Étape très rapide) [14].

IІ-4-Mécanisme d’adsorption

Pour mieux qualifier et quantifier la rétention, il convient de s’intéresser aux phénomènes

se produisant à l’échelle moléculaire, c’est-à-dire aux mécanismes d’adsorption, les liaisons

(composes-adsorbant) sont de deux types :

Liaisons de fortes énergies (>80 kJ. mol-1) : liaisons ioniques et échanges de ligands ;

Liaisons de faibles énergies (< 80 kJ. mol-1) : interactions dipôle-dipôle, liaisons

hydrogène, interactions hydrophobes.


23

Sur la base de ces liaisons, quatre mécanismes principaux peuvent être distingué [15] :

Adsorption par liaison ionique ou échange d’ions

Adsorption par liaison hydrogène.

Adsorption par les forces de Van der Walls.

Rétention hydrophobe.

II-5-Facteurs influençant le phénomène d’adsorption [16]

Plusieurs paramètres influent sur l’adsorption. Les plus importants sont la température, la

nature de l’adsorbat et de l’adsorbant.

II-5-1-La température

La quantité adsorbée à l’équilibre augmente quand la température diminue, de plus,

l’adsorption libère une chaleur d’adsorption comme toute réaction exothermique, elle est donc

favorisée par les basses températures.

II-5-2- Facteurs caractérisant l’adsorbant

Un solide adsorbant est caractérisé par des propriétés physicochimique, mécanique et

géométrique, les plus importantes sont les propriétés géométriques.

Surface spécifique

Plus la surface spécifique est grande, plus on aura une meilleure adsorption, ceci a été

montré dans l’étude d’adsorption de la tyrosine sur charbon actif [17].

La polarité

Les solides polaires adsorbent préférentiellement les corps polaires, et les solides

apolaires adsorbent les corps apolaires.

L’affinité pour les substrats croit avec la masse moléculaire de l’adsorbat.

L’adsorption est plus intense pour les corps qui ont relativement plus d’affinité pour le soluté

que pour le solvant [18 ,19].

La structure de l’adsorbant

L’adsorption d’une substance croit avec la diminution de la taille des particules et les

dimensions des pores de l’adsorbant. Mais si le diamètre des pores est inférieur au diamètre


24

des molécules, l’adsorption de ce composé sera négative, même si la surface de l’adsorbant a

une grande affinité pour le composé.

La distribution des tailles des pores joue un rôle important dans la cinétique globale du

processus d’adsorption.

Masse de l’adsorbant

La capacité d’adsorption est d’autant plus grande que la masse de l’adsorbant dans la

solution est importante. Du fait du coût élevé des adsorbants, le choix d’un rapport liquide –

solide optimal est recommandé [20].

II-5-3- Facteurs caractérisant l’adsorbat

Toutes les substances ne sont pas adsorbables au même titre. La capacité de rétention

d’un polluant est fonction :

- De l’énergie de liaison de la substance à adsorber.

- De sa structure et taille des molécules ; un haut poids moléculaire réduit la diffusion et

par conséquent la fixation de l’adsorbat.

- De sa solubilité ; moins une substance est soluble, mieux elle est adsorbée.

- De sa concentration.

II-6- Isothermes d’adsorption

II-6-1-Capacité d'adsorption

La capacité d'adsorption d'un adsorbant est définie comme étant la quantité de substrat

(masse ou volume) adsorbée par unité de poids d'adsorbant pour une température donnée. Elle

nécessite la prise en compte de nombreux paramètres aussi bien pour l'adsorbat (taille des

molécules, solubilité dans l'eau, etc.…) que pour l'adsorbant (surface spécifique, structure et

type de particules, le constituant etc.…).

Elle peut être généralement exprimée par la relation suivante [21] :

Q= (C0- Ct).V / m

Sachant que :

Q : Capacité d'adsorption du support (mg.g-1).

C0 : Concentration initiale du substrat (mg.L-1) à t = 0.

Ct : Concentration du substrat (mg.L-1) à l’ instant t du processus d'adsorption.


25

V : Volume de la solution (litre).

m : Masse du support (g).

II-6-2- Concept d’isotherme d'adsorption

Les isothermes d'adsorption sont des courbes expérimentales qui représentent les

variations (masse ou volume) du substrat adsorbent (gaz ou liquide) par poids d'adsorbant en

fonction de la concentration (en phase liquide) ou de la pression (en phase gazeuse). Elles

sont exprimées généralement sous formes d'équations mathématiques, non cinétiques,

lesquelles sont obtenues à partir d'expériences réalisées en réacteur statique [22]. Elles

permettent essentiellement :

De déterminer le taux de recouvrement de la surface d'un support par un substrat.

D’identifier le type d'adsorption pouvant se produire.

De choisir l'adsorbant qui conviendrait le mieux à la rétention de l'adsorbat.

Cependant, les isothermes d'adsorption n'expliquent pas les mécanismes d'adsorption. Ils

conduisent seulement à une comparaison de différents systèmes entre eux [22].

II-7-Conclusion

Le phénomène d’adsorption présente l’avantage de pouvoir être appliqué aux traitements

de divers effluents.

Au cours de ce chapitre, il nous a été possible de définir l’adsorption comme étant

essentiellement une réaction de surface et de différencier entre la physisorption et la

chimisorption.


26

Références

[1] E. Kraemer, O., « colloides, » Chapter XX in a treatise on physical chemistry, H. S, Taylor

(editor), second edition, Vol. II, D. van Nostrand Company, Inc., New York, (1930), p.1653.

[2] R. Desjardins. Le traitement des eaux 2èmeédition revue. Édition de l'école polytechnique

de Montréal, (1990).

[3] M. El Azzouzi, Persistance, mobilité et photodégradation de l’imazapyr dans le sol et

l’eau, Thèse d’état. (1999).

[4] M. Arias, M. T. Barral, J. C Mejuto, J. Chemosphere, 48, 1081–1088, (2002).

[5] M. H. Rachidi. Etude de l'adsorption de l'Octaéthylporphyrine de Nickel sur les apatites

phosphocalciques. Mémoire de CEA. (1994).

[6] E. Mechrafi. Adsorption, désorption et mobilité des herbicides au contact des adsorbants

organiques et minéraux. Thèse de doctorat (2002).

[7] Khairo, Elimination d’As sur charbon actif, Memoire Master de l’Universite Annaba.

(2010) 14-20.

[8] C.E. Chitour, Physico-chimie des surfaces, Volume 2, Les interfaces gaz-solide et liquide-

solide, Édition O.P.U. Alger. (1992).

[9] M. Suzuki. Adsorption engineering. Elsevier. (1990).

[10] M. Slasli. A. Modélisation de l’adsorption par les charbons microporeux : Approches

théorique et expérimentale ; Université de Neuchatel, (2002).

[11] E. Koller, Aide-mémoire Génie chimique, 2ème Edition DUNOD. Avril (2005) 364-366.

[12] C.E Chitour. Physicochimie des surfaces. Office des publications universitaires (2004).

p: 87-100.

[13] J. Avom, J. Ketcha Mbadcam, M.R.L. Matip, P. Germain, Adsorption isotherme de

l’acide acétique par des charbons d’origine végétale African Journal of Science and

Technology (AJST) Science and Engineering Series Vol. 2, No. 2, p. 1-7 Institut National des

Sciences Appliquées France (2001).


27

[14] C. CARDOT, ״ Les traitements de l’eau. Procédés physico-chimiques et biologiques

(Cours et problèmes) ״. Edition Ellipses, (1999).

[15] H. Montacer. Contribution à l'etude du devenir de la Therbuthylazine dans le sol et l'eau

(1999).

[16] H. Boulkrah, Etude comparative de l’adsorption des ions plomb sur différents adsorbants,

Univ. 20 août 1955 SKIKDA (2008), p59.

[17] Bouchemal (2007).

[18] Degremonts Memoto-Technique de l’eau Lavoisier et documentation (1989).

[19] C.E Chittour, Physicochimie des surface : L’adsorption gaz-solide et liqude-solide,

p.415-17.

[20] Riaz et al. (2002).

[21] I. M., Monarrez, Rétention de pesticides dans les sols des dispositifs tampon, enherbes et

boises role des matieres organiques. Paris – Grignon (2004).

[22] E. L. Slejko and M Dekker., Adsorption Technology ; A step by step approach to process

avaluation and application (1985).

Chapitre III :

Charbon à base des noyaux de dattes

28


III-1-Introduction

Les dattes, fruits du palmier dattier (phoenix dactylifera L.), très exploité en Afrique

méditerranéenne, en particulier dans le Sud algérien, constituent un aliment fondamental pour

les musulmans durant toutes les saisons, et, particulièrement, pendant le mois sacré de

Ramadhan, et ce par sa richesse en différents éléments nutritifs indispensables à notre santé [1].

Quantitativement, l’Algérie représente 7% de la production mondiale. En revanche, du

point de vue qualitatif, elle occupe le premier rang grâce à la variété Deglet-Nour, la plus

appréciée mondialement [2].

Les noyaux du palmier dattier sont des déchets de beaucoup d’industries de sa

transformation. Plusieurs études sont consacrées à la caractérisation physico-chimique des

noyaux de dattes [3].

Le rejet de ces sous-produits constitue une véritable perte économique puisqu’ils sont

riches en éléments nobles pouvant être valorisés. Dans la majorité des pays producteurs de

dattes, les noyaux sont jetés ou partiellement incorporés dans l’alimentation animale [4].

III-2-Les dattes

III-2-1- Définition

La datte est une baie, de forme généralement allongée. Sa dimension varie de 1,5 à 8 cm

de longueur et son poids varie de 2 à 20 g. Sa couleur va du blanc jaunâtre au sombre très foncé

presque noir, en passant par les ambres, rouges et bruns. La datte contient une seule graine dite

"noyau". La partie comestible de la datte, est dite "chair" ou "pulpe", donc elle se compose de :

A. Partie comestible, représentée par le mésocarpe dont la consistance peut être selon les

variétés, le climat ainsi que la période de maturation :

Molle : le mésocarpe est très humidifié avec peu de saccharose (31% d'eau).

Demi molle : telle que la Deglet Nour (18% d'eau).

Sèche : telle que la Degla Beida, Hamraia et la Mech Degla (12% d'eau).

B. Partie non comestible, formée par la graine ou le noyau, ayant une consistance dure. Le

noyau représente 10 à 30 % du poids de la datte [1].

29


Figure III-1 : Schéma datte et son noyau [5].

III-2-2-Les variétés cultivées

Il existe environ 200 variétés de dattes cultivées en Algérie qui se différencient par leur

qualité et leur appréciation sur le marché. Les principales variétés sont les suivantes :

Deglet Nour.

Degla Beida.

Mech Degla.

Ghars.

Les autres variétés ont une importance économique très réduite car elles sont peu

appréciées dans le Nord du pays et nullement à l'étranger [1].

III-2-3-Deglet Nour [1]

Variété commerciale par excellence, la datte molle est considérée comme étant la meilleure

variété de datte, du fait de son aspect, son onctuosité et sa saveur. Le rendement varie de 150 à

200 kg/arbre. Cette variété est caractérisée par une maturation échelonnée sur un même régime

qui fait qu'elle se subdivise en plusieurs classes :

Dattes extra (1er choix).

Dattes standards.

Dattes marchandes.

30


III-3-Noyaux de dattes (ND) [3]

III-3-1-Définition

Le noyau est entouré d'un endocarpe parcheminé ; il est de forme allongée, plus ou moins

volumineux, lisse ou pourvu de protubérances latérales en arêtes ou ailettes, avec un sillon

ventral; l'embryon est dorsal, sa consistance est dure et cornée (Figure III-2) .

Le noyau possède un albumen (endosperme) dur et corné dont l'embryon dorsal est toujours

très petit par rapport à l'albumen (2 à 3 mm).

Figure III-2 : Noyau de dattes.

III-3-2- Origine des noyaux de dattes [6]

Le genre Phoenix dactylifera L. fait partie de la c1asse des Monocotyledones, d'une famille

de plantes tropicales (Palmoe ou Arecaceae) est représentée par 200 genres et 2700 espèces

réparties en six sous familles ; la sous famille des Coryphoideae elle-même subdivisée en trois

tribus.

Le palmier dattier est une plante dioïque. II comporte des pieds males et des pieds femelles

(nakhla). II se multiplie aussi bien par semis de graines (noyau) que par plantation de rejets.

L’Algérie produit annuellement 450.000 tonnes de dattes qui peuvent présenter au

minimum 10 % (45000 tonnes) de noyaux par an. Cette fraction est raisonnable pour

l’installation de leurs transformation en matière première dans la production de charbon actif.

La méthode de traitement est économique, peu coûteuse.

Sillon Tégument

Albumen

Embryon

Embryon

Sillon

31


III-3-3-Composition chimique

Le poids moyen d’un noyau de datte oscille autour d’un gramme. Il représente 7 à 30% du

poids de la datte. Il est constitué d’un albumen corné, de consistance dure et protégé par une

enveloppe cellulosique [7].

Le tableau III.1 représente la composition chimique de noyaux de dattes tandis que le

tableauIII.2 regroupe quelques caractéristiques d'un charbon actif issu de ces noyaux et d'un

charbon actif commercial.

Tableau III.1 : Composition chimique de noyaux de dattes [8].

Tableau III.2 : Caractéristiques physiques des charbons actifs [9].

La composition en éléments principaux, les taux de cendres et d'humidité des noyaux de dattes

sont donnés dans le tableau III.3.

32


Tableau III.3 : Analyse élémentaire, taux de cendres et d’humidité des noyaux de datte

de la variété « Deglet-en-Nour » de la région des oasis de Biskra.

NOYAUX DE

DATTES

Analyse élémentaire (%) Cendres

(%)

Eau

(%) C H N S O

42.31 6.73 0.98 0.25 45.54 1.70 12.00

D'après le tableau III.3 : Comme tout dérivé ligno-cellulosique, la teneur principale est attribuée

au carbone qui constitue environ 42.31 % de la composition totale. Tandis que le taux de cendre

est très faible, ceci est une caractéristique intéressante en vue de son utilisation pour la

préparation de charbon actif [10].

III-4-Préparation du charbon actif à base végétale [11]

III-4-1-Décomposition thermique des matériaux végétaux

Nous pouvons admettre que la décomposition thermique des végétaux est le résultat de

la décomposition séparée de chacun de ses composants. Ce processus se présente en trois

parties qui sont:

*La décomposition thermique de l’hémicellulose entre 200 et 260°C.

*La cellulose entre 240 et 350°C.

*La dégradation de la lignine entre 280 et 500°C [12].

Quand le chauffage a lieu sous atmosphère oxydante, on réalise une combustion du matériau

qui aboutit au cendre dont on peut évaluer la quantité en pourcentage du poids initial, variant

entre 0 et 15%. Si le chauffage a lieu sous une atmosphère inerte, on parlera de pyrolyse.

III-4-2-La pyrolyse:

Il s’agit d’un processus dans lequel un échantillon est soumis à des températures élevées

sous atmosphère inerte. Son principe est de dégager l’humidité et les matières volatiles. Le

résultat de cette pyrolyse est un résidu solide à haute teneur en carbone, présentant une

micropirosité rudimentaire qui pourra être ensuite développée dans le processus

d’activation[13,14]. Les principaux paramètres pouvant déterminer la qualité, le rendement et

les propriétés du pyrolysat sont:

-La vitesse du chauffage du four (°C/min).

-La température finale de pyrolyse (°C).

33


-Le temps de résidence dans le four (h ou min).

-La nature du matériau de départ.

En conclusion, le temps de résidence nécessaire correspond à la durée d’égalisation de la

température entre l’intérieure et l’extérieure de la particule en question.

Le but d’un traitement préalable du matériau est d’obtenir un carbone avec des caractéristiques

thermiques différentes ainsi que des groupements fonctionnels à la surface.

La carbonisation est une opération chimique durant laquelle les matériaux de départ vont être

modifiés [12] comme suit:

Enrichissement du carbone et perte des composés volatils.

Développement de la porosité interne ou de l’espace, résultant de la perte des composés

volatils.

Création d’un solide rigide.

III-4-3-Activation physique:

Elle consiste en une oxydation à haute température (750-1000°C) du carbonisat par un

agent oxydant gazeux. Les gaz utilisés, seuls ou en mélange, faiblement oxydant sont la vapeur

d’eau et le dioxyde de carbone. Le niveau de température joue un rôle important dans le

processus d’activation. A basse température, la cinétique d’oxydation est faible et l’activation

conduit à une distribution de la taille de pore dans tout le volume du matériau. Quand la

température augmente, la vitesse de réaction croit plus rapidement que la diffusion du gaz

oxidant. Le procédé est donc limité par le transport du gaz oxydant au sein du matériau, ce qui

conduit à une perte d’homogénéité de la porosité [11].

III-4-4-Activation chimique:

Il s’agit d’un procédé qui met en jeu un agent chimique tel que l’acide phosphorique,

l’acide chlorhydrique, le chlorure de calcium etc…qui favorise la déshydratation, puis une

réorganisation structurale à des températures plus faibles que dans le procédé d’activation

physique. Le matériau est imprégné avec l’agent acide qui est H3PO4 afin d’améliorer le

développement d’une structure poreuse à la suite d’un traitement thermique. L’activation par

l’acide phosphorique a donné de meilleurs résultats pour l’obtention de grandes surfaces en

comparaison avec l’activation physique.

34


Un inconvénient de l’activation chimique est l’incorporation d’impuretés qui peut affecter

les propriétés chimiques. Le réactif chimique est récupéré par lavage du charbon actif produit,

l’utilisation de l’acide phosphorique produit un charbon de micropores plus larges [15].

III-5-Actions pharmacologiques [16]

III-5-1-Fonction antiseptique

Les extraits des noyaux de dattes ont l’aptitude de reconstituer les fonctions normales

des foies empoisonnés. Ils les protégent également contre l’hépatotoxicité.

III-5-2-Fonction cosmétologique

L’extrait du noyau de dattes abaisserait clairement et rapidement les rides du visage.

III-5-3-L’activité antivirale

L’utilisation du noyau ou des grains de différents fruits et légumes est connue depuis

l’antiquité comme un complément alternatif dans la médecine. Les noyaux/pépins possèdent

des actions bénéfiques contre le stress et les symptômes secondaires. Ils ont souligné

l’exemple de la poudre des noyaux d’abricots employée par les mexicains comme un remède

traditionnel dans le traitement du cancer ce qui est connu aussi en Russie dès 1845.

Les études montrent qu’une faible concentration d’un extrait acétonique (100 – 1000

µg/ml) du noyau de dattes est capable d’inhiber les états infectieux.

III-6-Différentes utilisations du noyau de dattes [16]

III-6-1-Alimentation animale

Afin d’augmenter le taux de croissance chez les animaux, la poudre de noyau de dattes est

additionnée à l’alimentation du bétail. Son action contribue à une augmentation des œstrogènes

et /ou testostérones dans le plasma.

L’utilisation des sous produits de dattes dans l’alimentation du bétail a été étudiée pour la

première fois par Ali et al. (1956) et dans l’alimentation des poissons par Youssif et al. (1996).

De son coté, Osman et al., (1999) ont signalé les effets semblables des noyaux et des pulpes

de dattes dans l’alimentation des poissons et des animaux laitiers.

Actuellement, les noyaux de différentes variétés de dattes sont principalement utilisés

35


dans l’alimentation du bétail (bovin, mouton, chameaux, et les volailles).

III-6-2-Fabrication de charbon actif

La propriété principale des charbons actifs semble liée à la présence de micropores

responsables de leur pouvoir adsorbant tandis que les macropores et les mésopores

s’apparentent à des conducteurs de fluides vers la surface interne.

Les précurseurs du charbon peuvent être d’origine botanique (les noyaux de fruits entre

autres), minérale (charbon par exemple) ou issus de matériaux polymères (caoutchouc

notamment). Environ 50% de charbon actif utilisé dans la pratique industrielle est d’origine

botanique.

Les déchets agricoles lignocellulosiques (substances organiques et inorganiques)

contiennent des valeurs élevées en carbone. Ils sont considérés comme une bonne source de

production du charbon actif . D’après Addoun et al. (2000), les résultats obtenus, montrent que

la carbonisation de noyaux de dattes; peuvent conduire à l’obtention de charbon actif, qui

pourrait avoir des applications diverses: purification des gaz, élimination des phénols,

traitement des eaux polluées et dans la pharmacologie.

Le charbon actif produit par les noyaux de dattes a une capacité d’adsorption élevée qui

permet d’éliminer le chrome (Cr) toxique de différentes solutions, due à sa caractéristique

physico-chimique. Leur processus a été employé pour évaluer la capacité maximum

d’adsorption.

III-6-3-Autres utilisations

Les noyaux sont un sous produit intéressant de dattes. En effet, de ces derniers, il est

possible de fabriquer de l’acide citrique et des protéines à l’aide des microorganismes suivants:

Candida lipolytica, Aspergillus oryzae et Candida utilis.

Le noyau de dattes torréfié peut être additionné à une boisson traditionnelle décaféinée qui

peut substituer le café quand la caféine est une contrariété.

D’autres études, indiquent qu’une telle boisson est aussi utilisée depuis longtemps dans le

monde arabe, un mélange de poudre de noyau de dattes grillées de manière semblable avec la

poudre de café comme une boisson chaude, cette dernière permet de réduire la caféine.

36


III-7-Conclusion

Si on considère que la datte entière est composée de la pulpe et du noyau, on peut conclure

que si la pulpe est très riche en sucres soit un grand pouvoir énergétique, elle est riche aussi en

éléments minéraux et en vitamines. La composition chimique du noyau n'est pas insignifiante,

sa richesse en glucides et matière grasse contribue à l'enrichissement de la datte.

La préparation du charbon actif issu de noyaux de dattes locales et la caractérisation de ce

matériau ainsi que l’évaluation de la capacité adsorbante de ces adsorbants sera abordée dans

la partie expérimentale.

37


Références

[1] A .Bessas, L.Benmoussa, M.Kerarma, Dosage biochimique des polyphénols dans les dattes

et le miel récoltés dans le sud algérien, Univ. Djillali Liabes -Sidi Bel Abbes, (2008).

[2] F. Ben Abbes, Etude de quelques propriétés chimiques et biologiques d’extraits de dattes «

Phoenix dactylifera L. », Univ. Ferhat Abbas-Setif, (2011), p9.

[3] F. Lecheb, Extraction et caractérisation physico-chimique et biologique de la matière grasse

du noyau des dattes : essai d’incorporation dans une crème cosmétique de soin, Univ .M’Hamed

Bougara Boumerdès, (2010), p4.

[4] M. Sekirifa, Étude des propriétés adsorbantes des charbons activés issus des noyaux de

dattes.Application au traitement d’effluent aqueux, Univ. Badji Mokhtar, Annaba, (2013), p38.

[5] I. Djoudi Contribution à l’identification et à la caractérisation de quelques accessions du

palmier dattier (Phoenix Dactylifera.l) dans la région de Biskra,Univ. Mohamed Kheider

Biskra, (2013), p12.


du noyau des dattes : essai d’incorporation dans une crème cosmétique de soin, Univ. M’Hamed


[7] N SEDIRA, Etude de l'adsorption des métaux lourds sur un charbon actif issu de noyaux de

dattes, Univ. Mohamed Chérif Messaidia-S/A, (2013), p71.

[8] A. A. M. Daifullah, B. S. Girgis, H. M. H. Gad, A study of the factors affecting the removal

of humic acid by actived carbon prepared from biomass material, Colloids and Surfaces A :

Physicochem. Eng. Aspects 235 (2004) 1-10.

[9] N. M. Haimour, S. Emaish, Utilization of date stones for production of activated carbon

using phosphoric acid, Waste Management. 26 (2006) 651-660.

[10] N.Bouchemal, Z. merzougui, F. addoun, adsorption en milieux aqueux de deux colorants

sur charbons actifs à base de noyaux de datte, (2011), p5.

38


[11] F. Nemchi, Modification Physico-Chimique De Deux Algues Marines Ulva Lactuca Et

Cystoseira Stricta En Vue De L’elimination Par Adsorption Du Bleu De Methylene, Univ.

d’Oran, (2006) p33.

[12] R.C. Bansal, J.B. Donnet, H.F. Stoeckli. Active Carbon. New York : Dekker, (1988).

[13] N. Ptrov, T. Budinova, M. Razvigorova, and V. Minkova, Preparation of activated

carbon from cherry stones, apricot stones and grape seeds for removal of metal ions from

water, Institute of Organic Chemistry, Bbulgaria Academy of Sciences – e-mail

[email protected]. (2003).

[14] S.Budavaris, Merck index. White house Station, NJ : Merck. , (1996).

[15] C. Achaerandio, I. Guell, and F. Lopez, Continuous vinegar decolorization exchange

resins. Journal of Food Engineering 51 (2002): 311-317.

[16] F. Lecheb, Extraction et caractérisation physico-chimique et biologique de la matière

grasse du noyau des dattes : essai d’incorporation dans une crème cosmétique de soin, Univ.

M’Hamed Bougara Boumerdès, (2010), p10.

mailto:[email protected]

Techniques expérimentales

39


IV-1-Introduction

L’exploitation et la valorisation de l’un des sous-produits naturels de notre pays. La

particularité de ces déchets réside en la possibilité de leur recyclage en de produits finis

industriellement exploitables [1]. Les noyaux de dattes ont été largement utilisés comme

charbon actif [2, 3].

Elaborer des charbons activés à partir des déchets végétaux est intéressant du point de vue

économique car c’est à partir de transformations simples qu’est effectuée une application

directe de ces matériaux de base [4].

IV-2-Objectif de cette étude

Les objectifs de notre étude sont la préparation d’une phase adsorbante issue de noyaux de

dattes (ND) de la variété « Deglet Nour » de la région d’Oued Souf, ainsi que la caractérisation

et l’étude de l’efficacité de notre charbon à base de ND pour l’élimination d’un polluant acide

dans l’eau.

IV-3-Réactifs et produits

Dans le cadre de cette recherche, les expériences menées dans diverses conditions ont

nécessité les produits suivants :

IV-3-1-Adsorbants

Charbons actifs

Les charbons actifs utilisés au cours de cette étude sont les suivants :

o Charbon commercial en grain Merck (CAG) avec des particules d’un diamètre de

2.5mm.

o Charbon des noyaux des dattes (CND) avec des particules de différents diamètres.

Avant de l’utiliser, le charbon est lavé puis activé dans une étuve.

IV-3-2-Adsorbat

Acide acétique

On l’appelle aussi acide acétique cristallisable ou acide acétique glacial. Dans le commerce,

sa concentration varie de 84 à 98 % de son poids.

Formule chimique : CH3 – COOH ou C2H4O2.

40


C’est un liquide incolore, de densité légèrement supérieure à celle de l’eau (1,051).

Il est très reconnaissable à sa saveur très piquante et son odeur de vinaigre en plus fort [5].

IV-3-3- Indicateur coloré

La phénolphtaléine

Il s’agit d’un composé organique de formule brute C20H14O4. C'est un indicateur de pH (ou

un indicateur coloré), c'est-à-dire un composé qui change de couleur selon la valeur du pH de

la solution dans laquelle on le place [6].

IV-3-4 - Les produits

L’acide phosphorique

L’acide phosphorique est un composé chimique de formule H3PO4.C’est un triacide

important en chimie inorganique et fondamental en biochimie. Il s'agit d'un acide minéral [7].

L’acide nitrique

Inodore et incolore sous sa forme pure, l'acide nitrique ou acide azotique est un liquide très

caustique. Il est principalement utilisé pour fabriquer des engrais chimiques ou des explosifs.

L'acide nitrique entre ainsi dans la composition de la nitroglycérine. On retrouve également

de l'acide nitrique dans les pluies acides. Très dangereux pour la santé, l'acide nitrique peut

brûler la peau par simple contact. Inhalées, ses vapeurs attaquent le système respiratoire. La

formule chimique de l'acide nitrique est HNO3 [8].

L’hydroxyde de sodium

L’hydroxyde de sodium (NaOH), également appelé soude caustique, est une base forte qui

se présente, à température ambiante, sous forme solide. Il est constitué de cations sodium (Na+)

et d’anions hydroxyde (OH-). Il est très soluble dans l’eau, sa solution aqueuse est transparente

et souvent appelée soude [9].

http://fr.wikipedia.org/wiki/Compos%C3%A9_organique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Formule_brute

http://fr.wikipedia.org/wiki/Indicateur_de_pH

http://fr.wikipedia.org/wiki/Potentiel_hydrog%C3%A8ne

https://fr.wikipedia.org/wiki/Triacide

https://fr.wikipedia.org/wiki/Chimie_inorganique

https://fr.wikipedia.org/wiki/Biochimie

https://fr.wikipedia.org/wiki/Acide_min%C3%A9ral

41


IV-4-Méthodes d’analyse

Les méthodes d’analyses utilisées ont permis de suivre la diminution de la concentration

en acide après l’adsorption sur le charbon.

a) PH-métrie

Quand on mesure le pH, c'est le nombre d’ion hydrogène (H+) se trouvant dans la solution

à mesurer, que l’on évalue plus ou moins précisément.

En laboratoire, cette notion se mesure très précisément à l’aide d’une méthode électrique en

utilisant un instrument que l’on appelle un pH mètre.

Le pH des solutions a été mesurée à l’aide d’un pH-mètre de type inolab Ph 720 WTW séries.

L’étalonnage de l’appareil a été effectué avec des tampons commerciaux de pH 4, 7et 9.

b) Dosage acido-basique

Le but d'un dosage est de déterminer une quantité de matière (ou une concentration)

inconnue, un dosage acido-basique fait intervenir une réaction acide-base totale entre le réactif

à doser et un réactif titrant de concentration connue, on dit qu'il y a équivalence lorsque les

réactifs ont été mélangés dans les proportions stœchiométriques.

Le repérage de l'équivalence permet de déterminer la quantité de matière du réactif à doser [10].

Figure IV.1 : Montage pour titrage acido-basique.

42


c) Spectroscopie infrarouge

La spectroscopie infrarouge (IR) est une technique très utilisée pour identifier les espèces

présentes à la surface des solides. Le domaine infrarouge moyen (4000 > υ > 200 cm-1)

correspond au domaine d’énergie vibrationnelle des molécules, états qui dépendent de certaines

propriétés moléculaires telles que : la symétrie de la molécule, les constantes de force

interatomiques, le moment d’inertie autour de certains axes,…etc.

L’analyse infrarouge a été effectuée sur un spectromètre (SHIMADZU) FTIR-8201PC

dont la gamme de fréquences est comprise entre 400 et 4000 cm-1. L’échantillon est une poudre

que l’on met sous forme d’une pastille aussi mince que possible pour qu’elle soit transparente

aux rayons infrarouge. La poudre est finement broyée et tamisée et ensuite mélangée avec du

KBr (1/300 en poids) [11].

Figure IV.2 : Spectrophotomètre infrarouge.

IV-5-Matériels utilisés

Les équipements utilisés durant l’expérience de fabrication du charbon et le charbon actif

sont les suivants : étuve (annexe A.1) ; broyeur électrique (Retsch) (annexeA.2), ce broyeur a

été fourni par le laboratoire du département de génie civil ; creusets (annexeA.3) ; tamis

(annexeA.4) ; béchers, four électrique (Four HERAEUS ELECTRIC) (annexe A.5) ; moulin à

café (annexeA.6) ; dessiccateur (annexeA.7) ; pH mètre (annexeA.8) ; mortier (annexe A.9).

43


IV-6-Méthodologie expérimentale :

IV-6-1-Préparation des solutions

Notre adsorbat, solution d’acide acétique (1M) a été préparée dans une fiole 250ml, à

partir de CH3COOH (99%).

pHsolution =2.53

La solution d’acide acétique (0.1M) a été obtenue à partir de la solution d’acide acétique

(1M).

pHsolution = 2.82

La solution du NaOH (0.1M) a été préparée dans une fiole 250ml, à partir de la

dissolution de 1g de NaOH (98%) dans l’eau distillée.

La solution du HNO3 (10N) a été préparée dans une fiole de 100 ml, on met un peu d’eau

distillée, on y ajoute 69.25 ml de HNO3 (65%), on mélange puis on complète avec de

l’eau distillée jusqu'au trait de jauge.

La solution du H3PO4 (40%) a été réalisée dans une fiole de 100 ml, on met un peu d’eau

distillée, on y ajoute 47.06 ml de H3PO4 (85%), on mélange puis on complète avec de

l’eau distillée jusqu'au trait de jauge.

IV-6-2-Préparation les phases adsorbantes

IV-6-2-1-Préparation du charbon à base des noyaux de dattes

Préparation de la matière première

La matière première utilisée dans cette étude est Deglet-Nour, d’une palmeraie du Sud-Est de

l’Algérie et plus exactement à Mih Ouansa (Oued Souf) (Figure IV-3).

Figure IV.3 : Échantillon de dattes cultivées dans la région d’Oued Souf.

44


La datte Deglet-Nour d’un gout parfumé, est de forme fuselée ou ovoïde. À maturité, la datte est

plutôt beige marron, l’épicarpe est lisse et brillant. Le mésocarpe est très peu charnu, de consistance

demi-molle et de texture fibreuse [12].

A partir de 10 kg de dattes nous avons obtenu 1,367 kg de noyaux. On a collecté les noyaux

à partir des fruits des dattes comme il est représenté dans la (figure IV.4).

Figure IV.4 : Noyaux extraits des dattes.

Le poids moyen d’une datte oscille autour de 7.46g et le poids moyen d’un noyau de datte

est d’environ 0.7g. Le pourcentage du noyau par rapport à la datte elle-même est de 9.38 %.

Il représente 7 à 30% du poids de la datte. Il est constitué d’un albumen corné, de

consistance dure et protégé par une enveloppe cellulosique [13].

Carbonisation des noyaux

Après séparation des noyaux de dattes de la pulpe, ils sont lavés abondamment à l’eau

distillée, mis à l’étuve à 110°C pendant 24 heures, puis carbonisés. Les noyaux sont mis dans

des capsules en porcelaine ou dans des creusets. La carbonisation est réalisée dans un four

électrique (Four HERAEUS ELECTRIC). Le four est préchauffé à la température désirée

pendant au moins 2 heures avant le début de l'essai pour obtenir une température en régime

permanent. Puis on augmente la température (100 degré/30min). La carbonisation se fait entre

600 et 800 °C avec un palier de 3 heures. Le produit obtenu a été broyé avec un moulin à café

puis tamisé avec différents diamètres (2 mm, 1 mm, 500 μm, 125 μm (annexe A.10). Le broyat

retenu est conservé à l’abri de l’air dans des flacons fermés hermétiquement [13].

45


Les étapes suivies pendant la fabrication du noir de carbone à partir des noyaux de dattes sont

détaillées dans le schéma ci-dessous (Figure IV.5).

Figure IV.5 :Etapes de fabrication du noir de carbone à partir des noyaux de dattes (ND) [14].

Activation chimique des noyaux

Activation chimique par l’acide nitrique (HNO3) [15]

Les échantillons ont été broyés avec un broyeur électrique (Retsch) (annexe A.11).

L'activation chimique des noyaux de dattes broyées, d’un diamètre de 1 mm, a été effectuée

comme suit :

Les échantillons sont traités chimiquement avec de l’acide nitrique : à une masse de broyat

m=70g, on ajoute 350 ml d’acide nitrique de concentration 10N (pH=1,17 à 21 C°).

a) La solution a été agitée pendant 10 heures (annexe A.12), ensuite mise à l’étuve à 110°C

pendant 24 heures. Puis on effectue la calcination à une température de 450 C° pendant

une durée d’une heure. Le charbon actif est obtenu au dessiccateur, puis lavage avec de

l’eau distillée jusqu’à l’obtention d’un pH 7,2.

b) La masse de charbon activée est séchée dans une étuve à 110 C° pendant 24 heures. La

masse finale égale 1.38g.

46


Cette méthode d’activation du charbon (noir de carbone) est résumée dans l’organigramme

représenté par la (figure IV.6).

Figure IV.6 : Les étapes d'activation chimique par l’acide nitrique du charbon (ND).

Remarque: Les grains sont prétraités chimiquement avant carbonisation. Cette activation

chimique peut se faire aussi après carbonisation [15].

Activation chimique par l’acide phosphorique (H3PO4) [16- 18,].

Les échantillons sont traités chimiquement avec de l'acide phosphorique H3PO4 (40%) :

une masse de broyat m =10g (1 mm), est déposée dans un bécher contenant 50 ml d’acide

phosphorique. Le pH (pH=0.20 à 21 C°) est maintenu sous agitation pendant 10 h. Les mélanges

sont mis à l’étuve pendant 24 h à 110°C.

a) Les produits sont ensuite mis dans un four à calcination, à une de température de 450°C

pendant une heure (1 h).

b) Le charbon actif est obtenu au dessiccateur (annexe A.13), puis lavage avec de l’eau

distillée jusqu’à l’obtention de pH= 6.88.

c) La masse de charbon activé est séchée dans une étuve à 110 C° pendant 24 heures. La

masse finale est de 1.120g.

47


Le protocole d’activation est résumé dans l’organigramme (figure IV.7)

Figure IV.7 : Etapes d'activation chimique par l’acide phosphorique du charbon (ND).

IV-6-2-2-Traitement du charbon en grain (Merck)

Dans un bécher, on met 100g de charbon en grain, on ajoute 300ml H2O distillée, la solution

est mis sous agitation 30 min (annexe A.14). Après filtration sur papier filtre, le charbon est

activé à 110°C pendant 24 h. Le charbon activé est broyé avec un moulin à café puis tamisé

avec différentes diamètres (2 mm, 1 mm, 500 µm, 125µm).

IV-7-Protocole d’adsorption

Pour vérifier l’adsorption d’acide acétique sur le charbon actif, le mode opératoire comporte les

étapes suivantes :

L’activation du charbon.

La préparation de la solution.

Mise en contact d’un volume précis de solution et d’une masse précise d’adsorbant.

On laisse en contact et sous agitation un temps programmé (30min).

Séparation des phases solides et liquides par filtration.

On prend 10 ml du filtrat et on analyse par pH mètre.

On ajoute 2 gouttes de phénolphtaléine et on fait le dosage par NaOH jusqu'à changement

de couleur.

48


Références

[1] M.L Sekirifa, Étude des propriétés adsorbantes des charbons activés issus des noyaux de

dattes.Application au traitement d’effluent aqueux, Univ Badji Mokhtar,

Annaba,(2012/2013) ,p1.

[2] I. kula, M .Ugurlu, H. Karaoglu, et Celik. A. Adsorption of Cd (II) ions from aqueous

solutions using activated carbon prepared from olive stone by ZnCl2 activation. Bioresource

Technol. (2008), 99: 492-501.

[3] N. Bouchenafa-Saib, P. Gronge, P. Verhasselt, F. Addoun, V. Dubois. Effect of oxidant

treatment of date pits active carbons used as Pd supports in catalytic hydrogenation of

nitrobenzène. Applied catalysis A: General. (2005), 286: 167-174.

[4] I. Elena Fernandez, Thèse pour l’obtention du grade de Docteur ès Sciences ; Univ de

Granada ; Etude de la carbonisation et l’activation de précurseurs végétaux durs et mous,

(2002), p3.

[5] Marcel Lecomte, Acide acétique, [en ligne], fiche technique, Disponible sur ˂

http://users.skynet.be/Champignons_passion/AcideAcetique.pdf˃.

[6] Document en ligne, disponible sur ˂https://fr.wikipedia.org/wiki/Ph%C3%A

9nolphtal%C3%A9ine ˃.

[7] Association Robin des bois Radioactivité naturelle technologiquement renforcée [archive],

décembre (2005).

[8] Document en ligne, disponible sur ˂ http://sante medecine.journaldesfemmes. com/faq/

17105-acide-nitrique-definition˃.

[9] Document en ligne, disponible sur ˂http://www.futurasciences.com/magazines / matiere

/infos/dico/d/chimie-hydroxyde sodium-15036/˃.

[10] Document en ligne, disponible sur ˂ http://passeport.univ lille1.fr/site/chimie/scc1034/

C10dosab/C10dosab_web./web/co/Module_C10dosab_3.html˃.

[11] M.L. Sekirifa, Étude des propriétés adsorbantes des charbons activés issus des noyaux de

dattes.Application au traitement d’effluent aqueux, Univ Badji Mokhtar, Annaba (2012/2013)

p66.

http://www.robindesbois.org/dossiers/rad_nat_techno.pdf

http://archive.wikiwix.com/cache/?url=http%3A%2F%2Fwww.robindesbois.org%2Fdossiers%2Frad_nat_techno.pdf

http://sante/

http://passeport.univ/

49


[12] F.Ben Abbes, Etude de quelques propriétés chimiques et biologiques d’extraits de dattes «

Phoenix dactylifera L. ».Univ Ferhat Abbas-Sétif (2011), p33.

[13] M.L.Sekirifa, M.Hadj-Mahammed, Etude Comparative De La Capacite Adsorbante D’un

Charbon Actif Issu De Noyaux De Dattes Et Un Charbon Actif Commercial, Univ de Ouargla,

Algérie., (2005) p56.

[14] B. Boukhari, Fabrication Et Application Du Charbon Actif (Carbone Activé) A Partir Des

Noyaux Des Dattes, Univ Mohamed Khider – Biskra, (2015), p19.

[15] L. AnundoPolania, ‘Contribution à l’Etude de la Fixation du Cyanure d’Or et de Potassium

sur les Charbons Actifs’, Thèse de Doctorat en Chimie Physique, Université de Haute-Alsace,

(1986), p. 22 – 28.

[16] Tzong-Horng Liou. Development of mesoporous structure and high adsorption capacity

of biomass-based activated carbon by phosphoric acid and zinc chloride activation. Chem.

Eng. J. 158 (2010) 129–142.

[17] R. Baccar, M. Sarra, et al. Removal of pharmaceutical compounds by activated carbon

prepared from agricultural by-product. Chem. Eng. J. 211 (2012) 310-317.

[18] Y. Sun, Q. Yue, et al. Comparative study on characterization and adsorption properties

of activated carbons with H3PO4 and H4P2O7 activation employing Cyperus alternifolius as

precursor. Chem. Eng. J. 181-182 (2012) 790-797.

Résultats et discussions

50

Résultats et discussion

V-1-Détermination du caractère acido-basique des charbons actifs

On prend 10 g de chaque type de charbon après l’activation, dans un bécher on met le

charbon (125µm). On ajoute 100 ml d’eau, la solution est mis sous agitation 30 min puis

filtration sur un papier filtre. Le filtrat est testé par un pH mètre.

Tableau V.1 : Détermination du caractère du charbon actif

Types de charbon Charbon en grain

Merck

Charbon du ND

pH initiale 6.30 6.30

pH du filtrat 6.43 6.75

Le caractère du

charbon

Acide Acide

V-2-Adsorption d’acide acétique sur les deux types de charbon actif

Vérification de la concentration initiale :

Dans un bécher contenant 200 ml d’eau, on ajoute 1 ml du CH3COOH (1M).

-La valeur de pH égale 3.48 à T =18°C.

-La concentration de l’acide avant l’adsorption Ci= 4 ,97.10- 3 M.

V-2-1 : Adsorption du CH3COOH sur le charbon des noyaux de dattes

V-2-1–a : Effet de la granulométrie

1) Dans un bécher contenant 200 ml d’eau on ajoute 1 ml du CH3COOH (1M) de pH=3.48,

on ajoute 5g de charbon de noyaux de dattes pour différents granulométrie sous agitation

30 min puis filtration sur un papier filtre.

- On vérifie le pH du filtrat.

2) Puis une prise de 10ml est dosée par NaOH (0.1M) en présence de gouttes de phénolphtaléine

jusqu'à changement de couleur.

- On vérifie la concentration de l’acide dans le filtrat après l’adsorption.

51


Le tableau V-2 représente les valeurs du pHi, pHf, Veq, Ci, Cf.

Tableau V.2 : Variation de la concentration et du pH en fonction de la granulométrie

pour le charbon des noyaux de dattes (CND) à température ambiante.

Diamétre PHi PHf Veq(NaOH)ml Ci (mol/l) Cf (mol/l)

2mm 3.83 4.15 0.366 4.97×10-3 3.66×10-3

1mm 3.78 4.19 0.333 4.97×10-3 3.33×10-3

500 μm 3.75 4.23 0.316 4.97×10-3 3.16×10-3

125 μm 3.78 4.44 0.4 4.97×10-3 4×10-3

On trace les courbes :

1) pHf = f(D)

Figure V-1 : Variation du pHf en fonction des diamètres du charbon des noyaux de dattes

(CND) à température ambiante.

52


2) Cf = f(D)

Figure V-2 : Variation de la concentration finale en fonction des diamètres du charbon des


V-2-1–b : Effet de masse

1) Dans un bécher contenant 50 ml d’acide acétique (0.1M) de pH=2.82, pour différentes masse

de charbon des noyaux de dattes (1mm) est mis sous agitation 30 min, puis filtration sur un

papier filtre.

- On vérifie le pH du filtrat.

2) Puis une prise de 10ml est dosée par NaOH (0.1M) en présence de gouttes de phénol

phtaléine jusqu'à changement de couleur.

- On vérifie la concentration de l’acide dans le filtrat après l’adsorption.

Le tableau V-3 représente les valeurs du pHi, pHf, Veq, Ci, Cf.

Tableau V.3 : Variation de la concentration et du pH en fonction de la masse pour le


Masse 1g 5g 7g 10g

pHi 3.09 3.35 3.65 3.76

pHf 3.24 3.99 4.04 4.20

Veq NaOH (ml) 8.9 6.76 6.16 5.93

Ci (mol/l) 0.1 0.1 0.1 0.1

Cf (mol/l) 8.9×10-2 6.76×10-2 6.16×10-2 5.93×10-2

53



1) pHf = f(m)

Figure V-3 : Variation du pHf en fonction des masses pour le charbon des noyaux de dattes


2) Cf =f(m)

Figure V-4 : Variation de la concentration finale en fonction des masses pour le charbon des


54


V-2-1– c : Cinétique d’adsorption

Dans un bécher contenant 50 ml d’acide acétique (0.1M) de pH=2.82, on ajoute 1g de charbon

des noyaux de dattes (1mm), On refait le même travail de la réaction d'adsorption en fonction

du temps.

- pHi =3.06

Tableau V.4 : Variation de la concentration et du pH en fonction du temps pour le


Temps 10min 20min 30min 40min 50min 60min

pHf 3.07 3.12 3.14 3.26 3.35 3.41

V NaOH (ml) 9.6 9.4 9.27 9.1 8.65 7.9

C f (mol/l) 9.6×10 -2 9.4×10 -2 9.27×10 -2 9.1×10 -2 8.65×10 -2 7.9×10 -2


1) pHf = f(t)

Figure V-5 : Variation du pHf en fonction du temps pour le charbon des noyaux de dattes


55


2) Cf =f(t)

Figure V-6 : Variation de la concentration finale en fonction du temps pour le charbon des


V-2-2 : Adsorption du CH3COOH sur le charbon en grain Merck

On refait le même travail du paragraphe V-2-1.

Les résultats obtenus sont présentés comme suit :

V-2-2-a : Effet de la granulométrie

Tableau V.5 : Variation de la concentration et du pH en fonction de la granulométrie


Diamétre PHi PHf Veq(NaOH)ml Ci (mol/l) Cf (mol/l)

2mm 3.76 4.40 0.3 4.97×10-3 3×10-3

1mm 4.04 4.42 0.266 4.97×10-3 2.66×10-3

500 μm 3.96 4.38 0.15 4.97×10-3 1.5×10-3

125 μm 4.02 4.45 0.133 4.97×10-3 1.33×10-3

56


On trace les courbes

1) pHf = f(D)

Figure V-7 : Variation du pHf en fonction des diamètres pour le charbon Merck (CAG) à


2) Cf = f(D)

Figure V-8 : Variation de la concentration finale en fonction des diamètres pour le charbon


57


V-2-2-b : Effet de masse

Tableau V.6 : Variation de la concentration et le pH en fonction de la masse pour le


Masse 1g 5g 7g 10g

pHi 2.96 3.10 3.16 3.29

pHf 3.03 3.38 3.47 3.77

Veq NaOH (ml) 7.71 3.16 2.46 1.66

C f (mol/l) 7.71×10-2 3.16×10-2 2.46×10-2 1.66×10-2

Cf=10-pH (mol/l) 9.33×10-4 4.16×10-4 3.38×10-4 1.69×10-4


1) pHf = f(m)

Figure V-9 : Variation du pHf en fonction des masses pour le charbon Merck (CAG) à


58


2) Cf =f(m)

Figure V-10 : Variation de la concentration finale en fonction des masses pour le charbon


V-2-2-c : Cinétique d’adsorption

pHi =2.97

Tableau V.7 : Variation de la concentration et le pH en fonction des temps pour le


Temps 10min 20min 30min 40min 50min 60min

pHf 3.01 3.03 3.06 3.10 3.11 3.14

V NaOH (ml) 9 8.8 8.5 8.1 7.9 7.7

C f (mol/l) 9×10 -2 8.8×10 -2 8.5×10 -2 8.1×10 -2 7.9×10 -2 7.7×10 -2

59


1) pHf =f(m)

Figure V-11 : Variation du pHf en fonction du temps pour le charbon Merck (CAG) à


2) Cf =f(m)

Figure V-12 : Variation de la concentration finale en fonction du temps pour le charbon

Merck(CAG) à température ambiante.

60


V-3-Adsorption d’acide acétique sur les deux types de charbon activé chimiquement

V-3-1 : Par l’acide phosphorique (H3PO4)

Dans un bécher contenant 50ml du CH3COOH (0.1M) de pH= 2.82, on ajoute 1g de charbon

des noyaux des dattes activé chimiquement par H3PO4, on mis sous agitation 30 min puis

filtration sur un papier filtre.

La valeur de pH du filtrat égale 2.34.

Puis une prise de 10ml est dosé par NaOH (0.1M) en présence de gouttes de phénol phtaléine

jusqu'à changement de couleur.

VNaOH =11.2ml.

La concentration de l’acide dans le filtrat après l’adsorption, Cf=1.12×10-1 M.

V-3-2 : Par l’acide nitrique (HNO3)

La valeur de pH du filtrat égale 4.40

VNaOH =7.46ml.


V-4-Adsorption d’acide acétique sur CND broyés puis calcinés




La valeur de pH du filtrat égale 6,19.

VNaOH =6.46 ml.


V-5-Adsorption d’acide acétique sur CND calcinés puis broyés




La valeur de pH du filtrat égale 3.23.

VNaOH =8.96 ml

La concentration de l’acide dans le filtrat après l’adsorption, Cf= 8.96×10-2 M.

Le but de broyage avant l’étape de carbonisation est d’optimiser la surface de contact du

charbon ultérieurement produit avec le pollutant acide lors de l’adsorption [4].

61


H% = [(m2-m3/m1)] ×100

V-6-Caractérisation du charbon actif valorisé

V-6-1-Détermination de la teneur en eau (taux d’humidité)

Principe : En contact permanent avec l’air ou par leurs stockages, les solides se chargent par

une certaine humidité qui est due à la diffusion des molécules d’eau dans la structure et sur la

surface du solide. L’évaluation du taux d’humidité peut être indicative sur le caractère

hydrophile de ce solide.

Mode opératoire : On met 5g de chaque adsorbant dans un verre de montre (1mm), on pèse,

puis on met l’échantillon dans une étuve à 105°C pendant 1h. Ensuite on le laisse dans un

dessiccateur pendant 30 min. Ensuite, on le pèse à nouveau.

La relation ci-dessous permet d’obtenir le taux d’humidité relatif pour le charbon Merck et le

charbon de noyaux de dattes [1].

H% : teneur en eau ou humidité.

m1 : Masse de la prise d’essai en g.

m2 : Masse du creuset rempli avant séchage en (g).

m3 : Masse du creuset rempli après séchage en (g).

Tableau V. 8 : Taux d’humidité du charbon Merck et du charbon des noyaux de dattes

Adsorbants C. Merck CND

m1 (g) 5g 5g

m2(g) 31.32 44.71

m3(g) 31.27 44.66

H% 1% 1%

62


V-6-2-Détermination de la teneur en cendres

Principe : La détermination de la teneur en cendres est basée sur la destruction de toute matière

organique sous l’effet de température élevée qui est de (500 ± 25 C°) [2].

Mode opératoire : Pour l’incinération, 2g de poudre de noyau de dattes sont mis dans une

capsule en porcelaine puis incinérés dans un four à environ 550 ± 5 °C pendant 8h jusqu’à

obtention d’une couleur grise, claire ou blanchâtre. Ensuite on le laisse dans un dessiccateur

pendant 30 min.

Le taux de cendres est exprimé en pourcentage de la matière sèche [3].

Expression du taux de cendre :

MO % = 100 x (M1 – M2) / P

Soit:

MO %: Matière organique.

M1: Masse des creuset + prise d’essai (g).

M2: Masse des creuset + cendres (g).

P: Masse de la prise d’essai (g).

La teneur en cendres (Cd) est calculée comme suit :

Cd = 100 – MO %

Tableau V. 9 : Taux de cendre du charbon Merck et du charbon des noyaux de dattes.

m1 (g) m2 (g) P(g) MO % Cd%

CND 60.59 58.66 2 96.5 3.5

Merck 46.42 44.45 2 98.5 1.5

63


V-6-3-Analyse structurale par spectroscopie I R T F

Nous avons reporté 4 spectres infrarouges des 4 types d'échantillons sur les figures (V.13, V.14,

V.15 et V.16) et les principales caractéristiques sont illustrées par le tableau (Tableau V. 10)

a) Etude des fonctions de surface

L’analyse par IR confirme les résultats obtenus par l’analyse élémentaire des noyaux de dattes cités

dans la partie bibliographique. D’après le spectre (figure V.14) on remarque la présence des fonctions de

surface suivante OH des alcools et C=O des cétones, et les groupements C-H, C=C, C-C, C-O.

Ces mêmes fonctions et groupements existent dans le charbon commercial en plus d’autres

spectres (figure V-13).

b) Résultats de l’analyse IR du CND natif et CND /HNO3-CND/ H3PO4 après l’adsorption.

Les différentes bandes de vibrations correspondant aux groupements (tableau V.10).

Tableau V.10 : Résultats de l’analyse I.R

Echantillon Bandes de vibration (cm

-1)

Attribution

Charbon actif commercial

Merck

3413,8

3109,0

2962,5

1693,4

1419,5

O-H

N-H

C-H

C=O

C-O

Charbon des noyaux de

dattes natif

3444,6

2923,9

1620,1

1149,5

667,3

O-H/ N-H

C-H

C=C

C-O

C-S/ S=O


dattes activé par HNO3

Après adsorption de

CH3COOH

3436,9

2927,7

1627,8

1049,2

568,2

O-H/ N-H

C-H

C=C

C-O

C-S


dattes activé par H3PO4

Après adsorption de

CH3COOH

3436,9

2927,7

1635,5

1149,5

667,3

972,1

O-H/ N-H

C-H

C=C

C-O

C-S

O-H

64


Figure V-13 : Spectre I.R du C. Merck

65


Figure V-14 : Spectre I.R du CND avant l’adsorption.

L’analyse IR du CND et du C. Merck confirme l’existence des fonctions suivante : O-H, C=C

et les groupements C-H, C=O, C-O comparable à celle du charbon Merck.

66


Figure V-15: Spectre I.R du CND/ H3PO4 après l’adsorption

67


Figure V-16 : Spectre I.R du CND /HNO3 après l’adsorption.

L’étude comparative entre CND natif et ceux activé HNO3 et H3PO4 montre un déplacement

dans les valeurs des piques ainsi qu’un changement d’intensité surtout pour O-H.

68


Discussions

V-7-Effet de la granulométrie sur l’adsorption de CH3COOH sur le CND et le C.Merck :

Le tableau V-11 représente les valeurs du pHi, pHf, Ci, Cf

Tableau V-11 : Variation de la concentration et du pH en fonction de la granulométrie

pour le charbon des noyaux de dattes (CND) et le C. Merck à température ambiante.

Diamétre 2mm 1mm 500 μm 125 μm

CND

PHi 3.83 3.78 3.75 3.78

PHf 4.15 4.19 4.23 4.44

Ci (mol/l) 4.97×10-3 4.97×10-3 4.97×10-3 4.97×10-3

Cf (mol/l) 3.66×10-3 3.33×10-3 3.16×10-3 4×10-3

Merck

PHi 3.76 4.04 3.96 4.02

PHf 4.40 4.42 4.38 4.45

Ci (mol/l) 4.97×10-3 4.97×10-3 4.97×10-3 4.97×10-3

Cf (mol/l) 3×10-3 2.66×10-3 1.5×10-3 1.33×10-3

D’après l’étude de la variation du pHf=f(D) et Cf=f(d), on remarque que l’adsorption est

plus efficace à des faibles diamètres (125µm).

69


V-8-Effet de masse sur l’adsorption de CH3COOH sur le CND et le C.Merck :

Le tableau V- 12 représente les valeurs du pHi, pHf, Ci, Cf

Tableau V.12 : Variation de la concentration et du pH en fonction de la masse pour le

charbon des noyaux de dattes (CND) et le C. Merck à température ambiante.

Masse 1g 5g 7g 10g

CND

PHi 3.09 3.35 3.65 3.76

PHf 3.24 3.99 4.04 4.20

Ci (mol/l) 0.1 0.1 0.1 0.1

Cf (mol/l) 8.9×10-2 6.76×10-2 6.16×10-2 5.93×10-2

Merck

PHi 2.96 3.10 3.16 3.29

PHf 3.03 3.38 3.47 3.77

Ci (mol/l) 0.1 0.1 0.1 0.1

Cf (mol/l) 7.71×10-2 3.16×10-2 2.46×10-2 1.66×10-2

D’aprés les résultats, on remarque que le taux d’élimination d’acide augmente avec

l’augmentation de la masse.

70


V-9-Cinétique d’adsorption sur l’adsorption de CH3COOH sur le CND et le C.Merck :

Tableau 13 : Variation de la concentration et du pH en fonction du temps pour le

charbon des noyaux de dattes (CND) et le C. Merck à température ambiante.

Temps PHi PHf Ci (mol/l) Cf (mol/l)

CND

10min 3.06 3.07 0.1 9.6×10 -2

20min 3.06 3.12 0.1 9.4×10 -2

30min 3.06 3.14 0.1 9.27×10 -2

40min 3.06 3.26 0.1 9.1×10 -2

50min 3.06 3.35 0.1 8.65×10 -2

60min 3.06 3.41 0.1 7.9×10 -2

Merck

10min 2.97 3.01 0.1 9×10 -2

20min 2.97 3.03 0.1 8.8×10 -2

30min 2.97 3.06 0.1 8.5×10 -2

40min 2.97 3.10 0.1 8.1×10 -2

50min 2.97 3.11 0.1 7.9×10 -2

60min 2.97 3.14 0.1 7.7×10 -2

Pour CND de (t=0min) à 30 min on a une faible adsorption à partie de 30 min de mis en

contact. L’adsorption devient plus efficace.

La cinétique d’adsorption est plus rapide pour le C.Merck on a un max t =40min

71


V-10- Etude comparative d’adsorption de l’acide acétique entre les deux types

d’activation

Tableau V-14 : Etude comparative entre l’adsorption sur noyaux activé par H3PO4 et

HNO3.

Activé par(H3PO4) Activé par (HNO3)

pH i 2.82 2.82

pHsur 2.33 4.40

pHf 2.34 4.40

VNaOH (ml) 11.2 7.46

Ci (mol/l) 0.1 0.1

Cf (mol/l) 0.112 0.074

D’après les valeurs du pHf et du Cf, on constate le CND activée par HNO3 est plus efficace

par rapport au CND activée par H3PO4 vis-à-vis de l’élimination on du polluants

Tableau V-15 : Perte de masse

mi (g) mf (g) Perte de masse%

HNO3 70 1.38 98

H3PO4 10 1.120 88.8

Le mode d'activation physique par calcination et chimique par l'attaque de l'acide nitrique

10N ou l'acide phosphorique 45% joue un rôle très important sur l'élargissement des pores

par élimination des matières, goudronnées à l’intérieur des pores justifiée par la perte de

masse qui atteignent 98% pour l’acivation par HNO3 et 88% pour l’activation par H3PO4.

72


V-11-Etude comparative entre l’adsorption sur noyaux calcinés puis broyés et les

noyaux broyés puis calcinés.

Tableau 16 : Etude comparative entre l’adsorption sur noyaux calcinés puis broyés et les

noyaux broyés puis calcinés.

Charbon broyés puis calcinés Chabon calcinés puis broyés

pH i 3.66 3.04

pHsur 6.17 3.20

pHf 6.19 3.23

VNaOH (ml) 6.46 8.96

Ci (mol/l) 0.1 0.1

Cf (mol/l) 0.0646 0.0896

On remarque d’après le tableau qu’on arrive à un Cf = 0.0646 dans le1 ère cas est 0.0896 dans

le 2 éme cas. Donc le broyage avant la carbonisation donne des meilleurs résultats pour

l’élimination du polluant acide

Tableau V-17 : Taux d’humidité (H%)et taux de cendre (Cd%)

CND C.Merck

H% 1 1

Cd% 3.5 1.5

73


Références

[1] F. Benamraoui, Elimination des colorants cationiques par des charbons actifs synthétisés à

partir des résidus de l’agriculture, Univ Ferhat Abbas Setif, (2014), p33.

[2] G .Linden .Technique d’analyse et de contrôle dans les industries agro-alimentaires :

Principe des techniques d’analyse Vol.II .Ed.Collection Science et Technique

Agroalimentaire.Paris. (1981). 434p.


du noyau des dattes : essai d’incorporation dans une crème cosmétique de soin, Univ M’hamed


[4] B. Boukhari, Fabrication Et Application Du Charbon Actif (Carbone Activé) A Partir Des

Noyaux Des Dattes, Univ Mohamed Khider – Biskra, (2015), p20.

Conclusion générale

74



Notre contribution ouvre la voie à des investigations futures pour la valorisation des

déchets végétaux à savoir noyaux de dattes ou autres en les exploitant dans la purification des

effluents industriels et de protection de l'environnement d'une manière générale par le procédé

d’adsorption étant donné que ce dernier est très utile pour minimiser le degré de pollution.

On peut dire que l’objectif de notre travail est achevé par la fabrication du noir de carbone

activé (Charbon actif) des noyaux des dattes.

Cette étude a été réalisée en deux étapes, la première est de fabriquer un charbon actif à

partir d’un déchet naturel ligno-cellulosique, autrement dit de noyaux de dattes, la seconde

étape est de caractériser les charbons obtenus. La bonne préparation des échantillons à la

carbonisation à 600°C et au traitement chimique aux acides nitrique et phosphorique a permis

d’obtenir des charbons avec des propriétés physico-chimiques et structurelles comparables avec

celles trouvés dans la littérature.

Suivant cette étude on conclut que :

La préparation de charbons actifs, matériaux à grande capacité d’adsorption par

activation chimique, et combinée des noyaux de dattes, à était faite avec succés.

La comparaison des propriétés adsorbantes des deux charbons montrent que CND est

plus performant que Merck.

Les essais d’adsorption réalisés sur le charbon des noyaux et le charbon commercial

Merck en grains , nous ont permis de constater que la phase adsorbante issue des noyaux

de dattes a montré une efficacité aussi bonne que celle du charbon actif en grain.

L’activation chimique par HNO3 a amélioré le taux d’adsorption par rapport à

l’activation par H3PO4.

Les valeurs du taux d’humidité inférieur à 5% et taux de cendre inférieur à 10% se

situant dans les normes peuvent être indicatives sur la qualité supérieure de la nouvelle

phase.

L’augmentation de la masse d’adsorbant accroit la capacité d’adsorption.

Les études cinétiques d’élimination du polluant ont révélé que la phase adsorbante

75


préparée a une bonne affinité avec ce polluant.

La granulométrie conditionne la vitesse d’adsorption plus le diamètre des grains est

petit plus le transfert vers le centre est rapide.

La nature acide du charbon commercial et du CND résulte de l’existence d’hétéroatomes

tels que l’oxygène et l’azote, ces hétéroatomes forment des groupes organiques tels que

les cétones, les éthers… etc.

L’analyse spectrale IR nous a permis d’identifier les fonctions de surface du charbon

commercial et du charbon végétal étudié.

Il ressort de cette étude que ces charbons à base des noyaux de dattes sont des bons adsorbants

et ces résultats sont intéressants.

Annexes

Annexes

Figure A.1 : Étuve Thermo Scientific (Heraeus)

Figure A.2 : Broyeur électrique (Retsch)

Figure A.3 : Creusets de porcelaine

Annexes

Figure A.4 : Les différents tamis selon les diamètres de pore

Figure A.5 : four électrique (Four HERAEUS ELECTRIC)

Figure A. 6 : moulin à café

Annexes

Figure A.7 : Dessiccateur de laboratoire

Figure A.8 : pH mètre de laboratoire

Figure A.9 : mortier

Annexes

Figure A.10 : Charbon brut issu de noyaux de dattes

Figure A.11 : noyaux de dattes broyées

Annexes

Figure A.12 : Prétraitement chimique des noyaux de dattes

Figure A.13 : Charbons activés chimiquement obtenus après refroidissement au dessiccateur

Figure A.14 : Traitement du charbon commercial

préparation d’une nouvelle phase adsorbante et étude · ii-6-2- concept d’isotherme...

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