Adsorption des colorants TEXTILES par une argile modifiée pdf

 Ahmed BOULMOKH, Yamina BERREDJEM, Nadia BENSID, Kamel GUERFI, Abdelhak GHEID

 Laboratoire de traitement des eaux et valorisation des déchets industriels (L.T.E.) Département de chimie, Faculté des Sciences , Université Badji Mokhtar  BP. 12  Annaba 23000 ( Algérie )

   ملخص: لقد اعتمدنا في عملنا على دراسة الخواص البنيوية والفيزيوكيميائية للطين و ذلك من اجل رؤية سلوكها مع ألوان النسيج المصنعة. حضرنا عدة عينات ( Fe+3, Al+3, Na+) و عينة معالجة بالماء الاكسجيني H2O2)). ازرق الميتيلين درس بهدف المقارنة. درسنا كذلك منحنى الامتزاز بدلالة عدة معاملات فيزيوكيميائية  :, pH, المعامل الحبيبي, الحرارة, سرعة التخليط. عوامل  توازن الامتزاز المتحصل عليه حسب بعلاقة لنغمير.النتائج التجريبية بينت أن الطين المعالجة بالماء الاكسجيني و الصودية لها خواص امتزازية ايجابية لنزع الملونات النسيجية المصنعة.

 Abstract – In this work we proceeded to the determination of the structural and physico - chemical features of clay in order to study his behavior screw to screw of certain textile stains of synthesis. We prepared different samples cationics (Na+, Al+3, Fe+3) and another treaty by H2O2. The bruise of methylene acted as model. Isotherms of adsorption have been studied according to several physico-chemical parameters: pH, granulometry, temperature and speed of agitation. Parameters of the adsorption balance gotten according to the equation of Langmuir have been determined. The experimental results show that the clay treated by H2O2 and NaOH presents features of adsorption favorable to the elimination of this synthesis stains textile.

 Résumé – Dans ce travail, nous avons procédé à la détermination des caractéristiques structurales et physico-chimiques d’une argile en vue d’étudier son comportement vis à vis de certains colorants textiles de synthèse. Nous avons préparé différents échantillons cationiques (Na+, Al+3, Fe+3) et un autre traité par H2O2. Le bleu de méthylène a servi de comparaison. Les isothermes d’adsorption ont été étudiées en fonction de plusieurs paramètres physico-chimiques : pH, granulométrie, température et vitesse d’agitation. Les paramètres de l’équilibre d’adsorption obtenus d’après l’équation de Langmuir ont été déterminés. Les résultats expérimentaux montrent que l’argile traitée par H2O2et sodique présentent des caractéristiques d’adsorption favorables à l’élimination de ces colorants textile de synthèse.

 Mots Clés : Caractérisation, Argile, Adsorption,Colorants Textiles, Isotherme.

 1. INTRODUCTION

  De nombreux pays sont confrontés à un manque chronique de cette denrée. Or  en Algérie, les ressources hydriques commencent à être limiter; les restrictions en eau sont appliquées d’une manière draconienne. Actuellement l’eau arrive en moyenne aux ménages une fois par semaine. Les terres agricoles sont agressées par l’utilisation abusive des eaux usées, d’où une prolifération des maladies, les épidémies sont de plus en plus fréquentes.

 L’origine de nos travaux a pour objectif de mettre en valeur les propriétés sorptionnelles d’une argile de la famille halloysite en introduisant des modifications pour la rendre plus efficace. Des études effectuées sur l’élimination des colorants par les argiles [1-5] ont montré que les traitements apportés, améliorent les capacités sorptionnelles  de ces argiles. En effet, dans notre cas, les échantillons modifiés tels que : l’halloysite sodique et l’halloysite traitée par H2O2 bénéficient d’un important pouvoir d’adsorption vis à vis des colorants textiles.

 L’objectif de ce travail consiste à mettre en valeur ce type de matériau et le rendre plus performant dans le traitement des eaux résiduaires pour l’élimination des colorants textiles de synthèse. Nous présenterons les résultats obtenus, l’étude des conditions d’adsorption de ces colorants textiles en système statique. Les mécanismes d’interaction intervenant entre adsorbants-adsorbats seront comparés à ceux d’une molécule modèle : le bleu du méthylène (BM) au contact avec la surface des échantillons argileux et rendre compte de l’importance des sites actifs, favorables à l’adsorption de ces colorants.

  2. MATERIAUX ET METHODES

 Le kaolin utilisé dans notre étude nous a été fourni à l’état brut par l’Entreprise Céramique et Vaisselle de l’Est (ecVE). Il provient d’une mine située dans la région de Rocknia (Guelma, ALGERIE). L’échantillon argileux a été préalablement purifié au laboratoire avant activation [6]. Les produits chimiques utilisés ont été fournis par PROLABO de qualité RP NORMAPURR  et les colorants de textile Lanaset commercialisés par la société CIBA-GEIGY. Les mesures de densité optique ont été obtenues par un spectrophotomètre JENWAY 6300. Les surface spécifiques ont été mesurées sur un appareil Micromeritics ASAP 2010 (laboratoire des agrégats moléculaires et matériaux inorganiques; Montpellier II). Le pH de la suspension est mesuré sur un pH-mètre HANNA 211 avec une précision sur la valeur du pH de ±0.01.   

 Etude structurale

  Les études texturale et morphologique ont montré que cette argile appartient à la famille halloysite. En effet l’analyse par infrarouge des spectres  d’argile traitée par voie chimique [6] montrent que les attributions de bandes sont caractéristiques d’une métahalloysite (figure 1). La visualisation de la surface et des grains (photographie 1 et photographie 2) montrent que les particules sont constituées de bâtonnets (tubes ) et de plats [7]. Ce qui est en accord avec les résultats obtenus par les autres méthodes d’analyse  (DRX, ATD, ATG) [8]. Dans le tableau I, nous présentons les caractéristiques physico-chimiques de cekaolin hydrothermal  de la famille halloysite.

Figure 1. Spectre Infrarouge en FTIR de l’halloysite étudiée.

 Tableau 1. Principales caractéristiques physico-chimiques de l’halloysite naturelle.

 

 2.2. Préparation des échantillons

Les halloysites sodique, ferrique et aluminique ont été préparées par la procédure suivante : 0.100 mole.l-1 de FeCl3, AlCl3 et NaCl sont ajoutées à 400g d’halloysite lavée à l’eau  distillée [9]. Le tout est agité pendant 24 heures puis le liquide surnageant est siphonné..  Le solide est lavé  avec l’eau distillée jusqu’à l’élimination totale des ions Cl-, filtré sous vide et laissé sécher à la température ambiante. La destruction de la matière organique a été effectuée selon le procédure décrite en [6]. Onobtient ainsi une série d’halloysites notées Kao-Na, Kao-Al, Kao-Fe, Kao-H2O2 et Kao-Nat.  Les résultats des mesures de surfaces spécifiques de ces échantillons modifiés ont été portés dans le Tableau II.

 Tableau II. Surfaces spécifiques et Diamètres moyens des pores des différents échantillons d’halloysite modifiée.

2.3. Dosage

l’analyse élémentaire au sodium métallique a montré que les colorants de textile utilisés (bleu, rouge et jaune) sont des composés soufrés. Leurs solubilités dans l’eau dépassant 1g .l-1. Des essais en série d’adsorption ont été réalisés sur des volumes de 20ml d’eau distillée à pH 4 contenant les colorants textiles à différentes concentrations en présence de 0.5g d’argile de granulométrie 100µm. Le mélange a été agité à température ambiante (20°C) à l’aide d’un agitateur rotatif à 10tours par minute. Une fois que le temps d’équilibre a été atteint, les suspensions sont centrifugées à 7000 tr/mn pendant 15mn, puis filtrées et dosées.. En effet, dans le domaine de concentration allant de 0 à 50 mg.l-1, les solutions de colorants obéissent à la loi de Beer-Lambert.Les cinétiques d’adsorption (figure 3) ont été établies pour les colorants textiles (bleu, rouge et jaune ) en solution aqueuse à pH 4 de concentration initiale égale 100 mg.l-1 sur les échantillons d’halloysite Kao-Na  et Kao-H2O2  pour une masse d’argile 0.5g (25 g.l-1). Une grande proportion de chaque colorant est adsorbée dans les 30 premières minutes (54 – 74% pour l’échantillon sodique et 60 – 79%  pour l’échantillon traité par l’eau oxygénée). Pour un temps plus long (24 heures) la quantité résiduelle reste pratiquement constante. Dans tous les essais le temps de contact a été maintenu égal à 3 heures, temps nécessaire pour obtenir l’équilibre d’adsorption de ces colorants de synthèse.

Les capacités d’adsorption à saturation Γ ont été obtenues à partir de l’extrapolation sur l’axe des ordonnées à l’origine de la droite correspondante à l’équation linéaire de Langmuir :

1 / G = 1 / (G¥KCe) + 1 / G¥

Les valeurs de Γ et K obtenues pour le colorant jaune reportées sur le tableau III, montrent que l’halloysite modifiée possède des capacités ultimes d’adsorption 8.3; 6.6; 9.1; 7.7 et 5.3 mg.g-1 , respectivement pour les Kao-Na, Kao-Al, Kao-Fe, Kao H2O2 et Kao-Nat. Ces valeurs de Γ obtenues par extrapolation sont relativement proches de celles obtenues par les courbes de saturation (6.5 ; 6.4 ; 5.7 ; 6.1 ; et 5.3 mg.g-1), à l’exception de l’argile ferrique où l’erreur sur d’incertitude est importante.

 Tableau III. Valeurs des constantes K et G¥ de l’équation de Langmuir  pour chaque couple échantillon d’halloysite - colorant.

3.2. L’effet de la température

L’étude de l’effet de la température sur l’adsorption des colorants textiles permet de déterminer les paramètres thermodynamiques. La figure 7 représente les isothermes d’adsorption des colorants textiles aux températures 20°C et 35°C sur l’échantillon Kao-H2O, que l’augmentation de la température a pour effet de diminuer l’adsorption des colorants textiles. Nous pouvons déduire que l’adsorption est  physique et que les réactions en surface sont endothermiques.

3.3. Effet de l’agitation

Les phénomènes de transfert de matière sont conditionnés par les conditions hydrodynamiques de l’écoulement ; cette influence est d’autant plus importante et complexe lorsque le système est de type liquide-solide. En effet, l’examen des résultats obtenus montre que la quantité adsorbée des colorants (bleu, rouge et jaune ) est d’autant moins importante que la vitesse l’agitation provoque un mouvement de flux de matière est favorise le phénomène de désorption. La figure 8représente l’influence de la vitesse d’agitation sur l’adsorption du colorant jaune, nous remarquons que la quantité adsorbée du colorant jaune diminue avec l’augmentation de la vitesse, en effet à 40 tr / mn  la capacité d’adsorption est altérée par la résistance au transfert de la matière à l’intérieur du film liquide[11,12].

3.4. Adsorption d’un colorant modèle.

De manière à progresser dans notre compréhension du phénomène d’adsorption, il nous a paru intéressant  de remplacer les colorants textile de structure mal définie, par un colorant modèle. Nous avons choisi ce colorant modèle de manière à ce qu’il réponde aux critères suivants : C’est un composé basique, sa solubilité dans l’eau dépassant 100 mg.l-1 et son affinité pour la surface des argiles a été prouvée par différentes expériences [2,10].

Pour cette étude, le protocole expérimental appliqué aux colorants bleu, rouge et jaune a été suivi afin de pouvoir comparer les mesures des capacités d’adsorption de ce colorant modèle avec celles des colorants textiles. L’adsorption est performante dans l’intervalle (o – 350 mg.l-1 ), pour des concentrations supérieures en absorbâts, il devient difficile de trouver un site de fixation. L’allure des isothermes indique que l’adsorption a lieu par voie ionique et que les molécules du bleu de méthylène se disposent horizontalement à la surface des grains de sorte que le nombre d’interactions hydrophobes entre adsorbât et adsorbant soit maximal.

La figure 9 représente les isothermes d’adsorption du bleu de méthylène (BM) sur les Kao-Na, Kao-Al, Kao-Fe, Kao-H2O2 et Kao-Nat. Nous remarquons que ces isothermes d’adsorption sont ajustables au modèle de Langmuir. L’échantillon Kao-H2O2 présente des propriétés d’adsorption intéressantes (22.1 mg.g-1)comparativement aux autres échantillons d’halloysite.

 4. Conclusion

Les échantillons modifiés de cette halloysite ont été utilisés comme supports d’adsorption des colorants textiles de synthèse. Globalement la nature cationique de l’argile accroît l’adsorption des colorants textiles. Les propriétés d’adsorption de ces colorants sont nettement améliorées par ces traitements  Cependant le pouvoir adsorbant de l’échantillon Kao-l’argile H2O2  reste  favorisé.

L’utilisation d’une molécule modèle, nous a permis de progresser dans la compréhension du phénomène d’adsorption. Le bleu de méthylène présente une meilleure affinité pour l’halloysite modifiée, ceci peut s’expliquer par les différents dipôles que renferme le bleu de méthylène. En effet sa molécule peut se fixer sous diverses formes à la surface des grains, les molécules des colorants textiles par leur  l’encombrement occupent partiellement la surface des grains.

Pour l’étude quantitative de l’adsorption des colorants textiles contenus dans les eaux usées de l’unité ELATEX de Souk-Ahras (Algérie), nous avons utilisé l’échantillon Kao- H2O2 , la demande chimique en oxygène ( DCO) a été ramenée de 184 mg.l-1 à 63 mg.l-1. A titre indicatif l’unité ELATEX obtient une eau résiduelle après traitement, une DCO de 150 à 184 mg.l-1. Cette halloysite oxydée peut être utilisée en complément aux différents traitements effectués à ces eaux usées afin d’éliminer d’une manière efficace ces polluants toxiques et restituer à notre environnement une eau plus propre.

5. Références bibliographiques

1.Boukerroui A.,Ouali M.S., 2000. Activation d’une bentonite par un sel d’ammonium : Evolution de la capacité d’échange et de la surface spécifique. Ann. Chim. Sci. Mat. 25, 583-590.

2.Bagane M., Guiza S., 2000.  Elimination d’un colorant des effluents de l’industrie textile par adsorption. Ann. Chim. Sci. Mat. 25, 615-626.

3.Kacha S., Ouali M.S, et Elmaleh S., 1997. Elimination des colorants des eaux résiduaires de l’industrie textile par la bentonite et des sels d’aluminium. Rev. Sci. Eau 10 (2) 233-247.

4.Tahana A., Karoua M., El-Farissi, Levitz P., Damme H.van, Bergaya F., and Marguilies L.,1999. Adsorption of phenol M. and chlorine derivatives on PILCS and organo - PILCS. J. Chim. Phys. 96 464-469.

 Lee S. Y., Kim S. J., 2002. Adsorption of naphtalene by 5.HDTMA modified kaolonite and halloysite .Appl. Clay, Sci. 22 55-63.

6.Robert M., and.Tessier D.,  1974.  Ann. Agrom. 25. 859-882.

7.Caillère S., Hénin S., and Rautureau M., 1982. Minéralogie des argiles ; 1e édition Masson.

Berredjem y., 2001., Caractérisation d’un kaolin 8.hydrothermal et essais à l’adsorption des dérivés phénoliques. Th. de Mag., Univ. Badji–Mokhtar, Annaba, Algérie

Perry R.H., 1997. Perry’s Chemical Engineers 9.Handbook, 6e édition, Mc Graw-Hill,

10.Chen G., Pan J.,. Han B, and Yan H., 1999. Adsorption of Methylene Blue on Montmorillonite.  J. Dispersion Sci.  And Tech. 20(4),  1179-1187.

11.Mc. Kay G., Allen S.J.,1980. Surface Mass Transfer Processes Using Peat as on Adsorbant of Dyestuffs, Can J. of Chem., Eng., 58 august 521-526.

12.Mc. Kay G.., Stefen J., Walters J.H.R., 1983. External  Mass Transfer and Homogeneous Solid-Phase Diffusion Effects During the adsorption of Dyestuffs, Ind. Eng. Chem. Process, 23 221-22