Préparation et caractérisation de carbones activés à partir de mélanges de précurseurs lignocellulosiques

Abstract

La pollution médicamenteuse est une problématique pour les grands pays producteurs et consommateurs de substances pharmaceutiques, ceux en développement ayant comme préoccupation majeure l’inefficacité des stations d’épuration à remédier à ce problème environnemental. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la dépollution des eaux usées contaminées par les résidus médicamenteux. Les effluents chargés en traces de substance médicamenteuse ne sont pas pris en compte dans les traitements de potabilisation classique, d’où la nécessité d’introduire de nouveaux procédés spécifiques intégrant de nouveaux adsorbants capables de dépolluer les eaux contaminées et leur rendre la qualité exigée pour la consommation humaine. Parmi ces matériaux adsorbants, figurent les carbones activés issus des matériaux lignocellulosiques préparés à partir de sous-produits de l’industrie agroalimentaire tels que les noyaux de datte, d’abricot et de nèfle. L’objectif de notre étude est la dépollution des eaux synthétiques contaminées par un résidu médicamenteux qui est la carbamazépine par un carbone activé préparé de sous- produits sus mentionnés. L’intérêt de cette recherche se manifeste sur le double plan de la dépollution des eaux usées et de la valorisation d’un déchet lignocellulosique utilisé comme précurseur. Une étude du précurseur a été préalablement faite afin de déterminer la composition en carbone (de 65 à 75 %) et en biopolymères dans le matériau lignocellulosique. Cette étude a montré que le noyau de nèfle est constitué d’hémicellulose tandis que l’analyse thermogravimétrique a révélé le lien entre la nature du précurseur, sa composition en biopolymères et le type de porosité développée au sein du carbone activé élaboré. Ces précurseurs hautement carbonés sont broyés et tamisés jusqu’à obtenir une taille de particules inférieure à 71 µm puis activés a l’acide phosphorique et calcinés à 700 °C et sont ensuite caractérisés par différentes méthodes (analyse chimique, chimie de surface et étude texturale)Les isothermes d’adsorption du bleu de méthylène sont étudiées pour des concentrations initiales allant de 100 à 2000 mg/L. Les capacités d’adsorption maximales du bleu de méthylène obtenues varient de 250 à 450 mg/g, la plus importante étant obtenue pour le charbon actif issu du mélange de noyaux abricot/datte, qui se compare favorablement par rapport à d’autres charbons actifs selon des études récentes où la capacité de BM est estimée à 350 mg/g pour des charbons actifs magnétiques La valeur élevée de la quantité adsorbée est due à la charge négative de la surface des charbons actifs, le pH pcz des matériaux préparés varie de 2,2 à 3,8 mais le pH des solutions a été ajusté à 6 pour l’étude des isothermes d’adsorption. Le grand nombre de groupements oxygénés (de 1,5 à 2,87 meq/g) à la surface contribue fortement à cette adsorption. Les grandes surfaces BET obtenues (800 à 1500 m2/g) s’expliquent par la grande porosité développée (volume poreux total de 0,51 à 1,02 cm3/g). Ces propriétés contribuent au pouvoir adsorbant appréciable des carbones activés élaborés. L’application des charbons activés préparés a été effectuée pour l’élimination de la carbamazépine (CBZ). Le charbon activé pulvérulent issu des noyaux d’abricot par activation chimique à l’acide phosphorique est comparé à deux charbons actifs commerciaux extrudé et en tissu, lesquels ont été également broyés et tamisés. Une capacité maximale de CBZ adsorbée de 170 mg/g a été atteinte pour le charbon actif issu de noyaux d’abricot. La cinétique d’adsorption de la carbamazépine sur les charbons investigués a été étudiée en agitation orbitale et sous irradiation ultrasonore et en couplage des deux procédés. La dégradation de la CBZ sous ultrason, par hydrolyse, par la lumière a été suivie par la quantification de CBZ par chromatographie liquide haute performance. Cette étude a permis de conclure que les cinétiques d’adsorption de CBZ sur charbon en poudre est très rapide et l’effet des ondes ultrasonore est négligeable sur le procédé d’élimination car la CBZ est très persistante et n’est dégradée ni par la lumière ni par hydrolyse. Toutefois, la cinétique d’adsorption de la CBZ est considérablement accélérée par irradiation ultrasonore dans le cas des charbons activés pulvérulents provenant du tissu et de l’extrudé. Les radicauxlibres OH formés lors de la sonolyse de l’eau accélèrent la diffusion de la CBZ passant de 10% fixée par adsorption sur le charbon (en tissu) pendant 6 h à 22 % sous ultrason.