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UNIVERSITE DE DSCHANG
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ECOLE DOCTORALE
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UNITE DE FORMATION DOCTORALE
SCIENCES FONDAMENTALES
ET
TECHNOLOGIE
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UNIVERSITY OF DSCHANG
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POSTGRADUATE SCHOOL
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DOCTORAL TRAINING UNIT
FUNDAMENTAL SCIENCES
AND
TECHNOLOGY
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DEPARTEMENT DE CHIMIE
DEPARTMENT OF CHEMISTRY
LABORATOIRE DE CHIMIE DES NUISANCES ET DU GENIE DE
L'ENVIRONNEMENT
(LACHINGE)
ADSORPTION DU PARACETAMOL EN
SOLUTION AQUEUSE PAR LES CHARBONS
ACTIFS OBTENUS DES BALLES DE RIZ
MEMOIRE
Rédigé et
présenté en accomplissement partiel en vue de l'obtention
du
diplôme de « Master of Science (M.Sc) » en
Chimie
Option : Chimie Inorganique
Spécialité :
Chimie Analytique
Par :
BOPDA Aurélien
Matricule :
CM04-10SCI1094
Licencié en Chimie
Sous la direction de :
Année 2016
NCHE George NDIFOR-ANGWAFOR (PhD) (Chargé de
Cours)
DEDICACE
A Mes chers parents:
TEKOUTCHOP Joseph
&
MENKEU Anne épouse TEKOUTCHOP
REMERCIEMENTS
Ce travail a été initié et
réalisé au sein du Laboratoire de Chimie des Nuisances et du
Génie de l'Environnement (LACHINGE) de l'Université de
Dschang-Cameroun. Je voudrais remercier très chaleureusement:
Le Dr KAMGAING Théophile, responsable
dudit Laboratoire pour la confiance qu'il m'a accordée en m'accueillant
dans son laboratoire.
Le Pr KETCHA Joseph Mbadcam, responsable du
Laboratoire de Chimie Physique et Théorique (LCPT) de
l'Université de Yaoundé I, laboratoire dans lequel les
matériaux ont été carbonisés.
Le Dr NCHE George NDIFOR-ANGWAFOR, pour avoir
suivi de près et de bout en bout ce travail, pour tous ses conseils et
son apport dans la réalisation de ce travail. Je voudrai aussi le
remercier pour avoir accepté de m'initier à la recherche.
Le Pr NGOUELA Silvère Augustin, Chef
de Département de Chimie, pour sa générosité, son
dynamisme et ses conseils. Je le remercie vivement pour la bonne organisation
du département, qui a permis que ce travail soit réalisé
et soutenu dans les délais.
Les membres du jury pour avoir accepté malgré
leurs multiples occupations, de sacrifier un peu de leur temps pour se
réunir et examiner minutieusement ce travail;
Les enseignants de l'Université de Dschang (Cameroun)
en particulier ceux du département de Chimie pour leurs connaissances
transmises;
M. TCHUIFON Donald R, qui a fait preuve d'une
grande disponibilité et qui m'a aidé lorsque j'en avais besoin.
Merci pour son implication dans mon travail et pour toutes ses remarques
toujours pertinentes qui m'ont permis d'avancer;
Les aînés du laboratoire pour leurs conseils, et
leurs assistances dans la réalisation de ce travail;
Mes camarades de promotion pour leur esprit d'équipe,
de fraternité et pour les discussions scientifiques enrichissantes;
Ma famille, et plus particulièrement à mes
grands parents, mes frères et mes soeurs, ma profonde reconnaissance
pour leur patience et leur réconfort dans les moments de doutes et de
découragements, Je ne saurai passer sous silence l'apport inestimable
des autres membres de ma famille.
Le Dr NGUENA Landry, M. NKEUKOH
Francis, et M. NOUBOUDEM Ervis qui ne cessent de
m'encourager jour après jour et à qui j'exprime toute ma
gratitude et toute ma reconnaissance;
Maman TOUKEM Marceline à qui je dois
une profonde reconnaissance pour son affection et ses efforts consentis pour
mon épanouissement et ma réussite;
Mes chers amis que j'ai rencontrés lors de cette
aventure et avec qui j'ai passé de bons moments, autour d'un café
ou d'un repas. Je leur dis merci pour leur sincère camaraderie et pour
leur soutien durant la réalisation de ce travail;
A tous ceux dont les noms ne figurent pas dans ce document et
qui ont contribué d'une façon ou d'une autre à la
réalisation de cette thèse, qu'ils acceptent l'expression de ma
profonde gratitude.
iv
TABLE DES MATIERES
DEDICACE i
REMERCIEMENTS ii
TABLE DES MATIERES iiiv
LISTE DES TABLEAUX vii
LISTE DES FIGURES viii
LISTE DES ABREVIATIONS x
RESUME xii
ABSTRACT. xiii
INTRODUCTION GENERALE 1
CHAPITRE 1: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE 3
1.1. POLLUTION PAR LES PRODUITS PHARMACEUTIQUES 3
1.1.1. Définitions 3
1.1.2. Sources de contamination par les produits pharmaceutiques
3
1.1.3. Impacts environnementaux des produits pharmaceutiques 4
1.1.4. Cas du paracétamol 4
1.2. LES PROCEDES D'ELIMINATION DES PRODUITS PHARMACEUTIQUES
DANS L'ENVIRONNEMENT 6
1.2.1. Procédés chimiques 6
1.2.2. Procédés Physiques 7
1.3. PHENOMENE D'ADSORPTION 7
1.3.1. Adsorption physique 8
1.3.2. Adsorption chimique 8
1.3.3. Facteurs influençant sur le phénomène
d'adsorption 8
1.3.4. Mécanisme d'adsorption 8
1.3.6. Les isothermes d'adsorption 9
1.3.7. Modélisation de la cinétique d'adsorption
13
1.4. LES CHARBONS ACTIFS (CA) 14
1.4.1. Définitions et description 14
1.4.2. Préparation des charbons actifs 15
1.4.3. Types de charbons actifs 16
1.4.4. Propriétés d'un charbon actif 16
1.4.5. Utilisation des charbons actifs 18
CHAPITRE 2 : MATERIELS, REACTIFS ET METHODES 19
2.1. MATERIAUX 19
2.1.1. Collecte des balles de riz 19
2.1.2. Préparation du charbon actif 19
2.1.3. Méthodes de caractérisations des charbons
actifs 19
2.1.3.1. Spectroscopie IR-TF 19
2.1.3.2. Détermination du point de charge nulle (pHpzc)
20
2.1.3.3. pH du charbon 20
2.1.3.4. Densité de l'échantillon 21
2.1.3.5. Taux d'humidité 21
2.1.3.6. Surface spécifique 21
2.1.3.7. Indice d'iode 22
2.2. Réactifs chimiques et équipements 22
2.2.1. Réactifs chimiques 22
2.2.2. Equipements 23
2.2.3. Adsorption du paracétamol en solution aqueuse 23
2.2.3.1. Principe 23
2.2.3.2. Courbe d'étalonnage 24
2.2.3.3. Optimisation de l'adsorption en mode batch du
paracétamol 25
CHAPITRE 3 : RESULTATS ET DISCUSSIONS 27
3.1. CARACTERISATIONS DES MATERIAUX 27
3.1.1. Spectres IR 27
3.1.2. Densité apparente et taux d'humidité 29
3.1.3. Le pH au Point de charge nulle (pHpzc) et pH des charbons
actifs 29
3.1.4. Surface spécifique à l'acide acétique
30
3.1.5. Indice d'iode 31
3.2. ADSORPTION DU PARACETAMOL EN MODE BATCH 32
3.2.1. Influence du pH de la solution 32
3.2.2. Influence du temps de contact 33
3.2.3. Influence de la masse de l'adsorbant 34
3.2.4. Influence de la force ionique 35
3.2.5. Modèles cinétiques 36
vi
3.2.6. Isothermes d'adsorption 39
CONCLUSION ET PERSPECTIVES 44
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 46
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1.1: Propriétés physico-chimiques du
paracétamol . 6
Tableau 1.2: Classification de la forme des charbons
actifs. 16
Tableau 1.3 : Répartition des pores d'un adsorbant.
18
Tableau 2.1: Formules chimiques, noms, pureté et
origines des produits chimiques. 23
Tableau 3.1: Densité apparente et taux
d'humidité des différents charbons 29
Tableau 3.2: pH et pHpzc des différents CA. 30
Tableau 3.3: Paramètre de Langmuir et surface
spécifique à l'acide acétique 31
Tableau 3.4 : Valeurs de l'indice d'iode des deux charbons. 32
Tableau 3.5: Constantes de Vitesse et Coefficients de
Corrélation des Modèles
Cinétiques 38
Tableau 3.6: Constantes d'isothermes 42
Tableau 3.7: Comparaisons de la capacité d'adsorption du
paracétamol avec d'autres
adsorbants 42
LISTE DES FIGURES
Figure 1.1: Structure du Paracétamol 6
Figure 1.2: Structure du N-acétyl-para-benzoquinone imine
6
Figure 1.3: Schéma du mécanisme de transport
d'un adsorbat au sein d'un grain 9
Figure 1.4: Types d'isothermes d'équilibre
d'adsorption pour les systèmes gazeux
(Reungoat, 2007). 10
Figure 1.5 : Structure cristalline : (a) graphite ; (b)
charbon actif 17
Figure 2.1 : Mode opératoire de l'adsorption en mode
batch. 24
Figure 2.2: Droite de calibration du paracétamol en
solution aqueuse. 25
Figure 3.1: Spectre IR des balles de riz brutes. 27
Figure 3.2: Spectres superposés des charbons actifs
CANa1 et CANa2. 28
Figure 3.3: Evolution du pHfinal en fonction du
pHinitial. 30
Figure 3.4: Transformé linéaire de l'isotherme
de Langmuir. 31
Figure 3.5: Influence du pH sur l'adsorption du
paracétamol en solution aqueuse (concentration initial 100 mg/L,
température ambiante, t = 90 min v=150
tr/min, m=0,1g). 33
Figure 3.6 : Influence du temps de contact sur l'adsorption
du paracétamol (concentration initial 100 mg/L, température
ambiante, pH=2, v=150
tr/min, m=0,1g). 34
Figure 3.7: Influence de la masse de l'adsorbant sur
l'adsorption du paracétamol (concentration initial 100 ppm,
température ambiante, pH=2, v=150
tr/min). 35
Figure 3.8: Influence de la force ionique (température
ambiante, pH=2, temps = 100
minutes, v=150 tr/min, m=0,1g). 36
Figure 3.9: Formes linéaires du modèle du
pseudo-premier ordre pour CANa1 et
CANa2. 37
Figure 3.10 : Formes linéaires du modèle du
pseudo-second ordre pour CANa1 et CANa2...37
ix
Figure 3.11: Formes linéaires du modèle de
diffusion intra-particulaire pour CANa1 et
CANa2. 38
Figure 3.12 : Influence de la concentration initiale sur
l'adsorption du paracétamol en solution aqueuse (température
ambiante, pH=2, temps= 100 minutes,
v=150 tr/min, m=0,1g). 39
Figure 3.13 : Modèle linéaire de l'isotherme
Langmuir pour CANa1 et CANa2. 40
Figure 3.14: Modèle linéaire de l'isotherme
Freundlich pour CANa1 et CANa2. 40
Figure 3.15 : Modèle linéaire de l'isotherme
Temkin pour CANa1 et CANa2. 41
Figure 3.16: Modèle linéaire de l'isotherme
de Dubinin-Radushkevich pour CANa1et
CANa2. 41
LISTE DES ABREVIATIONS
AATE: Association Américaine pour le Travail et de
l'Eau
BET: Brunauer, Emmet et Teller
CA: Charbon actif
CAG: Charbon actif en grain
CANa1: Charbon Activé par le NaOH à
450°C
CANa2: Charbon Activé par le NaOH à
500°C
CAP: Charbon actif en poudre
CAT: Charbon actif en tissu
dapp: Densité apparente
IR-TF: Infra Rouge à Transformé de Fourier
OMS : Organisation Mondiale de la Santé
pHpzc: pH au point de charge nulle
POA: Procédés d'oxydation avancée
POC: Procédés d'oxydation classique
U.I.C.P.A: Union Internationale de Chimie Pure et
Appliquée
RTA : Réflexion Totale Atténuée
xi
RESUME
La pollution des eaux par des produits pharmaceutiques
nécessite le recours à des procédés de
dépollutions très performants. L'utilisation des charbons actifs
préparés à partir
des balles de riz, ont été utilisée pour
évaluer sa capacité à éliminer le
paracétamol en solution
aqueuse. Le présent travail a pour but
la préparation et caractérisation de deux charbons actifs, CANa1
et CANa2 à partir des balles de riz obtenus par pyrolyse
précédée d'une imprégnation au sodium hydroxyde.
Les charbons préparés présentent les
caractéristiques suivantes: les pH de charge nul sont de 6,80 pour CANa1
et 6,54 pour CANa2 et les pH des charbons CANa1 et CANa2 sont respectivement de
7,10 et 7,13. Les surfaces spécifiques 178,13m2/g pour CANa1
et 104,82 m2/g pour CANa2 sont obtenues à partir de
l'adsorption de l'acide acétique. La détermination de l'indice
d'iode nous a donné les valeurs respectives de 528,39mg/g et de 494,67
mg/g respectivement pour CANa1 et CANa2. L'élimination du
paracétamol en solution aqueuse par CANa1 et CANa2 a été
étudiée en mode batch. L'influence de plusieurs
paramètres, tels que le temps de contact, la masse du matériau,
le pH de la solution, la concentration initiale et la force ionique, a
été mise en évidence à température ambiante.
L'adsorption maximale a lieu à pH = 2 et un temps de contact de 100
minutes pour les deux adsorbants. La cinétique a été bien
décrite par le modèle du pseudo-second ordre et de diffusion
intraparticulaire. Le modèle de Langmuir décrit mieux
l'adsorption sur CANa1 tandis que le modèle de Freundlich décrit
mieux l'adsorption sur CANa2. Les quantités adsorbées obtenues
sont de 20,964 mg/g et 14,881 mg/g respectivement pour CANa1 et CANa2 par le
modèle de Langmuir. Selon les résultats obtenus, CANa1 et CANa2
peuvent constituer un support efficace pour l'élimination du
paracétamol des eaux usées industrielles.
Mots clés: paracétamol,
adsorption, charbon actif, solution aqueuse.
xii
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