Memoire Online - Adsorption du paracetamol en solution aqueuse par les charbons actifs obtenus des balles de riz

Ce chapitre présente brièvement les différents matériaux, les réactifs chimiques, les équipements ainsi que la description du mode opératoire du processus d'adsorption du paracétamol en solution aqueuse.

Les balles de riz utilisées dans le cadre de ce travail ont été récoltées dans l'Arrondissent de Ndop (région du Nord-Ouest Cameroun). Les balles de riz ont été lavées à l'eau du robinet, ensuite rincées à l'eau distillée pour éliminer les impuretés et enfin séchées à température ambiante pendant 72 heures.

Apres la récolte les balles de riz lavées ont été imprégnées. Pour la réaliser, une masse de 20 g de biomasse a été mise en contact avec 35 mL d'une solution de NaOH 1M. L'activation a duré 30 minutes et a précédé le séchage à 105°C pendant 24 heures.

Les échantillons de balles de riz imprégnés ont été carbonisés pendant 1heure à 450°C et 500°C à la vitesse de chauffage de 5°C/min en utilisant un four de marque ISUNU. Les produits de la calcination obtenus ont été lavés à l'eau distillée dans l'optique d'éliminer l'excès de NaOH ainsi qu'augmenter la pureté des CA. Les différents charbons actifs ainsi obtenus, dénommés: CANa1(500°C)et CANa2(450°C), ont été séchés pendant 24 heures à la température de 105°C, puis broyés et tamisés pour obtenir les particules de taille inférieure à 100 um.

2.1.3. Méthodes de caractérisations des charbons actifs 2.1.3.1. Spectroscopie IR-TF

Les différents charbons actifs ont été caractérisés par spectroscopie Infra-Rouge à Transformer de Fourrier (IR-TF). Cette technique permet d'identifier les fonctions chimiques de surface (Kifuani et al., 2012). C'est une technique analytique présentant trois principaux avantages à savoir sa rapidité, sa non destructivité et l'utilisation de faible quantité d'échantillon.

La méthode de Réflexion Totale Atténuée (RTA) utilisée dans le cadre de ce travail est une technique de réflexion dans laquelle on utilise un dispositif optique de réflexion interne

possédant un indice de réfraction élevé (diamant, germanium, silicium, etc) pour les mesures (Kenne, 2011). Dans ces travaux, l'enregistrement a été effectué par le biais d'un spectrophotomètre JR de marque Alpha-P de la firme Brüker. Dans la pratique, quelques milligrammes de matériau ont été déposés sur la surface de mesure constituée d'un cristal RTA diamant. Après avoir recouvert l'échantillon grâce à un dispositif intégré à l'appareil, l'enregistrement du spectre a été directement réalisé.

Le pHpzc correspond à la valeur de pH pour lequel la charge globale de la surface du charbon actif est nulle. Ce paramètre est très important dans les phénomènes d'adsorption, notamment lorsque les forces électrostatiques sont impliquées dans les mécanismes. Le pHpzc permet de déterminer le caractère acide ou basique d'un charbon et de connaître, selon le pH de la solution, la charge de surface nette du matériau. Ainsi, lorsque le pHpzc > pH, la surface du CA est chargée positivement, et lorsque pHpzc < pH la surface du CA est chargée négativement (Tatianne, 2011). Il a été déterminé pour l'ensemble des charbons actifs en utilisant la méthode décrite par Lopez-Ramon et al., (1999).

Afin de connaitre la charge globale du matériau en fonction du pH de la solution, des solutions de NaCl 0,1M dont les pH ont été ajustés entre 2et 10 (par ajout d'une solution aqueuse de NaOH ou de HCl de concentrations10^-3M) ont été préparées à l'avance. Le pH-mètre (pHS-25) a été utilisé pour la mesure du pH. Le charbon actif sec (0,1 g) est mis en contact avec 20 mL de chacune des solutions précédentes contenues dans des flacons. Les suspensions ont été ensuite agitées sur une table d'agitation pendant 24 heures à température ambiante. Chaque mélange a été ensuite filtré à l'aide d'un papier filtre (Whatman) et une nouvelle mesure du pH est effectuée. Le tracé de la courbe pHfinal = f _(pHinitial) permet de déterminer le pHpzc (intersection entre cette courbe et la première bissectrice).

Nous avons eu à déterminer le pH de la surface du charbon en mettant en contact 50 mL d'eau distillée, et 0,5 g de charbon actif dans un flacon suivi de l'agitation du mélange pendant 24heures à température ambiante. Après ce temps, les suspensions ont été filtrées et le pH du filtrat a été déterminé (Tchuifon et al,. 2014a).

La densité apparente des charbons a ont été déterminée en remplissant un flacon de 15mL par charbon actif jusqu'à la marque, le flacon étant préalablement pesé. La nouvelle masse obtenue nous a permis de calculer la différence de masse (Tchuifon et al,. 2014a). La densité apparente se trouve à l'aide de l'équation suivante :

C'est le rapport, exprimé en pourcentage de la quantité d'eau contenue dans l'adsorbant, au poids du même matériau sec. Dans un bécher préalablement pesé, nous avons introduit 1g de CA. Après avoir séché le bécher contenant le CA à l'étuve à 110°C pendant une heure, il a été refroidi dans un dessiccateur. Après refroidissement, le bécher a été pesé de nouveau. Le pourcentage de masse obtenu à partir de la différence de masse nous a donné le taux d'humidité dans l'échantillon (Tchuifon et al,. 2014a).

Où mi la masse initiale, mf la masse finale et T le taux d'humidité. 2.1.3.6. Surface spécifique

La surface spécifique d'un adsorbant est sa surface par unité de masse. Lorsque l'isotherme est exploitée avec l'équation de BET (Brunauer, Emmet et Teller) on parle de surface spécifique de _BET(SBET) et quand elle est exploitée avec l'équation de Langmuir, on parle de surface spécifique de Langmuir (SL). Une autre méthode de détermination de la surface spécifique est basée sur l'adsorption de la molécule d'acide acétique (Avom et al., 2001) qui a une surface moléculaire de 21 Å² proche de celle de N2 (16,2 Å²).

Pour déterminer la surface spécifique, 20 mL de solution d'acide acétique de concentration comprise entre 4x10^-3et 8x10^-3M ont été mis en contact avec 0,1g de charbon actif. Ce mélange a été filtré après 60 minutes d'agitation. A l'issue de la filtration, la concentration résiduelle a été déterminée par la technique de dosage volumétrique (Avom et al., 2001). Les surfaces spécifiques SL (en m²/g) sont déterminées en utilisant l'équation (2.3):

Où N = 6,02 x 10²³mol^-1 (nombre d'Avogadro), SA = 21Å² (surface moléculaire d'acide acétique) et Q0 la quantité maximale d'acide adsorbée obtenue à partir du tracé de l'isotherme de Langmuir.

L'indice d'iode a été mesuré en utilisant la procédure établie par la société américaine pour les tests des matériaux. Il est défini comme le nombre de milligramme d'iode adsorbé par gramme de charbons actifs en poudre. Il mesure les micropores de dimensions inférieures à 2 nm contenus dans le CA.

Dans une fiole de 250 mL a été introduit I2 et KI de concentration respective 0,02N et 0,04N ensuite dans une seconde fiole de 250 mL a été introduit _Na2S2O3.5H2O de concentration 0,005N. Par la suite, 0,1g de chaque CA a été pesé et introduit dans un flacon, ensuite nous avons ajouté 30 mL d'une solution de I2 de concentration 0,02N. Le mélange a été agité, pendant 3 heures puis filtré. Après filtration 10 mL du filtrat ont été titrés par une solution de sodium thiosulphate de concentration 0,005N (l'indicateur coloré étant l'amidon) (Tchuifon et al,. 2014b). L'équation de dosage suivant a été utilisée pour déterminer la concentration finale d'iode:

C_o : est la concentration initiale d'iode, Ct : la concentration à l'instant t d'iode, V : le volume de la solution d'iode.

Les produits chimiques utilisés pour ces travaux sont regroupés dans le tableau ci-dessous.

Tableau 2.1: Formules chimiques, noms, pureté et origines des produits chimiques.

Noms	Formules chimiques	Pureté	Origines
Paracétamol	C8H9NO2	98%	BDH
Acide nitrique	HNO3	63 %	Riedel-de-Häen
Sodium hydroxyde	NaOH	98%	Fischer
Sodium nitrate	NaNO3	98%	Fischer
Diode	I2	99,90%	Fischer
Sodium thiosulfate eau- (1/5)	Na2S2O3.5H2O	99,66%	Fischer
Acide acétique	CH3COOH	99,5%	ANALAR
Acide chlorhydrique	HCl	36%	Phillip Harris

Dans le cadre de ce travail nous avons utilisé les équipements et appareils ci-dessous:

Dans un flacon, une solution de paracétamol de volume V (en mL) de concentration initiale Ci (en mg/L) est mise en contact avec une masse m (en g) du matériau adsorbant. Le mélange obtenu est porté sous agitation sur une table d'agitation à une vitesse v (en tr/min) pendant un temps de contact t précis. A cause de l'affinité qui pourrait exister entre l'adsorbant et l'adsorbat en solution, ce dernier est attiré par le matériau. Les liaisons formées

entre ces deux entités dépendent des mécanismes mis en jeu. Ce processus prend place jusqu'à ce qu'un équilibre soit établi entre la quantité de paracétamol adsorbée et la quantité résiduelle en solution. A l'équilibre, la solution est filtrée et le filtrat obtenu est dosé par spectrophotométrie UV-Vis à une longueur d'onde de 242 nm.

La quantité de paracétamol adsorbée par unité de masse d'adsorbant (en mg/g) est donnée par la relation suivante :

C0 (en mg/L) est la concentration initiale du paracétamol; Ct (en mg/L) est sa concentration résiduelle à l'équilibre, V (en L) est le volume de la solution et m (en g) est la masse du l'adsorbant.

Les pourcentages du paracétamol adsorbés %R ont été calculé à partir de la relation suivante :

L'adsorption en mode batch du paracétamol se résume par le schéma présenté à la figure 2.1 ci-après.

Avant adsorption en mode batch du paracétamol en solution aqueuse, une droite d'étalonnage a été établie dans le but de convertir à chaque fois les absorbances obtenues en concentrations résiduelles. Cette droite de calibration a été établie à partir d'une gamme de concentrations allant de 10 à 120 mg/Let elle donne une relation directe entre l'absorbance mesurée et la concentration de l'espèce chimique en solution.

Les résultats obtenus sont donnés par le tableau 2.2 et la figure 2.2 ci-après :

Cette droite, donnée par la figure 2.2 a pour équation y = 0,013x +0,367 et son coefficient de corrélation est égale à R² = 0,9993. Dans cette équation, y représente l'absorbance du paracétamol en solution aqueuse et x représente sa concentration finale.

La procédure expérimentale du processus d'adsorption a été faite en étudiant l'influence de quelques paramètres physico-chimiques sur le dit processus. L'objectif de cette investigation est de réunir les meilleures conditions expérimentales permettant une rétention optimale du polluant par les adsorbants. Les paramètres qui ont été mis en évidence sont : le pH, le temps de contact, la masse de l'adsorbant, la concentration initiale du paracétamol et la force ionique. Ces paramètres seront étudiés suivant la procédure décrite dans les travaux de Tchuifon et al,. (2014b).

Dans des flacons étiquetés, 20 mL de solutions de paracétamol de concentration 100 mg/L ont été mises en contact avec 100 mg de chaque CA. L'effet du pH a été étudié en ajustant le pH des solutions de paracétamol (2 ; 2,5 ; 3 ; 3,5) à l'aide des solutions de HNO3.

Les mélanges ont été portés sous agitation pendant 90 minutes puis filtrés. Les filtrats obtenus ont été analysés par spectrophotométrie UV-vis à 242 nm.

Dans des flacons étiquetés, 20 mL de solutions de paracétamol de concentration 100 mg/L ont été mises en contact avec 100 mg de chaque CA. Les mélanges ont été portés sous agitation constante, pendant des durées progressives allant de 5 jusqu'à 150 minutes, puis filtrés. Les filtrats ont été analysés par spectrophotométrie UV-vis.

Des flacons étiquetés, 20 mL de solutions de paracétamol de concentration 100 mg/L ont été mises en contact avec des masses variant de 25 à 450 mg de chaque CA. Les mélanges ont été portés sous agitation constante, pendant le temps d'équilibre puis filtrés. Les filtrats ont été analysés par spectrophotométrie UV-vis.

Dans les flacons étiquetés, 20 mL d'une solution de paracétamol dont les concentrations varient de 70 à 120 mg/L ont été mises en contact avec 100 mg de chaque CA. Les mélanges ont été portés sous agitation constante, pendant le temps d'équilibre puis filtrés. Les filtrats ont été analysés par spectrophotométrie UV-vis.

Dans les flacons étiquetés, 20 mL d'une solution de paracétamol de concentration 100 mg/L contenant le NaNO3 dont les concentrations varient de 0,01 à 0,06 mol/L ont été mises en contact avec 100 mg de chaque CA afin de faire varier la force ionique du milieu. Les mélanges ont été portés sous agitation constante, pendant le temps d'équilibre puis filtrés. Les filtrats ont été analysés par spectrophotométrie UV-vis.

Adsorption du paracetamol en solution aqueuse par les charbons actifs obtenus des balles de riz

CHAPITRE 2 : MATERIELS, REACTIFS ET METHODES