Memoire Online - Synthèse de littérature sur l'utilisation de biosorbants pour l'épuration des effluents liquides chargés en polluants organiques et minéraux

Ce chapitre met en évidence la capacité d'adsorption naturelle des biosorbants à éliminer les polluants. Un matériau constitue un biosorbant natif, lorsqu'aucun prétraitement n'a été appliqué en vue de modifier ses propriétés. Les opérations généralement réalisées lors de la préparation d'un matériau sont : le broyage, le tamisage, le lavage et le séchage.

Broyage : visant à optimiser le contact entre la surface spécifique du sorbant et le polluant, et à faciliter l'utilisation du matériau à l'échelle du laboratoire.

Tamisage : permettant d'isoler, différentes fractions broyées du matériau, en vue de faire varier les conditions expérimentales, afin de choisir la ou les gammes de dimensions granulaires optimales.

Lavage : permettant d'éliminer les résidus du broyage. Elle permet d'évaluer la fraction soluble du matériau.

Séchage : réalisé au début et/ou à la fin de la préparation du matériau, il permet d'avoir un matériau sec.

V.1. Capacité d'adsorption des biosorbants natifs

Bailey et al., (1999) ainsi que Crini (2005), ont répertorié des données relatives à l'utilisation d'une large variété de microorganismes pour la rétention des métaux et des colorants. Les données rapportées par Bailey et al., (1999), relatives à l'adsorption des métaux et des colorants sur des algues et des cellules bactériennes sont résumées dans le tableau 2. Ces données témoignent d'une forte affinité de l'algue verte Chlorella minutissima vis-à-vis du chrome, tandis que le plomb et le cadmium sont faiblement éliminés.

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Tableau 2 : Capacité d'adsorption des biomasses vis-à-vis des métaux (Bailey et al., 1999)

Le tableau 3 présente des données actualisées en rapport avec l'adsorption des polluants métalliques sur la biomasse. Dans l'ensemble, ces biosorbants accusent de très bonnes capacités d'adsorption pour le cadmium, le plomb, le zinc. Ces résultats mettent en évidence la forte affinité de ces biosorbants pour le plomb.

Par ailleurs, Martins et al., (2003) notent que ce processus semble ne pas être affecté par la variation de température dans une gamme de 5 à 30 ⁰C, alors que pour des valeurs de pH supérieures à 6, la capacité maximale d'adsorption diminue.

Tableau 3 : Capacité d'adsorption des biomasses vis-à-vis des métaux (q_m : mg/g)

Hashim et al., (2004) ont proposé de tenir compte de _qm, la capacité maximale d'adsorption et de b, la constante d'affinité du biosorbant (Tableau 4.). Pour un rendement de 90%, l'efficacité des biosorbants, qu'ils ont étudiés, a été déterminée par le rapport W : la masse de biosorbant requise par unité de volume de solution et Ci : la concentration initiale de Cd en solution. L'algue brune a été la plus efficace, c'est-à-dire la concentration de biomasse nécessaire pour fixer 90% des polluants était moindre que pour les deux autres. Cependant la concentration d'algues verte nécessaire pour retenir 90% du Cd en solution est supérieure à celle requise par l'algue rouge ; alors que la capacité de rétention de cette dernière est inférieure à celle de l'algue verte.

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Il est alors nécessaire de souligner que _qm, est à elle seule insuffisante pour bien décrire les mécanismes d'adsorption. Le paramètre b définissant l'énergie d'interaction solutés-biomasse couplé à q_m peut permettre d'interpréter des résultats pas toujours évidents. Plus la valeur du couple [b, q_m] est élevée, plus l'affinité solutés-biomasse est grande donc, plus les sites du matériau auront tendance à piéger les polluants. Ainsi, selon Hashim et al., si la concentration initiale Ci était inférieure à 500 mg/l, l'algue verte aurait la même capacité d'adsorption que l'algue rouge.

Le tableau 5 présente les capacités d'adsorption de différents biosorbants vis-à-vis de certains colorants. Parmi les matériaux recensés, le Rhizopus arrhizus semble être le plus efficace pour l'élimination des colorants. En effet, le biosorbant accuse de très bonnes capacités d'adsorption vis-à-vis du reactive black 5, du reactive orange 16 et du reactive red 4. En second lieu, les boues activées se distinguent par des capacités d'adsorption intéressantes vis- à-vis du reactive yellow 5 et du reactive blue 2. Enfin, les capacités d'adsorption les moins élevées proviennent des essais réalisés avec la biomasse vivante.

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Tableau 5 : Capacité d'adsorption des biomasses vis-à-vis des colorants (Crini, 2005)

Biomasse	Colorants	q_m (mg/g)	Références
Rhizopus arrhizus	Reactive black 5	588.2	Aksu et al., 2000
Chlorella vulgaris	Reactive red 5	555.6	Aksu et al., 2005
Boue activée	Reactive yellow 2	333.3	Aksu, 2001
Boue activée	Basic red 18	85.7 1	Gulnaz et al., 2004
Boue activée	Basic blue 9	6.41	Gulnaz et al, 2004
Boue activée	Reactive blue 2	250	Aksu, 2001
Rhizopus arrhizus	Reactive orange16	190	Mahony et al., 2002
Levures	Remazol blue	73.1	Aksu et al., 2003
Boue activée	Basic blue 47	57.5	Chu et al., 2002a
Rhizopus arrhizus	Reactive red 4	150	Mahony et al., 2002
Spirodela polyrrhiza	Basic blue 9	4.93	Waranusantigul et al., 2003
Boue activée	Basic red 18	33.9	Chu et al., 2002a
Boue activée	Basic red 29	113.2	Chu et al., 2002a
Boue activée	Direct yellow 12	98	Kargi et al., 2004
Rhizopus arrhizus	Reactive blue 19	90	Mahony et al., 2002
Levures	Reactive black 5	88.5	Aksu, 2003
Boue activée	Basic yellow 24	56.98	Chu et al., 2002
Moisissure (niger Aspergillus)	Basic blue 9	8.54	Fu et al., 2000
Moisissure (niger Aspergillus)	Direct red 28	14.72	Fu et al., 2002
Moisissure (niger Aspergillus)	Acid blue 29	13.82	Fu et al., 2001b
Biomasse vivante	Acid blue 29	6.63	Fu et al., 2001b
Biomasse vivante	Basic blue 9	1.17	Fu et al., 2000

Les capacités d'adsorption des biosorbants par rapport à l'adsorption des polluants métalliques et des colorants, plaident en faveur de l'utilisation de ces matériaux pour le traitement des eaux polluées. Le tableau 6 présente les résultats des études relatives à l'adsorption des polluants métalliques sur divers matériaux natifs issus des secteurs industriel et agro-industriel. Özacar et al., (2005), ont mis en évidence l'efficacité de l'écorce de pin pour l'adsorption de deux pigments métalliques bleue et jaune, au moyen des capacités d'adsorption de 280.3 mg/g et 398.8 mg/g (pH= 3.5), calculées respectivement pour ces polluants. La pulpe de betterave étudiée par Reddad et al., (2005) accuse une capacité d'adsorption très intéressante vis-à-vis des cations métalliques. En ordre décroissant suivant l'affinité des pulpes pour les polluants métalliques étudiés est ainsi présentée : Pb> Cu>

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Cd=Zn. Face aux charbons actifs commercialisés, les graines de tamarin ont une capacité de rétention vis-à-vis du chrome de deux à trois fois supérieure (Agarwal et al., 2005). Tel n'est pas le cas pour la bagasse native dont la capacité maximale d'adsorption vis-à-vis du plomb, est quatre à six fois inférieure à celle obtenue pour les charbons actifs (Joseph et al., 2007).

Tableau 6 : Capacité d'adsorption des sous produits du bois et agro-alimentaires vis-à-vis des polluants métalliques

Les interactions cations multivalents-polysaccharides ne sont pas encore tout à fait maitrisées. De nombreux paramètres comme la nature des groupements chargés du polymère, la chimie du métal, la nature de ces contre-ions, la force ionique et le pH des solutions rendent la formation des liaisons adsorbant-adsorbât très complexe. La maîtrise de l'influence exercée par ce groupe de paramètres doit être maîtrisée dans la perspective d'une concrétisation de l'utilisation des biosorbants pour le traitement des eaux à l'échelle industrielle.

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V Potentiel des biosorbants natifs pour l'adsorption en phase aqueuse

V.1. Capacité d'adsorption des biosorbants natifs