Effet du temps de contact (la cinétique d’adsorption)

Synthèse et caractérisation du nanocomposite à base de polymethylpyrrole et d’argile (PMPy-Arg)

La synthèse du nanocomposite à base de polymethylpyrrole et d’argile est réalisée en effectuant une prise de 10mL de notre milieu électrolytique contenant une masse de l’argile montmorillonite K-10, de HCl (0,1N) dans lequel on ajoute le méhylpyrrole, à une concentration finale de 10-1M. L’ensemble est mis dans un bécher placé sur un agitateur magnétique (300 tours) pendant 15 minutes. Apres agitation la solution est filtrée à l’aide d’un papier filtre puis séchée pendant 16 heures.
L’étude des caractéristiques électrochimiques du nanocomposite PMPy-Arg et du polymère polymethylpyrrole ne contenant pas de l’argile, électrodéposé sur platine se fait par voltammétrie cyclique entre -0,6 et 1 V/Ag/AgCl à une vitesse de balayage de100 mV/s pendant 10 cycles

Description des conditions d’adsorption

Des solutions synthétiques de différentes concentration: 1 mg/L, 2 mg/L, 2,9 mg/L, 3 mg/L, 4 mg/L en fluor sont préparées à l’aide d’une solution mère de 10 g/L de NaF. Ces solutions nous permettront de faire une étude détaillée pour évaluer les performances du nanocomposite PMPy-Arg.
La cinétique d’adsorption de l’adsorbat sur l’adsorbant permet de déterminer le temps de contact adsorbant-adsorbat nécessaire pour obtenir l’équilibre d’adsorption. Pour cela on verse dans chaque bécher 1g de l’adsorbant dans 50 mL d’une solution de concentration en fluor égal à 2,9 mg/L, à pH égal à 5,28; l’ensemble est agité pendant des intervalles de temps bien définis, à la température ambiante. Les solutions sont ensuite récupérées puis filtrées avant d’être étudiées par un spectrophotomètre pour connaitre la concentration finale en fluor.
Avec :
qe : la quantité de polluant adsorbée (mg/g),
C0 : la concentration initiale (mg/L),
Ce : la concentration d’équilibre du polluant dans la phase aqueuse (mg/L),
m : la masse de l’adsorbant (g),
V : le volume de la solution (L).
Le pourcentage d’adsorption R est obtenu suivant l’équation:
C0 : la concentration initiale (mg/L),
Ce : la concentration d’équilibre du polluant dans la phase aqueuse (mg/L)
Deux modèles cinétiques ont été utilisés pour étudier le comportement cinétique des fluorures à la surface de l’adsorbant, à savoir le modèle cinétique de pseudo premier ordre et le modèle cinétique de pseudo-second ordre.
Le modèle de pseudo-premier ordre
Ce modèle a été proposé par Lagergren (1898) selon l’équation suivante:
( ) qt est la quantité de soluté adsorbé au temps t, qe (mg/g) la quantité de soluté adsorbé à l’équilibre et k1 (min-1) une constante cinétique.

Le modèle de pseudo-second ordre

Ce modèle a été développé par Ho et Mckay et suit la capacité d’adsorption sur toute la gamme du processus d’adsorption. La forme linéaire du pseudo-second ordre peut être exprimée par : Où k2 (g.mg-1.min-1) représente la constante de vitesse à l’équilibre.
La détermination des paramètres thermodynamiques est très importante pour mieux comprendre l’effet de la température sur l’adsorption. Les variations de l’énergie libre de Gibbs (ΔG0), de l’enthalpie (ΔH0), et de l’entropie (ΔS0) pour le processus d’adsorption sont obtenues par les équations suivantes:
Avec
R : la constante de gaz parfait (8,314.10-3 kJ /mol.K).
T : la température (K)
a : masse de l’adsorbant (g/L)
Le tracé de la courbe log (k0) en fonction de 1/T nous a permis de déterminer les valeurs de ΔG0, ΔH0 et ΔS0.

Méthode de traitement des eaux

A travers les solutions synthétiques préparées nous avons réalisé différentes expériences à savoir :
-La détermination du taux de fluor en introduisant dans une cuvette de 10mL à l’aide d’une seringue normalisée, 4 mL de l’eau à analyser puis 6 mL d’eau distillée. On place la cuve dans la chambre de mesure en y ajoutant 2 mL de réactif SPADNS.
– L’optimisation des paramètres d’adsorption du fluor par le nanocomposite (Équation 1) revient à déterminer la cinétique de la réaction en variant des paramètres tels que le pH en utilisant du NaOH (0,1N) et HCl (0,1N), la température (25, 50 et 55°C), la masse de l’adsorbant (nanocomposite), la concentration initiale du fluor.
Enfin, nous avons utilisé des eaux de robinet destinées directement à la consommation prises dans différents quartiers de la ville de Kaolack en vue de leur traitement.

Résultats et discussion

Détermination pH du point de zéro charge (PZC)

Le pHPZC ou pH de point de charge nulle correspond à la valeur de pH pour laquelle la charge nette de la surface du solide est nulle. Cette méthode (Zahaf 2017) [1], consiste à ajuster le pH des solutions aqueuses à différentes valeurs en ajoutant de l’acide chlorhydrique HCl et de l’hydroxyde de sodium NaOH (0,1N). On ajoute 1 g de l’adsorbant à chaque solution de volume 50mL. L’ensemble est laissé sous agitation pendant 3 heures et le pH final est alors noté. On trace d’abord la courbe du pH final en fonction du pH initial et en second lieu la droite d’équation pH final égal pH initial. Le point d’intersection entre les deux courbes correspond au pHPZC de notre matériau (Figure 6).

Le nanocomposite a un point isoélectrique égal à 5,8.

Spectroscopie IR

Les figures 7 et 8 représentent la spectroscopie infrarouge respectivement du PMPy-Arg et du PMPy. Dans la figure 7, la bande qui sort vers 1500cm-1 est attribuée à la vibration C-N-pyr [2], tandis que les bandes de Si-O-Si, Al-OH-Al qui se situent entre 1000 et 500 cm-1 sont caractéristiques de la molécule de montmorillonite.
Dans la figure 7, la bande qui apparait vers 3400 cm-1 (3400 – 3500cm-1) correspond à la vibration du groupement NH-pyrrole [3].Elle est plus intense dans le cas de l’argile modifiée. Ces résultats montrent l’insertion du PMPy dans la structure de l’argile et indiquent que le PMPy a une longueur conjuguée plus courte que PMPy-Arg.

Par la méthode électrochimique

Les figures 9 et 10 présentent respectivement des films de polymères très homogènes de PMPy-Arg et PMPy. Ces films sont obtenus par voltammétrie cyclique, sur l’électrode de platine nue dans10 mL de la solution électrolytique précédemment décrite. En effet, en effectuant un balayage cyclique du potentiel entre – 0,6et 1 V/Ag/AgCl à la vitesse de balayage de 100 mV/s, nous observons la croissance de deux vagues d’oxydation et de réduction correspondant à l’obtention du film électroactif de couleur noire sur la surface de l’électrode de travail. L’étude de la courbe voltammétrique montre une augmentation des intensités du courant en fonction du nombre de cycles, indiquant la croissance régulière d’un film électroactif de polymethylpyrrole sur l’électrode de platine nue. La figure 9 montre des valeurs d’intensités du film PMPy plus élevées que celles du film PMPy-Arg et que le film PMPy-Arg est moins conducteur que le PMPy. Ces résultats sont en corrélation avec la littérature [4] et confirment l’insertion de la chaine de PMPy dans l’architecture de l’argile. L’insertion du PMPy dans la structure de l’argile entraine une augmentation de la surface spécifique de l’adsorbant (PMPy-Arg).