Amélioration de l’élimination sélective du Cd(II) par électropermutation

Introduction

Beaucoup de travaux ont porté sur l’amélioration de la sélectivité des membranes et des résines dans le but d’effectuer des séparations sélectives par ED et EI respectivement. Cependant, on n’en trouve pas des travaux qui traitent l’amélioration de la sélectivité des MEIs dans le but d’une application en EP. Les RECs commerciales utilisées dans les travaux d’EP (Spiegler et Coryell, 1951 ; Strathmann et Kock, 1980 ; Smara et al., 2005 ; Smara et al., 2007) sont généralement destinées à fixer tous les cations ou les anions présents dans la solution, quelle que soit leur valence et leurs propriétés ioniques dans les solutions aqueuses. Dans le but d’améliorer la sélectivité de certaines résines vis-à-vis des cations métalliques ayant différentes valences et différentes tailles, des études sur la modification des résines ont été réalisées (Biesuz et al., 2001 ; Cortina, et al., 1997 ; Serarols et al., 2001 ; Amara et Kerdjoudj, 2003 ; Amara et Kerdjoudj, a2002 ; Amara et Kerdjoudj, b2002 ; Biji, 2005). Cette amélioration de la sélectivité est généralement obtenue par la fixation de matériaux ou de réactifs sur la surface de résine, et qui sont capables de fournir à cette dernière des nouvelles propriétés adsorbantes, hydrophobiques ou de complexation (Amara et Kerdjoudj, 2003). Afin d’améliorer la sélectivité de séparation des ions cadmium d’un mélange cadmium/sodium par procédé d’EP sur REC, l’idée est de modifier cette résine par un polyélectrolyte. La résine modifiée est caractérisée par la présence des nouveaux groupements fonctionnels (Amara et Kerdjoudj, 2003). Ces derniers retiennent de préférence les cations bivalents tels que les métaux lourds et laisse passer les monovalents tels que les cations de salinité comme le sodium, le calcium … etc (Amara et Kerdjoudj, a2002). Dans ce chapitre, nous nous sommes intéressés à la faisabilité de l’EP utilisant une résine modifiée avec l’alginate (AG) pour améliorer l’élimination sélective du Cd(II) des solutions synthétiques d’un mélange de Cd(II)/Na(I). L’AG est un polysaccharide, extrait industriellement des algues brunes pour un coût comparable à celui des molécules de synthèses, présente le gros avantage d’être non toxiques et biodégradables (Benbrahim et al., 1998). Afin d’examiner l’efficacité de fixation de la résine modifiée et sa sélectivité entre les deux cations étudiés, des expériences de fixation en mode dynamique ont été réalisées. Dans le procédé d’EP utilisant la résine modifiée, l’influence de l’équilibrage de la résine avant le procédé, de la densité du courant appliqués et de la concentration de l’acide d’ER a été étudiée. En outre, la réutilisation de la résine modifiée pour la fixation des cations métalliques et dans le procédé d’EP a été testée. Chapitre VI Amélioration de l’élimination sélective du Cd(II) par électropermutation .

Polyélectrolyte de modification

Le polyélectrolyte choisi pour la modification de la résine est l’AG de sodium comme polymère naturel. Les AGs sont, comme nous l’avons signalé dans l’introduction du chapitre, extrait des algues brunes (Luminaria Hyperborea, Fucus Vesiculosus ou Ascophyllum Nodosum) et peuvent être obtenues aussi de certains micro-organismes (par exemple, Pseudomonas Aeruginosa). Les alginates sont des biopolymères largement utilisés dans les industries alimentaires, textiles, et pharmaceutiques. Ce sont des polyélectrolytes anioniques, leur structure (figure VI.1) est bien connue et il a été montré qu’ils sont constitués principalement d’enchaînement d’acide Dmannuronique (M) et d’acide L-glucoronique (G) (Benbrahim et al.,1998 ; Nestle, 1974). L’ensemble constitue une chaîne monofilaire dans laquelle les monomères M et G se répartissent soit en blocs homogènes, soit en blocs mixtes. Dans la pratique cette partition est relativement aléatoire et les pourcentages de M et G varient suivant l’espèce, l’âge de l’algue, la région où elle est récoltée (Benbrahim et al.,1998). Figure VI.1: Blocs glucoronique et mannuronique formant la structure des alginates (Benbrahim et al., 1998). Avec les contre-ions positifs monovalents, les alginates sont solubles dans l’eau, ce qui conduit à des solutions visqueuses. Cependant, qu’en contact avec la plupart des ions bivalents, des réticulations se développent entre les groupes glucoronique des chaînes d’alginate, et un gel solide est formé (Nestle, 1974). La structure responsable de la gélification de réticulation est représentée sur la figure VI.2

Bloc glucoronique Bloc mannuronique

La principale propriété des alginates qui nous intéresse beaucoup, est la capacité de fixer les ions de métaux lourds à partir de solutions diluées (Ferguson et Bubela, 1974). Ce phénomène rend l’alginate, ainsi que certains autres polyélectrolytes biologiques comme le chitosan, des matériaux intéressants pour la purification des eaux usées industrielles de telles contaminations. Figure VI.2: Fixation des ions divalents par l’alginate (Nestle, 1974). Beaucoup de travaux récents ont utilisé l’AG comme polyélectrolyte de base pour la synthèse des nouvelles résines échangeuses d’ions (Maturana et al., 2011) et des résines chélatantes (Bayramoglu et Yakup, 2011), et encore pour la préparation des nouvelles membranes à base de biopolymère (Moraes et al., 2013 ; Zhang et al., 1999). Benbrahim et al. (1998) ont utilisé l’AG de sodium comme biopolymère complexant dans un procédé de complexation/ultrafiltration afin de remplacer les macro-ligands de synthèse. Ce polysaccharide porteur de groupements carboxyliques et hydroxyles est capable de complexer les cations bivalents, et les auteurs l’ont utilisé pour la rétention des cations (Cd(II), Cu(II), Mn(II) et Pb(II)) dans un procédé d’ultrafiltration. Il existe également quelques études classiques effectuées sur l’adsorption des Chapitre VI Amélioration de l’élimination sélective du Cd(II) par électropermutation 125 métaux lourds sur l’alginate de calcium ou de sodium pur ou de granulés fabriqués à partir d’algues entiers (Kuyucak et Volesky, 1989 ; Holan et al., 1993 ; Jang et al., 1991 ; Kuyucak et Volesky, 1989 ; Chen et al., 1993). Dans ces études, il a été clairement démontré que ces matières ont un potentiel intéressant pour une application technique. A notre connaissance, jusqu’à présent aucune étude n’a été menée sur l’utilisation de l’alginate pour la modification des RECs commerciales. C’est pour cette raison, que notre objectif était essentiellement de modifier une REC commerciale utilisée dans un procédé d’EP par l’alginate de sodium afin d’augmenter sa sélectivité vis-à-vis d’un cation bivalent (Cd(II)) par rapport un monovalent (Na(I)).

Modification et caractérisation de la résine

Modification de la résine par l’alginate (AG)

La modification a été réalisée par immersion de la résine dans une solution d’AG à différentes concentrations (2, 5, 10 et 20 g.L −1 ). Des échantillons de résine (1 g de résine sèche) ont été mis en contact avec 50 mL de différentes solutions d’AG de sodium, à différentes concentrations, sous une légère agitation pendant 24 h. Ensuite, les échantillons de résine ont été séparés à l’aide d’un filtre (pores de 250 µm) et ont été rincés doucement avec de l’eau désionisée afin d’éliminer l’excès du polyélectrolyte. Les résines séparées ont été séchées dans une étuve à air à 50 °C pendant 4 h. Enfin, ces résines ont été immergées dans une solution de mélange (50 % H2SO4 (0.1 M) et 50 % d’éthanol pur) pendant 24 h pour neutraliser les groupes fonctionnels du polyélectrolyte (Agostini de Moraes et al., 2013). VI.2.2 Masse du polyélectrolyte déposé La masse du polyélectrolyte déposé a été déterminée pour la résine modifiée avec les différentes concentrations d’AG par gramme de résine originale sèche. Les échantillons de résines modifiées ont été séchés (dans une étuve à air à 50 °C) et ensuite pesés et séchés plusieurs fois jusqu’à l’obtention d’une masse constante. La masse de l’AG déposé (𝑚AG) est la différence entre la masse de la résine avant (𝑚R) et après (𝑚R−AG) modification (équation VI.1). 𝑚AG = 𝑚R−AG − 𝑚R (VI.1) Les résultats obtenus sont illustrés dans le tableau VI.1. Ces résultats montrent que les masses d’AG déposé sur les échantillons de résine sont assez importantes et augmentent avec l’augmentation de la concentration d’AG. On peut noter également que les plus importantes quantités déposée ont été obtenues avec les concentrations 10 et 20 g.L−1 d’AG.