Traitement Sonochimique des Eaux Contaminées par le Vert de Malachite

GENERALITES SUR LES COLORANTS

Un colorant est défini comme étant un produit capable de teindre une substance d’une manière durable. Il possède des groupements qui lui confèrent la couleur ; appelés chromophores et des groupements qui permettent sa fixation : auxochromes.
Les matières colorantes se caractérisent par leur capacité à absorber les rayonnements lumineux dans le spectre visible (de 380 à 750 nm). La transformation de la lumière blanche en lumière colorée par réflexion sur un corps, ou par transmission ou diffusion, résulte de l’absorption sélective d’énergie par certains groupes d’atomes appelés chromophores. La molécule colorante est un chromogène.
Plus le groupement chromophore donne facilement un électron, plus la couleur est intense. D’autre groupes d’atomes du chromogène peuvent intensifier ou changer la couleur due au chromophore, ils sont appelés les groupements auxochromes. Les chromophores sont des systèmes à liaisons π conjuguées ou des complexes de métaux de transition. Les colorants diffèrent les uns des autres par des combinaisons d’orbitales moléculaires. La coloration correspond aux transitions possibles après absorption du rayonnement lumineux entre ces niveaux d’énergie propres à chaque molécule. Un colorant doit posséder, outre sa couleur propre, la propriété de teindre. Cette propriété résultant d’une affinité particulière entre le colorant et la fibre, est à l’origine des principales difficultés rencontrées lors des traitements. En effet, selon le type d’application et d’utilisation, les colorants synthétiques doivent répondre à un certain nombre de critères afin de prolonger la durée de vie des produits textiles sur lesquels ils sont appliqués : résistance à l’abrasion, stabilité photolytique des couleurs, résistance à l’oxydation chimique (notamment les détergents) et aux attaques microbiennes. L’affinité du colorant pour la fibre est particulièrement développée pour les colorants qui possèdent un caractère acide ou basique accentué. Ces caractéristiques propres aux colorants organiques accroissent leur persistance dans l’environnement et les rendent peu disposés à la biodégradation.

VERT DE MALACHITE

Le vert de malachite (ou vert d’aniline, ou vert de diamant B) est un produit chimique toxique principalement connu pour ses qualités de colorant bleu-vert. Le nom de Vert de Malachite provient du nom du carbonate minéral, la Malachite. Il est employé pour traiter les parasites, les infections fongiques et les infections bactériennes dans le poisson et les œufs de poisson. Il possède également des propriétés bactériologiques. Cependant, en 1992, au Canada, on a montré qu’il existait un risque sanitaire significatif pour les humains qui ont mangé des poissons contenant du vert de malachite et le composé a été répertorié en classe II. Il s’est avéré que la molécule était toxique pour les cellules humaines et qu’il y existait une possibilité qu’elle soit la cause de la formation de tumeurs au foie. Cependant, en raison de sa facilité et du faible coût de sa synthèse, il est encore employé dans certains pays avec des lois moins restrictives ne concernant pas l’aquaculture. Enfin, les dernières caractéristiques intéressantes du vert de malachite sont ses propriétés d’indicateur coloré en chimie. Le vert de malachite possède deux zones de virages, une en milieu très acide et l’autre en milieu très basique.

TRAITEMENT DES EFFLUENTS COLORÉS

Au cours des différentes étapes de teintures, des quantités plus au moins importantes de colorants sont perdues par manque d’affinité avec les surface à teindre ou à colorer. Ces rejets organiques sont toxiques et nécessitent une technique de dépollution adaptée.
Le traitement des rejets textiles, compte tenu de leur hétérogénéité de composition, conduira toujours à la conception d’une chaîne de traitement assurant l’élimination des différents polluants par étapes successives. La première étape consiste à éliminer la pollution insoluble par l’intermédiaire de prétraitements (dégrillage, dessablage, déshuilage …) et/ou de traitements physiques ou physico-chimiques assurant une séparation solide-liquide. Les techniques de dépollution, intervenant le plus couramment en deuxième étape dans les industries textiles, se divisent en trois types : Physique, Méthode de précipitation (coagulation, floculation, sédimentation), Adsorption (sur charbon actif), Osmose inverse, filtration, Incinération, Chimique Oxydation (oxygène, ozone, oxydants tels que NaOCl, H2O2), Réduction (Na2SO4), Méthode complexométrique, Résine échangeuse d’ions, Biologique, Traitement aérobie, Traitement anaérobie.
La présence d’une matière organique non-biodégradable rend impossible l’élimination de la pollution organique résiduelle. Dans ce cas, de nouvelles techniques ont été développées dans ce sens (oxydation des matières récalcitrantes aux traitements biologiques et chimiques).Parmi ces techniques, les procédés d’oxydation avancés (POA) semblent les plus performants .Les POA peuvent intervenir comme post traitement après le traitement physicochimique et avant l’épuration biologique.

PROCEDES D’OXYDATION AVANCES (POA)

Les techniques d’oxydation avancées sont des procédés de traitement des effluents aussi bien liquides que gazeux qui ont connu une évolution rapide au cours de ces dernières années. Elles appartiennent à la dernière génération de techniques mises au point dans ce domaine. Elles permettent la minéralisation totale de polluants en CO2, H2O et acides minéraux correspondants. Si la charge polluante est trop élevée ou le débit est trop important, il est nécessaire de les associer avec d’autres procédés capables de diminuer cette charge. Ces techniques présentent l’avantage de fonctionner dans des conditions douces de pression et de température.
Comme nous le verrons plus loin, pratiquement toutes les molécules organiques aussi réfractaires qu’elles soient, peuvent être dégradées jusqu’à leur minéralisation complète.
L’ensemble des POA est basé sur la génération in situ des espèces radicalaires très oxydantes dotées d’un pouvoir oxydant fort. Les radicaux hydroxyles •OH sont les espèces responsables de la minéralisation des polluants organiques grâce à leur potentiel redox standard élevé de 2,8 V. Contrairement à la molécule d’oxygène appelé oxydant mou, ces radicaux hydroxyles sont très actifs et peu sélectifs. Ils sont donc capables de réagir avec n’importe quel polluant.

ULTRASONS ET SONOCHIMIE

La sonochimie est l’étude des réactions chimiques dont l’origine est due à la présence d’ondes sonores qui causent la cavitation. Bien que connus depuis plus de 60 ans, les ultrasons n’ont pas attiré de façon significative les chimistes, notamment ceux qui travaillent dans le domaine des synthèses. L’intérêt n’a été réellement suscité que depuis le début des années 73 et s’est considérablement développé. Avec l’arrivée d’appareils de source d’ultrasons moins coûteux, l’application de la sonochimie est exploitée dans un domaine de réaction de plus en plus large . Les ultrasons trouvent aujourd’hui des applications toujours plus nombreuses en synthèse chimique, en chimie des polymères, ou en catalyse . En fait, de nombreuses études ont également été réalisées sur la dégradation ou la destruction de composés organiques lorsque ceux-ci sont soumis à un champ ultrasonore. La dégradation de nombreux produits organiques (benzène, toluène, phénol,…) , notamment des composés chlorés (CCl4, chlorobenzène, dichlorobenzène, 2-,3- et 4-
chlorophénols, pentachlorophénol,…) ou nitrés (4-nitrophénol, 2,4- dinitrophenol,…) a ainsi été étudiée. De tous les phénomènes observés lors du passage d’une onde acoustique intense au travers d’un liquide, la cavitation est probablement le plus connu mais le moins compris. La notion de cavitation est basée sur la formation, la croissance et l’implosion de bulles ou cavités au sein d’un liquide. Cette implosion qui a lieu sous certaines conditions, produit une très forte chaleur et une très forte pression et des radicaux très réactifs. Ce phénomène peut donc être une très importante source de réactions physico-chimiques . Les radicaux hydroxyles (●OH) qui sont les espèces oxydantes les plus puissantes que l’on puisse utiliser dans le domaine du traitement des eaux et des effluents industriels, sont aussi capables d’oxyder la majorité des composés organiques .

Table des matières

CHAPITRE I : Etude bibliographique
INTRODUCTION
I.1 COLORANTS
I.1.1 GENERALITES SUR LES COLORANTS
I.1.2 CLASSIFICATION DES COLORANTS
I.1.2.1 Classification chimique
I.1.2.2 Classification tinctoriale
I.1.3 VERT DE MALACHITE
I.1.4 TRAITEMENT DES EFFLUENTS COLORÉS
I.2 PROCEDES D’OXYDATION AVANCES (POA)
I.2.1 Généralités
I.2.2 Génération des radicaux hydroxyles par les différents POA
I.3 ULTRASONS ET SONOCHIMIE
I.3.1 GÉNÉRALITÉS SUR LES ULTRASONS
I.3.1.1 Génération des ondes ultrasonores
I.3.1.1.1 Sifflet acoustique
I.3.1.1.2 Magnétostriction
I.3.1.1.3 Piézo-Électricité
I.3.2 CAVITATION ULTRASONORE
I.3.2.1 Définition
I.3.2.2 Dynamique d’une bulle de cavitation
I.3.2.2.1 Naissance
I.3.2.2.2 Croissance
I.3.2.2.3 Implosion et sonoluminescence
I.3.2.3 Seuil de cavitation
I.3.2.4 Théorie du « point chaud »
I.3.2.5 Effets microscopiques induits par la cavitation
I.3.2.5.1 Conditions de température et de pression
I.3.2.5.2 Ondes de choc et jets de liquide
I.3.2.6 Zones de réactivité sonochimique
I.3.3 EFFETS CHIMIQUES DES ULTRASONS EN SOLUTION
I.3.3.1 Sonolyse de l’eau
I.3.3.2 Sonolyse de solution aqueuse renfermant un soluté
I.3.4 EFFETS PHYSIQUES DES ULTRASONS
I.3.4.1 Effets thermiques
I.3.4.2 Courants acoustiques
I.3.4.3 Geyser acoustique
I.3.4.4 Courant de microagitation (microstreaming)
I.3.5 INFLUENCE DE DIFFERENTS PARAMETRES SUR LA SONOCHIMIE
I.3.5.1 Nature des gaz dissous
I.3.5.2 Fréquence
CONCLUSION
Références Bibliographiques
CHAPITRE II : DEGRADATION SONOCHIMIQUE DU VERT DE MALACHITE DANS L’EAU
INTRODUCTION
II.1 MATERIEL ET METHODES
II.1.1 Réactifs
II.1.2 Appareillage
II.1.3 Méthodes
II.2 RESULTATS ET DISCUSSION
II.2.1 Caractérisation du réacteur ultrasonore
II.2.1.1 Méthode calorimétrique
II.2.1.2 Dosimétrie KI
II.2.1.3 Dosimétrie de Fricke
II.2.1.4 Dosimétrie de 4-nitrophénol
II.2.2 Dégradation du vert de malachite et formation de peroxyde d’hydrogène
II.2.3 Effet de la concentration initiale du colorant
II.2.4 Effet de la puissance
II.2.5 Effet du pH initial
II.2.6 Effet de l’addition de Fe(II)
CONCLUSION
Références Bibliographiques
CHAPITRE III : INFLUENCE DES IONS BROMURES SUR LA DEGRADATION SONOCHIMIQUE DU VERT DE MALACHITE
INTRODUCTION
III.1 MATERIEL ET METHODES
III.1.1 Réactifs
III.1.2 Méthodes
III.2 RESULTATS ET DISCUSSION
III.2.1 Effet des ions bromures sur la dégradation du vert de malachite à diverses concentrations en colorant
III.2.2. Effet des sels sur la dégradation du vert de malachite
III.2.3 Participation du radical Br2•-
III.2.4 Effet de l’addition de sels sur la dégradation du VM en présence des ions bromures
III.2.3 Effet d’une matrice naturelle sur la dégradation du VM en présence des ions bromures
CONCLUSION
Références Bibliographiques
CHAPITRE IV : DEGRADATION PHOTOCATALYTIQUE ET SONOPHOTOCATALYTIQUE DU VERT DE MALACHITE EN MILIEU AQUEUX
INTRODUCTION
IV.1 MATERIEL ET METHODES
IV.1.1 Réactifs
IV.1.2 Appareillages
IV.2 RESULTATS ET DISCUSSION
IV.2.1 Sonocatalyse
IV.2.2 Photocatalyse
VI.2.3. Sonophotocatalyse
VI.2.3.1 Effet de la concentration du TiO2
VI.2.3.2 Effet du pH initial
CONCLUSION
Références Bibliographiques
Conclusion générale
ANNEXE
Publication 1
Publication 2