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LES COLORANTS
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. 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.
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 chromophore; la molécule colorante étant le chromogène. Plus la facilité du groupe chromophore à donner un électron est grande plus la couleur sera intense . D’autres groupes d’atomes du chromogène peuvent intensifier ou changer la couleur due au chromophore : ce sont les groupes auxochromes.
Les chromophores sont des groupes aromatiques (système π), conjugués (liaison π), comportant des liaisons non-liantes (électron n) 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.
De manière générale, les colorants consistent en un assemblage de groupes chromophores, auxochromes et de structures aromatiques conjuguées (cycles benzéniques, anthracène, perylène, etc.). Lorsque le nombre de noyau aromatique augmente, la conjugaison des doubles liaisons s’accroît et le système conjugué s’élargit. L’énergie des liaisons π diminue tandis que l’activité des électrons π ou n augmente et produit un déplacement vers les grandes longueurs d’onde. De même lorsqu’un groupe auxochrome donneur d’électrons (amino, hydroxy, alkoxy…) est placé sur un système aromatique conjugué, ce groupe se joint à la conjugaison du système π, la molécule absorbe dans les grandes longueurs d’onde et donne des couleurs plus foncées.
Types de Colorants
Il existe deux grandes classes de colorants, les naturels et les synthétiques, en général de nature organique. Il existe seulement une dizaine de colorants naturels, mais plusieurs milliers de colorants synthétiques ont été fabriqués par le marché industriel.
Colorants naturels : Les colorants naturels sont extraits des plantes, des fruits, des arbres, des lichens, des insectes ou des mollusques par des procédés simples comme le chauffage ou le broyage. Le jaune est le colorant naturel le plus répandu, mais l’indigo et le pourpre sont aussi présents en grande quantité.
Jusque vers la fin du XIX siècle, les couleurs ne pouvaient être obtenues qu’à partir d’éléments naturels. Les premiers colorants connus sont des pigments minéraux : oxydes de fer pour les jaunes, les ocres et les rouges, oxydes de manganèse pour les bruns. Dès 1500 avant notre ère, les égyptiens réalisent des teintures avec le safran (jaune), le pastel (bleu) et la garance (rouge). La majorité des colorants utilisés sont d’origine végétale, extraits des plantes, des arbres ou des lichens, ou bien d’origine animale, extraits des insectes comme le Kermès ou de mollusques comme la pourpre. Mais le nombre de colorants naturels n’a jamais excédé quelques dizaines, alors que les colorants synthétiques comptent plus de sept mille exemplaires.
Colorants synthétiques : L’industrie des matières colorantes est née en Angleterre en 1856, avec la découverte de William Henry Perkin. Ce jeune chimiste a réussi le tour de force de bâtir sa propre usine, de mettre au point les procédés de fabrication et d’application et de commercialiser son colorant la mauvéine (utilisé pour la soie et le coton) dès 1857 .
Les colorants synthétiques furent tout d’abord baptisés de noms de plantes (amarante, garance, etc.), puis des noms de minerai (vert malachite, auramine, etc.). Les colorants sont ensuite désignés selon leur constitution chimique (bleu de méthylène, Rhodamine B, etc.).
On dénombre environ 8000 colorants synthétiques chimiques différents, sous 40 000 dénominations commerciales. Les colorants synthétiques sont commercialisés sous différentes formes solides (poudres, granulés) ou liquides (solutions concentrées, dispersions ou pâtes).
Classification des Colorants
Les principaux modes de classification des colorants reposent soit sur leur constitution chimique, soit sur leurs méthodes d’application aux différents substrats qui sont les fibres textiles, le papier, le cuir, etc. Classification chimique : Le classement selon la structure chimique repose sur la nature du groupe chromophore. Selon la classification chimique, les principaux groupes sont : Colorants azoïques, Colorants anthraquinoniques, Colorants triphénylméthanes, Colorants indigoïdes, Colorants polyméthiniques, Phtalocyanines, Colorants nitrés et nitrosés, Colorants xanthène, Colorant thiazine. Classification tinctoriale : Si la classification chimique présente un intérêt pour le fabricant de matières colorantes, le teinturier préfère le classement par domaines d’application. Ainsi, il est renseigné sur la solubilité du colorant dans le bain de teinture, son affinité pour les diverses fibres et sur la nature de la fixation. Celle-ci est de force variable selon que la liaison colorant-substrat est du type ionique, hydrogène, de Van der Waals ou covalente. On distingue différentes catégories tinctoriales définies cette fois par les auxochromes. Les principaux groupes de cette classification sont : Les colorants acides ou anioniques, Les colorants basiques, Les colorants à mordants, Les colorants au soufre, Les colorants de cuve, Les colorants réactifs, Les colorants directs, Les colorants développés ou azoïques, Les colorants dispersés ou plastosolubles, Les pigments.
Nécessité de traiter les effluents chargés en colorants
Dangers évidents
Eutrophisation : Sous l’action des microorganismes, les colorants libèrent des nitrates et des phosphates dans le milieu naturel. Ces ions minéraux introduits en quantité trop importante peuvent devenir toxiques pour la vie piscicole et altérer la production d’eau potable. Leur consommation par les plantes aquatiques accélère leur prolifération anarchique et conduit à l’appauvrissement en oxygène par inhibition de la photosynthèse dans les strates les plus profondes des cours d’eau et des eaux stagnantes.
Sous-oxygénation : Lorsque des charges importantes de matière organique sont apportées au milieu via des rejets ponctuels, les processus naturels de régulation ne peuvent plus compenser la consommation bactérienne d’oxygène. Il a été estimé que la dégradation de 7 à 8 mg de matière organique par des micro-organismes suffit pour consommer l’oxygène contenu dans un litre d’eau. Couleur, turbidité, odeur : L’accumulation de matières organiques dans les cours d’eau induit l’apparition de mauvais goûts, une prolifération bactérienne, des odeurs pestilentielles et des colorations anormales. Une coloration pouvait être perçue par l’œil humain à partir de 5 × 10-6 g/L. En dehors de l’aspect inesthétique, les agents colorants ont la capacité d’interférer avec la transmission de la lumière dans l’eau, bloquant ainsi la photosynthèse des plantes aquatiques.
Dangers à long terme
Persistance : Les colorants organiques synthétiques sont des composés impossibles à épurer par dégradations biologiques naturelles. Cette persistance est en étroite relation avec leur réactivité chimique: Les composés insaturés sont moins persistants que les saturés, Les alcanes sont moins persistants que les aromatiques, La persistance des aromatiques augmente avec le nombre de substituant, Les substituants halogènes augmentent la persistance des colorants que les groupements alkyles.
Bio-accumulation : Si un organisme ne dispose pas de mécanismes spécifiques, soit pour empêcher la résorption d’une substance, soit pour l’éliminer une fois qu’elle est absorbée, alors cette substance s’accumule. Les espèces qui se trouvent à l’extrémité supérieure de la chaîne alimentaire, y compris l’homme, se retrouvent exposées à des teneurs en substances toxiques pouvant être jusqu’à mille fois plus élevées que les concentrations initiales dans l’eau.
Cancer : Si la plupart des colorants ne sont pas toxiques directement, une portion significative de leurs métabolites l’est. Leurs effets mutagène, tératogène ou cancérigène apparaissent après dégradation de la molécule initiale en sous-produits d’oxydation : amine cancérigène pour les azoïques, leuco-dérivé pour les triphénylméthanes.
Le chlore utilisé pour éliminer les microorganismes pathogènes réagit avec la matière organique pour former des trihalométhanes (THM) pouvant atteindre plusieurs centaines de mg/L. Les sous-produits de chloration sont responsables du développement de cancer du foie, des poumons, des reins et de la peau chez l’homme .
Critères de sélection des adsorbants
Le choix des adsorbants dépend étroitement des applications visées. D’une manière générale, l’évaluation des qualités d’un adsorbant peut être basée sur plusieurs critères.
Capacité : II s’agit des quantités de constituants lourds à éliminer dans les conditions de l’alimentation. Plus ces capacités sont grandes, plus les productivités seront importantes et moins les coûts d’investissement seront élevés.
Sélectivité : Les sélectivités sont des capacités relatives d’adsorption des constituants par rapport à d’autres constituants. Plus ces sélectivités sont grandes, plus la séparation sera facile et plus les procédés seront performants au niveau des rendements ou des énergies à mettre en jeux mais aussi des productivités.
Régénérabilité : Pour les procédés avec régénération in situ, les adsorbants doivent être faciles à régénérer.
Cinétique : La recherche des meilleurs coûts pour les procédés d’adsorption conduit à l’utilisation de cycles d’adsorption de plus en plus rapides afin d’augmenter les productivités horaires et de diminuer les investissements.
Résistance mécanique, chimique et thermique : Les adsorbants doivent être résistants à l’attraction, aux changements des conditions opératoires et aux éventuelles attaques des différentes impuretés présentes pour assurer des durées de vie suffisantes.
Coûts de fabrication : Le coût des adsorbants peut représenter une part importante de l’investissement global d’un procédé et il peut même devenir un critère primordial dans certaines applications de traitement des eaux.
Table des matières
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
INTRODUCTION
I.1.LES COLORANTS
I.1.1.Définition
I.1.2.Types de Colorants
I.1.2.1.Colorants naturels
I.1.2.2.Colorants synthétiques
I.1.3.Classification des Colorants
I.1.3.1.Classification chimique
I.1.3.2.Classification tinctoriale
I.1.4.Caractéristiques de la Rhodamine B
I.1.5.Nécessité de traiter les effluents chargés en colorants
I.1.5.1.Dangers évidents
I.1.5.1.1.Eutrophisation
I.1.5.1.2.Sous-oxygénation
I.1.5.1.3.Couleur, turbidité, odeur
I.1.5.2.Dangers à long terme
I.1.5.2.1.Persistance
I.1.5.2.2.Bio-accumulation
I.1.5.2.3.Cancer
I.2.PROCÉDÉS DE TRAITEMENT DES EFFLUENTS CHARGÉS EN COLORANTS
I.2.1.Traitements physiques et chimiques
I.2.1.1.Adsorption
I.2.1.2.Techniques de séparation membranaire
I.2.1.3.Extraction liquide–liquide
I.2.1.4.Oxydo-Réduction
I.2.1.5.Coagulation et floculation
I.2.2.Traitements par oxydation biologique
I.2.3.Comparaison des procédés
I.3.ADSORPTION
I.3.1.Notion de sorption
I.3.2.Définition
I.3.3.Types d’adsorption
I.3.3.1.Physisorption
I.3.3.1.1.Configurations spatiales de l’interface
I.3.3.2.Chimisorption
I.3.4.Critères de sélection des adsorbants
I.3.5.Cinétique d’adsorption
I.3.5.1.Mécanismes de transport
I.3.6.Isothermes d’adsorption
I.3.7.Types d’isotherme
I.3.8.Modèles d’isotherme d’adsorption
I.3.8.1.Isotherme de Langmuir
I.3.8.2.Isotherme de Freundlich
I.3.9.CAPACITE D’ADSORPTION
I.3.10.Principaux facteurs influant sur l’adsorption
I.3.11.Résultats de quelques travaux antérieurs sur la sorption de la Rhodamine B
Conclusion
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
DEUXIEME PARTIE : BIOSORPTION DE LA RHODAMINE B PAR LES POMMES DE CEDRE
INTRODUCTION
II.1.MATERIEL ET METHODES
II.1.1.Pommes de cèdre
II.1.2.Préparation du sorbant
II.1.3.Caractérisation des pommes de cèdre
II.1.3.1.Spectre Infra rouge à transformé de Fourier
II.1.3.2.Relargage d’ions par les pommes de cèdre
II.1.3.2.1.pH-métrie
II.1.3.2.2.Conductimétrie
II.1.3.2.3.Détermination du point de charge zéro
II.1.3.2.4.Détermination des fonctions de surface
II.1.2.Sorbat
II.1.3.Préparation des solutions
I.1.4.Cinétique de sorption
II.1.5.Dispositif expérimental
II.1.6.Équilibres isothermes de sorption
II.1.7.Méthode analytique
II.2.RESULTATS ET DISCUSSION
II.2.1.Effet de la masse du sorbant
II.2.2.Effet de la concentration initiale du colorant
II.2.2.1.Temps d’équilibre
II.2.2.2.Modélisation
II.2.2.2.1.Modèle de Weber et Morris (Transfert interne)
II.2.2.2.2.Modèle de Boyd
II.2.2.2.3.Modèle de Lagergren (pseudo-premier ordre)
II.2.2.2.4. Modèle de blanchard (pseudo-second ordre)
II.2.3.Effet de la vitesse d’agitation
II.2.4.Effet de température
II.2.5.Effet de la force ionique
II.2.6.Effet du pH
II.3.ISOTHERMES DE SORPTION
II.3.1.Modélisation des équilibres isothermes de sorption
II.3.1.1.Équation de Langmuir
II.3.1.1.1.Forme I du modèle de Langmuir
II.3.1.1.2.Forme II du modèle de Langmuir
II.3.1.1.3.Forme III du modèle de Langmuir
II.3.1.1.4.Forme IV du modèle de Langmuir
II.3.1.1.5.Forme V du modèle Langmuir
II.3.1.1.6.Comparaison entre les formes linéaires du modèle de Langmuir
II.3.1.2.Equation de Freundlich
II.3.1.3.Equation de Dubinin et Radushkevich
II.3.1.4.Equation d’Harkins–Jura
II.3.1.5.Equation de Temkin
II.3.1.6.Equation d’Elovich
II.3.1.7.Equation de Fowler-Guggenheim
II.3.1.8.Equation de Kiselev
II.3.2.Calcul des paramètres thermodynamique
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CONCLUSIONS
