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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Sup

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université de M’sila Faculté des sciences Département de chimie N° d’ordre : Mémoire Présenté pour l’obtention du diplôme de Magistère Spécialité : Chimie Option : Chimie organique Par : Naziha LADJAL Soutenu publiquement le : 13/ 10 /2013 devant le jury composé de : Mr. DJ. Zeghough Professeur Président U. M’sila Mr. D. Ouali Professeur Rapporteur U. M’sila Mr. A. Reffas Maître de conférences (B) Co-Rapporteur U. M’sila Mr. M. Bounekhal Professeur Examinateur U. F. A. Sétif Mr.L.Benmekhbi Maître de conférences (B) Invité U. M’sila Thème Elaboration, caractérisation de charbons actifs fonctionnalisés et étude de leurs propriétés en adsorption de composés organiques. Dédicaces Je dédie ce modeste travail : A mon père : « Nadir » A ma mère : « Zinebe » A mes sœurs : « Hassina, Merzaka, son mari et son fille "Ranime", Youssra » A mes frères : « A.malek , A .raouf , A. nour ». Remerciements Avant tout je dois remercier Dieu le tout puissant qui m’a permis de mener à terme ce travail. Je tiens à exprimer ma profonde gratitude à Mr : D.OUALI Professeur à l’université de M’sila, d’avoir accepté d’être le promoteur de cette mémoire et d’avoir consacré une partie de son temps à la direction de ce travail ainsi qu’à la confiance qu’il m’a accordée. Je tiens à adresser mes sincères remerciements à Mr : A.REFFAS Maitre de Conférences à l’université de M’sila, pour l’intérêt constant qu’il a porté à ce travail en acceptant de co-dirigé cette étude et de s’être investi dans le suivi scientifique de mon travail, pour ses orientations et ses remarques fructueuses. Je remercie vivement les membres du jury pour avoir accepté d’évaluer mon travail. Je remercie beaucoup Mr : DJ.ZEGHOUGH Professeur à l’université de M’sila, pour l’honneur qu’il m’a fait en acceptant de présider le jury de ma soutenance, qu’il trouve ici l'expression de ma sincère gratitude. Je tiens aussi à remercier Mr : M.BOUNEKHL Professeur à l’université : F. A. Sétif, pour l’intérêt qu’il à porté à mon travail en acceptant de l’examiner, qu’il trouve ici l'expression de ma respectueuse gratitude. Mes remerciements s’adressent également à Mr : L.BENMEKHBI Maitre de Conférences à l’université de M’sila, d’avoir accepté d’examiner ce mémoire, qu’il trouve ici l'expression de ma profonde gratitude. Je tiens à témoigner ici ma respectueuse reconnaissance à Mr : L. DUCLAUX Professeur au Laboratoire de Chimie Moléculaire et Environnement à l’université de Savoie (France), pour son aide, son soutien et pour l’analyse de BET. Je voudrai marquer une reconnaissance particulière à Mr : S.TORCHI Maitre assistant à l’université de M’sila, pour son aide précieuse, ses conseils et ses encouragements. Ma gratitude à Mr : MLOUKI, A.BENYAHIA (chef du département de Chimie), RAHMONI, BAHLOULI, MOKRANI et à Mme GHANEME pour leurs aides et leurs soutiens. Je remercie également Mr : Zitouni (chef des laboratoires de chimie), Kamel (chef des laboratoires de SNV) et Mme Karima (chef des laboratoires SM) pour sons aides. Merci aussi à Mr : Bendaoude (directeur de TINDAL) et Mme Chicouche pour leurs aides. Et enfin, je suis spécialement reconnaissante envers ma famille qui a toujours été présente surtout mon père. SOMMAIRE Liste des figures………………………………………………………………….. I Liste des tableaux……………………………………………………………….. III Nomenclature…………………………………………………………………….. IV Introduction générale ………………………………………………………….. 1 Chapitre I : Etude bibliographique I.1.Les colorants………………………………………………………………………... 3 I.1.1.Introduction…………………………………………………………………........ 3 I.1.2.la chimie des colorants………………………………………………………....... 3 I.1.3. Classification des colorants ……………………………………………............. 5 I.1.3.1. Classification chimique ……………………………………………….......... 5 I.1.3.1.1.Colorants azoïques …………………………………………….................. 5 I.1.3.1.2.Colorants anthraquinoniques…………………………………………….. 6 I.1.3.1.3.Colorants de triphénylméthane…………………………………………… 6 I.1.3.1.4.Colorants indigoïdes ………………………………….............................. 6 I.1.3.2.Classification tinctoriale…………………………………………………........ 7 I.1.3.2.1. Les colorants acides ou anioniques …………………………………........ 7 I.1.3.2.2. Les colorants basiques ou cationiques…………………………………… 7 I.1.3.2.3. Colorants à complexe métallique (mordants)…………………................. 8 I.1.3.2.4. Les colorants réactifs …………………………........................................ 8 I.1.3.2.5.Les colorants directs (ou substantifs) ………………………………......... 8 I.1.3.2.6 .Les colorants de cuve.…………………………………………………… 9 I.2.Charbon actif ………………………………………………………....................... 9 I.2.1.Introduction ……………………………………………………………………... 9 I.2.2.Historique et origine du charbon actif……………………………………........... 9 I.2.3.Fabrication du charbon actif …………………………………………………….. 10 I.2.3.1.Choix du matériau d’origine (précurseurs) ……………………………........... 10 I.2.3.1.1.précurseurs d’origine végétale (Biomasse) ………………………............ 10 I.2.3.1.1.1.Constitution des matériaux végétaux…………………………............. 11 I.2.3.2.Procèdes de fabrication du charbon actif……………………………………... 12 I.2.3.2.1.Carbonisation ……………………………................................................ 12 I.2.3.2.1.1.Transformations chimiques et physicochimiques pendant la pyrolyse (décomposition thermique des matériaux végétaux)…………………………. 13 I.2.3.2.2.Activation………………………………………………………………… 13 I.2.3.2.2.1.Activation physique ..……………………………………................... 14 I.2.3.2.2.2.Activation chimique .………………………....……………………... 14 I.2.3.2.2.3.Transformations chimiques et physico-chimiques intervenant dans l’activation………………………………………………………………………………. 15 I.2.4. Propriétés physiques……………………………………………………………. 15 I.2.4.1. Structure du charbon actif ………………………………………………….. 15 I.2.4.2.Texture du charbon actif……………………………….................................. 17 I.2.5.Propriétés chimiques ………………………………………………………......... 19 I.2.5.1.Composition globale du charbon actif……………………………………….. 19 I.2.5.2.Propriétés superficielles du charbon actif ………………………………........ 20 I.2.5.3.Les fonctions de surfaces du charbon actif…………………………………... 21 I.2.5.3.1. Caractère acide d’un charbon actif………………………………………. 22 I.2.5.3.2. Caractère basique d’un charbon actif……………………………………. 22 I.2.6.Caractérisations du charbon actif……………………………………………….. 23 I.2.6.1.Caractérisations texturale…………………………………………………… 23 I.2.6.1.1.Caractérisation par adsorption d’iode et de bleu de méthylène …………. 23 I.2.6.1.1.1.Indice d’iode ………………………………………………………… 23 I.2.6.1.1.2.Caractérisation par adsorption de bleu de méthylène ……………….. 24 I.2.6.1.2.Caractérisation par adsorption-désorption gazeuse (N2 à 77 K)………... 25 I.2.6.1.2.1.Surface spécifique d’un adsorbant …………………………………... 25 I.2.6.1.2.2.Le volume poreux …………………………………………………… 26 I.2.6.1.2.3.Mesures de la surface spécifique par la méthode BET ……………… 28 I.2.6.1.2.4.Equation de Kelvin et hystérésis ……………………………………. 30 I.2.6.1.2.5.Détermination du volume microporeux……………………………... 31 I.2.6.1.2.5.1.Méthode de Dubinin-Radushkevich (DR) ..................................... 31 I.2.6.1.2.5.2.Méthode de Horvath-Kawazoé (HK)…………………………… 32 I.2.6.1.2.5.3.Méthode t ………………………………………………………... 33 I.2.6.1.2.6.Détermination d’une distribution de pores…………………………... 33 I.2.6.1.2.6.1.La distribution de la taille des pores……………………………... 33 I.2.6.1.2.6.2. Mesure de la distribution poreuse par la méthode BJH…………. 33 I.2.6.2.Caractérisation chimique (Chimie de surface) …………………………….. 34 I.2.6.2.1.La neutralisation sélective ou titrage de Boehm……………………….. 34 I.2.6.2.2.Le pH de point de charge nulle (pHpzc)……………………………….. 35 I.2.6.2.3.La caractérisation par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) .. ……………………………………………………………………….. 36 I.3.Adsorption………………………………………………………………………….. 37 I.3.1.Introduction……………………………………………………………………… 37 I.3.2.Définition de l’adsorption………………………………………………….. 37 I.3.3.Types de l’adsorption……………………………………………………… 37 I.3.3.1.Adsorption chimique (ou chimisorption)……………………………………. 37 I.3.3.2.Adsorption physique (ou physisorption)…………………………………….. 38 I.3.4.Les Paramètres influençant l’adsorption ………………………………………… 38 I.3.4.1.Surface spécifique …………………………………………………………... 39 I.3.4.2.Porosité …………………………………………………………..………….. 39 I.3.4.3.Nature de l’adsorbat ………………………………………………………… 39 I.3.4.4.Caractéristiques de l’adsorbant……………………………………………… 39 I.3.4.5.Polarité ……………………………………………………………................ 40 I.3.4.6.pH …………………………………………………………………………… 40 I.3.4.7.Température ………………………………………………………………… 40 I.3.5.Cinétique de l’adsorption……………………………………………………….. 41 I.3.5.1.Description du mécanisme d’adsorption…………………………………… 41 I.3.5.2.Modélisation des cinétiques d’adsorption………………………………….. 42 I.3.5.2.1.Modèles basés sur la composition des milieux……………………… 42 I.3.5.2.1.1.Modèle de la cinétique du pseudo premier ordre …………………. 42 I.3.5.2.1.2.Modèle de la cinétique du pseudo-second ordre………………….. 43 I.3.5.2.2.Modèle basé sur la diffusion moléculaire………………………….. 43 I.3.5.2.2.1.Modèle de la diffusion intra particule …………………………….. 43 I.3.6.Isothermes d’adsorption………………………………………………………… 44 I.3.6.1.Capacité d’adsorption ………………………………………………………. 44 I.3.6.2.Classification des isothermes d’adsorption………………………………….. 45 I.3.6.2.1.L’isotherme de classe C………………………………………………….. 45 I.3.6.2.2.L’isotherme de classe L …………………………………………………. 46 I.3.6.2.3.L’isotherme de classe H ………………………………………………… 46 I.3.6.2.4.L’isotherme de classe S …………………………………………………. 46 I.3.6.3.Modélisation des isothermes d’adsorption ………………………………….. 47 I.3.6.3.1.Modèle de Langmuir (1916) ……………………………………………. 47 I.3.6.3.2.Modèle de Freundlich …………………………………………………… 48 I.4.Applications des charbons actifs………………………………………………….. 49 I.4.1.Introduction …………………………………………………………………… 49 I.4.2.Charbon actif comme adsorbant……………………………………………… 49 I.4.2.1.Applications dans le traitement des eaux ………………………………… 50 I.4.2.1.1.Adsorption des composés organiques…………………………………. 50 I.4.2.1.2.Adsorption de composés inorganiques (Adsorption de métaux lourds).. 52 Chapitre II Préparation des charbons activés par activation phosphorique et caractérisation de la chimie de surface et de la texture poreuse II.1.Les Charbons actifs .………………………………….............................................. 53 II.1.1.Charbon actif végétal commercial (CAC) …………………………………….. 53 II.1.2.Préparation des charbons actifs à partir des coques des noyaux d’abricots …… 53 II.1.2.1.Mode de préparation ……………………………………………………… 53 II.1.2.2.Rendement de la production et perte de masse (« burn-off ») lors du traitement thermique d’activation………………………………………… 54 II.1.3.Caractérisation des charbons actifs …………………………………………… 57 II.1.3.1.Caractérisation chimique …………………………………………………. 57 II.1.3.1.1.pH des charbons, le pH du point de charge zéro pHPZC et les groupe fonctionnels de surface …………………………………………………. 57 II.1.3.1.1.1.Détermination de pH des charbons actifs ………………………. 57 II.1.3.1.1.2.Les valeurs de pH du point de charge zéro (pHPZC) des charbons actifs……………………………………………………………….. 57 II.1.3.1.1.3.La neutralisation (titrage de Boehm) …………………………… 58 II.1.3.1.2.Etudes par spectroscopie infrarouge (IRTF) ………………………… 60 II.1.3.1.2.1.Technique expérimentale ……………………………………… 60 II.1.3.1.2.2.Résultats et discussion …………………………………………… 61 II.1.3.1.2.2.1.Attribution des bandes d’absorption IR …………………… 61 II.1.3.2.Caractérisation de la texture poreuse …………………………………….. 65 II.1.3.2.1.La texture poreuse observée par adsorption/désorption de N2 à 77 K . 65 II.1.3.2.2.Caractérisation par adsorption d’iode et de bleu de méthylène ……… 70 II.1.3.2.2.1.Détermination de l’indice d’iode ………………………………... 70 II.1.3.2.2.2.Caractérisation par adsorption du colorant bleu de méthylène ….. 71 Chapitre III Adsorption de colorant Rouge Nylosan N-2RBL sur les charbons etudiés III.1.Caractéristiques physico-chimiques du colorant Rouge Nylosan N-2RBL……… 76 III.1.1.Choix du colorant …………………………………………………………… 76 III.1.2.Spectre d’absorption en UV-visible ………………………………………… 77 III.2.Protocoles expérimentaux ………………………………………………………... 78 III.2.1.Préparation des solutions du colorant Rouge Nylosan N-2RBL ……………. 78 III.2.2.Méthode de dosage des solutions du colorant Rouge Nylosan N-2RBL …… 78 III.2.2.1.Dosage par spectrophotométrie UV-visible …………………………… 78 III.2.3.Etablissement de la courbe d’étalonnage …………………………………… 79 III.2.4.Contrôle du non dégradation du colorant Rouge Nylosan N-2RBL à la…….. lumière du jour. 80 III.3.Protocole expérimental d’adsorption en « batch » ……………………………….. 81 III.4.Effet du pH sur l’adsorption de colorant Rouge Nylosan N-2RBL et identification du mécanisme d’adsorption……………………………………… 82 III.5.Evaluation du pH final en fonction du pH initial ………………………………... 87 III.6.Variation du pH avec le temps de contact pour l’élimination de colorant par des charbons actifs……………………………………………………………………. 88 III.7.Cinétique d’adsorption …………………………………………………………… 89 III.7.1.Modélisation (Ordre cinétique de l’adsorption) …………………………… 91 III.7.1.1.Modèle du pseudo-premier ordre …………………………………….. 92 III.7.1.2.Modèle de pseudo-deuxième ordre …………………………………… 93 III.7.1.3.Modèle de diffusion intraparticulaire ………………………………… 94 III.7.2.Comparaison des modèles cinétiques ………………………………………. 97 III.8.Isothermes d’adsorption du Rouge Nylosan N-2RBL …………………………… 98 III.8.1.Modélisation des isothermes d’adsorption ………………………………… 101 III.8.1.1.Modèle de uploads/Finance/ memoire-finale-ladjal-pdf 1 .pdf