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UNIVERSITE DE NICE-SOPHIA ANTIPOLIS - UFR Sciences Ecole Doctorale de sciences

UNIVERSITE DE NICE-SOPHIA ANTIPOLIS - UFR Sciences Ecole Doctorale de sciences Fondamentales et appliquées T H E S E pour obtenir le titre de Docteur en Sciences de l'UNIVERSITE de Nice-Sophia Antipolis Discipline : chimie Présentée et soutenue par Yassine BENTAHAR T I T R E Caractérisation physico-chimique des argiles marocaines : application à l’adsorption de l'arsenic et des colorants cationiques en solution aqueuse Thèse dirigée par Nicolas MARMIER, Khalid DRAOUI, Slimane KHAIROUN Soutenue le 28 octobre 2016 Président du jury : M. Boumediene TANOUTI, Professeur de l’Université Chouaib Doukkali Rapporteurs : M. Mhamed TAIBI, Professeur de l’école normale supérieur de Rabat M. Hicham ZAITAN, Professeur de l’Université Sidi Mohammed Ben Abdellah de FES M. Yannick MAMINDY-PAJANY Enseignant chercheur HDR à l’école des mines de Douai Examinateur : M. Khalid DRAOUI, Professeur de l’université Abdelmalek Essaadi de Tétouan M. Slimane KHAIROUN, Professeur de l’université Abdelmalek Essaadi de Tétouan M. Nicolas MARMIER, Professeur de l’université Nice Sophia Antipolis M. Michel LACROIX, Enseignant chercheur HDR à l’Université Nice Sophia Antipolis Centre d’Etudes Doctorales « Sciences et Technologies » Formation Doctorale : « Biologie, Chimie et Géologie» THESE Présentée à la Faculté des Sciences de TETOUAN pour obtenir le grade de : Docteur en Chimie Spécialité : Génie des Matériaux et de l’Environnement Par : Bentahar Yassine Caractérisation physico-chimique des argiles marocaines : Application à l’adsorption de l'arsenic et des colorants cationiques en solution aqueuse Thèse dirigée par Nicolas MARMIER, Khalid DRAOUI, Slimane KHAIROUN Soutenue le 28 Octobre 2016 devant le Jury Président du jury : M. Boumediene TANOUTI, Professeur de l’Université Chouaib Doukkali Rapporteurs : M. Mhamed TAIBI, Professeur de l’école normale supérieur de Rabat M. Hicham ZAITAN, Professeur de l’Université Sidi Mohammed Ben Abdellah de FES M. Yannick MAMINDY-PAJANY Enseignant chercheur HDR à l’ecole des mines de Douai Examinateur : M. Khalid DRAOUI, Professeur de l’université Abdelmalek Essaadi de Tétouan M. Slimane KHAIROUN, Professeur de l’université Abdelmalek Essaadi de Tétouan M. Nicolas MARMIER, Professeur de l’université de Nice Sophia Antipolis M. Michel LACROIX, Enseignant chercheur HDR à l’Université de Nice Sophia Antipolis Structure de recherche accréditée d’accueil : Physico-Chimie des Matériaux, FS-Tétouan UNIVERSITE ABDELMALEK ESSAADI FACULTE DES SCIENCES TETOUAN N° d’ordre ………année 2016 1 Résumé De nos jours les ressources en eau potable sont fortement réduites suite à une augmentation démographique accompagnée d’une forte industrialisation et d’un développement intensif de l’agriculture. Les rejets de micropolluants d’origine variable (pesticides, colorants, phénols, métaux lourds…) dans l’environnement ne cessent d’augmenter. Ces polluants, toxiques et peu dégradables, sont en général à l’origine de nombreux effets nocifs sur la santé. Ils affectent aussi directement l’équilibre des écosystèmes suite à la dégradation de la qualité des différents milieux de l’environnement (sol, eau, air). D’où le souci de développer des procédés qui œuvrent à la préservation des ressources hydriques contre la pollution par le traitement à la source des eaux polluées. L’application des adsorbants naturels et abondants comme l’argile pour le traitement des eaux est une voie légitime pour préserver le capital hydrique. C’est pourquoi le présent travail de recherche s’est articulé autour de la caractérisation physico-chimique d’une série d’argiles naturelles échantillonnées dans la région Nord du Maroc. Plusieurs techniques ont été sollicitées : La DRX, SFX, FTIR, ATG, la volumétrie d’adsorption d’azote, l’électrophorèse, outre la détermination de quelques propriétés physico-chimiques comme la CEC et le COT. Ceci nous a permis d’établir une série de données avec les différentes propriétés de ces matériaux. Elle peut être ainsi sollicitée pour orienter l’utilisation de ces matériaux selon le besoin. Dans une deuxième étape, nous avons étudié l’adsorption de l’arsenic et des contaminants organiques (le bleu de méthylène et le violet de méthylène) par les argiles. La cinétique de la mise en équilibre adsorbant/adsorbat est une étape indispensable pour optimiser les conditions de détermination des isothermes d’adsorption. Ces derniers ont été déterminés à différent pH. Pour l’arsenic la capacité maximale d’adsorption a été obtenue en milieu acide. Les argiles riches en oxyde de fer ont exhibé une efficacité considérable pour la rétention de l’arsenic. Concernant l’adsorption des colorants cationiques (bleu de méthylène et violet de méthylène). Un comportement similaire à été observé pour ces deux polluants en accord avec leur structure voisine. L’équilibre est atteint après deux heurs de la mise en contact pour la plupart des adsorbants. L’adsorption est favorable à pH basique et l’augmentation de la température améliore en générale la capacité d’adsorption de ces colorants. La surface spécifique, la capacité d’échange ionique, la texture et les interactions électrostatiques sont les principaux facteurs qui contrôlent le processus d’adsorption des colorants. Le Rhassoul, argile gonflante, présente le meilleur pouvoir adsorbant vis-à-vis de ces deux colorants cationiques. Mots clés: argiles, oxyde de fer, caractérisation, environnement, pollution, arsenic, colorants cationiques, cinétique, isotherme d’adsorption, capacité d’échange ionique. 2 Abstract Today drinking water resources are greatly reduced due to population increase accompanied by high industrialization and intensive agricultural development. Releases of varying micropollutants (pesticides, dyes, phenols ...) in the environment are increasing. These pollutants, toxic and poorly degradable, are usually the source of many harmful health effects. They also directly affect the balance of ecosystems following the deterioration of the quality of various environmental medium (soil, water, air). Hence the concern to develop methods that work to preserve water resources against pollution by treating polluted sources. The application of natural and abundant adsorbents like clay in the water treatment is a legitimate way to preserve the water capital. That is why my research is articulated around the physicochemical characterization of a series of natural clays sampled in the northern region of Morocco. Several techniques have been sought: XRD, XRF, FTIR, TGA, The BET- N2 specific surface area, electrophoresis. Furthermore the determination of some physicochemical properties such as CEC and TOC. This allowed us to establish a database with the different properties of these materials. This database may be sought to guide the use of these materials according to their nature. In a second step, we studied the adsorption of arsenic and organic contaminants (methylene blue and methylene violet) by clays. The kinetics of equilibrium adsorbent / adsorbate is an essential step to optimize the conditions for determination of adsorption isotherms. These were determined as function of pH. For arsenic maximum adsorption capacity was obtained in acid medium. Clays rich in iron oxide exhibited a considerable efficacy for the retention of arsenic. Concerning the adsorption of cationic dyes (methylene blue and methylene violet); a similar behavior was observed for both pollutants according to their similar structure. The equilibrium is reached after two hours of contact for the majority of adsorbents. Adsorption is favorable in basic pH and increasing the temperature improves adsorption ability of dyes for most of clays. The specific surface, the ion exchange capacity and electrostatic interactions are the main factors controlling the dye adsorption process. Keyword: clays, iron oxide, environment, pollution, arsenic, cationic dyes, drinking water, kinetic, Adsorption isotherm , ion exchange capacity, 3 Remerciements Le présent travail a été réalisé au sein du laboratoire Ecosystème Côtiers Marins et Réponses au Stress (ECOMERS) de Nice et le Laboratoire Physico-Chimie des Matériaux de la Faculté des Sciences de Tétouan. Il s’inscrit dans la cadre d’une cotutelle entre l’université Abdelmalek Essaadi de Tetouan et l’université Nice Sophia Antipolis Je tiens à adresser mes remerciements d’abord à M. Draoui Khalid pour son encadrement, son soutien, ses recommandations et ses précieux conseils, qu’il trouve ici le témoignage de mon respect et de mes respectueuses gratitudes. Je remercie également M. Khairoun Slimane pour sa contribution à la direction et la réalisation de cette thèse. Ses conseils et son aide m’ont beaucoup apporté. Mes remerciements vont aussi à M. Marmier pour m’avoir fait confiance et m’avoir accepté dans son équipe pour la réalisation de cette thèse. L’attention dont il a fait preuve à mon égard scientifiquement mais aussi humainement m’a énormément touchée. Je remercie également Mme. Hurel pour son encadrement durant mon séjour au laboratoire ECOMERS et aussi pour son aide précieuse dans la rédaction de ma première publication. Je remercie très respectueusement Messieurs Boumediene Tanouti, Mhamed Taibi, Zaitan Hicham, Yannick Mamindy-pajany et Michel Lacroix d’avoir bien voulu juger ce travail et siéger à mon jury de thèse Ma reconnaissance s’adresse également à M. Norbert Jordan pour la réalisation des analyses d'adsorption volumétrique d’azote et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Je tiens aussi à remercie M. Gabriel Monge qui m’a permis d’accéder et de réaliser les analyses de diffraction des rayons X, Un gros merci à toute l’équipe d’ECOMERS et à tous mes collègues qui pendant les années de doctorat m’ont aidé professionnellement et moralement spécialement : Salomé, Brice, Inès, Andrea, Mehwich, et Vanessa. Enfin, j’exprime ma reconnaissance et mon affection à ma famille, mes amis ainsi qu’à toutes les personnes qui m’ont soutenue durant ces années 4 Sommaire Introduction générale ........................................................................................................................... 7 Chapitre I Synthèse bibliographique .................................................................................................... 11 I Arsenic : problématique environnemental, spéciation, toxicité et méthodes de traitement. ........... 11 I-1 Généralité sur l’arsenic ............................................................................................................ 11 I-2 Chimie de l’arsenic .................................................................................................................. 12 I-3 La toxicité de l’arsenic ............................................................................................................ 13 I-4 Distribution de l’arsenic........................................................................................................... 14 uploads/Science et Technologie/ 2016azur4081.pdf