Traitement d'eaux contaminées par l'arsenic et par le molybdène à partir d'un nouvel adsorbant de chitosane

RÉSUMÉ: La présence de l’arsenic dans l’eau est devenue un problème international et cet élément est classé comme l’un des plus toxiques pour l’humain. Le molybdène est un contaminant émergent et est également très nocif à de fortes concentrations pour l’être humain. Il est donc nécessaire de traiter adéquatement les eaux usées industrielles, tout comme l’eau de consommation, afin d’atteindre les normes de qualité afin d’éviter des problèmes de santé publique. Les techniques d’adsorption sont de plus en plus étudiées pour retirer les métaux de l’eau. Le produit proposé dans cette recherche est le chitosane, qui est un dérivé de la chitine retrouvée dans les carapaces de crustacés. L’objectif général de mon projet de maîtrise est de développer un nouvel adsorbant vert pouvant retirer l’arsenic et le molybdène de l’eau et d’amener ce processus en mode continu. L’adsorbant de chitosane a été développé et étudié afin de connaître son aptitude à enlever l’arsenic et le molybdène de l’eau contaminée. L’adsorbant agit sensiblement de la même façon avec l’arséniate et le molybdate, soit que la cinétique suit le modèle du pseudo-premier ordre avec une rapidité de moins de 10 et 15 minutes respectivement; l’isotherme est mieux expliqué par le modèle de Langmuir avec une capacité maximale de 42 et 123 mg g-1 respectivement; plus la température est importante, moins l’adsorbant est efficace; la thermodynamique est dirigée principalement par des facteurs enthalpiques et est exothermique; l’adsorbant est efficace à de petites concentrations du contaminant (autour de 100 μg L-1); et l’adsorbant s’applique bien en continu (dynamique) en pouvant régénérer le lit fixe par un simple nettoyage à l’eau de mer synthétique jusqu’à concurrence de 5 fois minimalement. Lors de l’optimisation du support pour l’arsenic, le débit, la surface transversale et la hauteur de la colonne ne modifiaient pas la capacité maximale de l’adsorbant qui se situe à 50 mg g-1 après les améliorations de nettoyage. Cependant, la concentration initiale et le sens du débit affectent cette capacité. De plus, une mise à l’échelle (facteur 10) n’a démontré aucun changement sur la capacité maximale de l’adsorbant. Ceci est prometteur pour la mise à l’échelle subséquente et éventuellement produire un impact positif sur l’environnement et sur la santé des populations pourront en découler. -- Mot(s) clé(s) en français : adsorption d’arsenic, adsorption de molybdène, adsorbant de chitosane, traitement des eaux, colonne d’adsorption en lit fixe, isothermes, cinétiques, thermodynamiques, courbes de percée, optimisation. -- ABSTRACT: The presence of arsenic in water has become an international problem. Arsenic is classified as one of the most toxic elements for humans, while molybdenum is an emerging contaminant and is very harmful at high concentrations. It is therefore necessary to treat industrial wastewaters as well as drinking waters which exceed limit concentrations. Adsorption techniques are increasingly being studied to remove metals from water. The product proposed in this research is a chitosan sorbent. Chitosan is obtained by N-deacetylation of chitin, which is a polysaccharide found in crustacean shells, such as shrimp and crab. The general objective of my master's project is to develop and bring this new and green adsorbent at a continuous mode application level for removing arsenic and molybdenum from contaminated water. The chitosan adsorbent was developed and studied to determine its applicability at laboratory scale. The adsorbent acts essentially in the same way with arsenate and molybdate; the kinetics follow the pseudo-first order model with a rate of maximum adsorption of less than 10 and 15 minutes respectively; the isotherm is better explained by the Langmuir model with a maximum capacity of 42 and 123 mg g-1 respectively; higher temperatures make the adsorbent less efficient; thermodynamics are mainly driven by enthalpic factors and are exothermic; the adsorbent is effective at small concentrations of the pollutant (e.g. around 100 μg L-1); and the adsorbent is easily applied in continuous mode while being able to be regenerated by a simple solution of synthetic seawater (regenerations are possible over 5 times). When optimizing the chitosan support, the flow rate, the cross-sectional area and the column height did not change the maximum capacity of the adsorbent of 50 mg g-1 after washing improvements of the column. However, the inlet concentration and the flow direction affect this capacity. In addition, enlargement of the column mass (factor 10) showed no change in maximum capacity, which is promising for larger scale applications. Thus, this research results will possibly have a positive impact on the environment and health of populations. -- Mot(s) clé(s) en anglais : arsenic removal, molybdenum removal, chitosan sorbent, water treatment, fixed-bed column adsorption, isotherms, kinetics, thermodynamics, breakthrough curves, optimization