Description

Domaine de l’invention

La présente invention concerne un nouveau matériau qui est le charbon actif, qui peut être appliqué pour l’épuration des eaux résiduaires urbaines, industrielles et des lixiviats, pour lequel nous avons évalué les potentialités d’adsorption sur le bleu de méthylène (CI 52015).

Etat de la technique antérieure

Au début du 20 ^eme siècle, les méthodes de fabrication s’améliorent et certains procédés sont mis au point pour augmenter les performances de ces matériaux. Cette révolution ayant comme point de départ des travaux d’Ostreijko (R. Von Ostreijko, Patents 1900-1901), qui a découvert les deux méthodes de base de la production du charbon actif à savoir l’activation chimique et l’activation physique.

M. lopez et al., (1996) ont décrit un procédé qui consiste à imprégner uniformément un précurseur de charbon (bois, coque d’amande ou de noix de coco, ...) par trempage dans une solution aqueuse à 80°C contenant un agent activant (H3PO4, ZnCh). Le précurseur imprégné est ensuite séché et / ou directement activé à une température de l’ordre de 500°C pendant une heure. L’agent activant résiduel est ensuite éliminé par rinçage à l’eau. Le temps nécessaire pour la phase d’imprégnation est cependant très élevé, ce qui limite l’intérêt industriel et économique du procédé.

Le brevet MA 33642 Bl, décrit un procédé de préparation du charbon actif à partir de la farine des coquilles d’œuf, destiné comme un nouveau support catalytique en synthèse organique hétérogène solide-liquide. Les coquilles d’œufs sont lavées plusieurs fois avec de l’eau du robinet et laissées à l’air libre pendant plusieurs jours ; puis séchées à l’étuve à 80°C. Les coquilles séchées sont broyées en petites particules de taille micro millimétrique jusqu’à 250 pm. Le matériau obtenu est calciné dans une gamme de température de 400 à 800°C pendant une durée variable qui peut atteindre jusqu’à 2h. Ce matériau calciné est broyé et relavé encore une fois avec de l’eau puis séché à l’étuve à une température comprise entre 60 et 80°C. Par la suite le matériau séché est calciné dans un four à une vitesse de chauffage variable de 1 à 4°C/min à 400°C de 2 à 5h.

Le brevet MA 33786 Bl, expose un procédé de préparation d’un charbon actif à base de noix d’argan en utilisant l’acide phosphorique (H3PO4).

Le brevet FR3009789A1, décrit une méthode permettant de contrôler l'abattement des micropolluants organiques dans les eaux usées lors du traitement par adsorption sur charbon actif. Cette méthode comprend la mesure de l'absorbance, à une longueur d'onde donnée A, des eaux usées avant et après traitement par adsorption sur charbon actif et la détermination du pourcentage d'abattement des micropolluants organiques à partir du pourcentage de diminution de l'absorbance calculé.

Le brevet CN108766773 A, présente un procédé d’élaboration d’un charbon actif à base d'algues comprenant le broyage des algues dans un moulin colloïdal, le séchage et le tamisage, la carbonisation, le lavage et l'activation des algues séchées pour obtenir un produit activé, ainsi le lavage et le séchage du produit activé.

Le brevet CN103406094 A révèle une méthode de fabrication de charbon actif à base des boues redondantes dans une station d’épuration urbaine. Le procédé comprend les étapes consistant à immerger la boue séchée redondante dans du chlorure ferrique pour une activation pendant 24 heures, dégoulinant l’eau d’ammoniac, le séchage à une température de 105°C, carbonisation et activation du mélange dans un four à silencieux, nettoyage du mélange avec de l’eau distillée, les produits de broyage et de criblage et l’exécution de la séparation magnétique pour obtenir le carbone actif à base de boues magnétiques.

Le brevet CN102745689 A, rapporte une méthode de préparation du carbone activé par un champignon microbien de pourriture blanche ou une activation catalysée enzymatique du tabac basé sur la méthode existante pour la préparation du carbone activé. Selon différents procédés de préparation, les déchets solides de tabac sont utilisés comme matière première, et des enzymes d'ingénierie (cellulase et ligninase) ou des microorganismes (champignons de la pourriture blanche) sont sélectionnés comme activateurs pour catalyser l'activation de la lignocellulose et la catalyse enzymatique des matières premières. L'hydrolyse favorise la formation de structures lâches dans la matière première carbonisée.

Exposé de l’invention En 1974, Le charbon actif a été le premier adsorbant exploité industriellement pour la décoloration du sirop de sucre en Angleterre. Par la suite plusieurs recherches ont été menées pour améliorer les propriétés d'adsorption de ce type de matériau.

Selon le conseil Européen des Fédérations de l’Industrie Chimique, les charbons actifs, sont des produits carbonés dotés d’une structure poreuse présentant une très grande surface de contact interne, ces matériaux issus d’un procédé industriel peuvent adsorber une large variété de substances.

Les substrats les plus couramment utilisés à l'échelle commerciale pour la fabrication du charbon sont : le bois, l'anthracite, le charbon de bitume, le lignite, les coquilles de noix de coco, les grignions d’olive ainsi que les coquilles d’amande. Aujourd'hui, beaucoup d'efforts sont consacré à l'exploitation des déchets industriels et les résidus agricoles en tant que matières premières de production de charbon. Parmi ses produits on trouve les tiges de maïs, rouleaux de riz, bagasse, coquilles (pistache, amande et noix de pécan), Noyaux de palmier, pulpe de fruits et grains de café (Crini et al., 2019).

La principale caractéristique d'un charbon actif est sa structure poreuse, à savoir la surface spécifique accessible pour telle ou telle molécule sonde, la distribution de la taille des pores et leur forme géométrique moyenne. Le charbon actif en poudre (CAP) prend la forme de grains de taille comprise entre 50 et 100 pm.

Les propriétés du charbon actif dépendent principalement du type d'activateur (Sawant et al., 2017 ; Uysal et al., 2014). Dans ce sens la sélection d’agents d’activation reste un enjeu clé pour de nombreux chercheurs. Dans la littérature, il existe de nombreux articles scientifiques qui rapportent l'activation avec de l'hydroxyde de potassium, l'acide phosphorique, chlorure de zinc, carbonate de potassium, l'hydroxyde de sodium et de nouveaux agents d'activation. L'activation avec l'acide phosphorique est couramment utilisée pour les matières ligno- cellulosiques. Le chlorure de zinc génère plus de surface que l'acide phosphorique mais il est moins utilisé en raison de préoccupations environnementales. Le carbonate de potassium, par rapport à l'hydroxyde de potassium, produit des rendements plus élevés et une surface aussi plus élevée pour l'adsorption de grosses molécules polluantes telles que les colorants. L’activation avec l'hydroxyde de potassium en termes de surface et d'efficacité donne de meilleurs résultats que l'hydroxyde de sodium pour diverses applications (Zoha Heidarinejad et al., 2020). La présente invention concerne la préparation d’un charbon actif à base d’un nouveau biomatériau, par l’activation chimique du noyau du Nbeg Ziziphus lotus{ NZL). Ce charbon actif possède une porosité très développée qui s’étend de 10 à 45 pm. De plus, sa structure superficielle possède des groupements acides et des fonctions carboxyliques qui augmentent son pouvoir d’adsorption et sa capacité d’abattement sur un grand nombre d’effluents.

Un autre volet de l’invention concerne l’utilisation de ce charbon actif comme un nouveau support pour la dépollution des eaux usées urbaines et industrielles chargées en polluants organiques et métalliques. Un exemple d’application est l’étude d’adsorption du bleu de méthylène CI 52015 qui a donné un taux d’abattement qui atteint 97% après une heure de contact.

Brève description des figures

La figure 1 présente une image de Microscope Electronique à Balayage du charbon actif préparé à partir du noyau du NZL.

La figure 2 présente le diagramme de diffraction des rayons X du charbon actif préparé à partir du noyau du NZL.

La figure 3 présente l’analyse par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier du charbon actif préparé à partir du noyau du NZL.

La figure 4 présente la structure chimique du bleu de méthylène CI 52015

La figure 5 présente le pourcentage d’abattement du bleu de méthylène en fonction du temps par adsorption sur le charbon actif préparé à partir du noyau du NZL.

Exposé détaillé de l’invention

L’invention concerne la préparation d’un charbon actif à base d’un nouveau biomatériau, par l’activation chimique du noyau du Nbeg Ziziphus lotus (NZL).

La figure (1) qui représente une image du charbon actif, produit par activation du noyau de NZL, observée par microscopie électronique à balayage (MEB), montre une morphologie très poreuse du charbon actif avec des pores de différentes tailles allant de 10 à 45 pm et de différentes formes, qui prouvent que le charbon actif à une grande surface spécifique. De même la diffraction des rayons X (DRX) du charbon actif présenté dans la figure (2), montre une structure amorphe avec des pics indiquant la présence du carbone et de la cellulose. Ainsi Le spectre infrarouge du charbon actif présenté dans la figure (3), indique que le charbon actif présente différents groupes fonctionnels tels que des groupements hydroxyle, carboxyle et carbonyle, qui peuvent être des sites potentiels d’adsorption.

La préparation de notre charbon actif suit plusieurs étapes. Les noyaux NZL sont lavés plusieurs fois puis séchés à l’ombre et à l’abri de la poussière, ensuite ils sont broyés en fines particules. L’activation chimique est effectuée par un acide notamment l’acide sulfurique (H2SO4, 98%). Ensuite, la carbonisation de la pâte obtenue est conduite à une température de 500°C. Le charbon actif ainsi obtenu est broyé en petites particules de tailles inférieures à lOOpm et nommé CAPNZL.

Le taux d’humidité est mesuré en pesant une quantité du CAPNZL avant et après séchage à 110°C. Le taux d’humidité obtenu est de 2,9%.

Le taux de cendre (TC) est mesuré en pesant la masse finale suite à l’incinération à 600°C d’un gramme du CAPNZL suivie d’un refroidissement. La teneur en cendres est de 4,2%.

Exemple d’application du CAPNZL : Adsorption du colorant CI 52015

Les colorants sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels tels que les teintures du textile, du papier, du cuir et dans les industries alimentaires et cosmétiques. Les colorants ont la réputation d’être des substances toxiques et persistantes dans l’environnement.

Le bleu de méthylène est le colorant le plus couramment utilisé dans la teinture du coton, du bois et de la soie. Il peut provoquer des brûlures oculaires responsables de blessures permanentes aux yeux de l’homme et des animaux. Son inhalation peut provoquer des difficultés respiratoires et son ingestion par la bouche produit une sensation de brûlure. Le traitement des rejets industriels contenant ce type de colorant s’avère d’un grand intérêt.

Le bleu de méthylène (figure 4) est un colorant cationique dont le Colour Index « CI » est 52015, la formule est CI6H18N3SC1 et la masse molaire est de 319,85mol/g.

Dans un réacteur fermé, un volume de bleu de méthylène CI52015 à différentes concentrations est mis en contact avec une masse de charbon actif CAPZL, puis la solution est agitée à température ambiante. Après chaque 10 min de contact, la suspension est centrifugée, les concentrations du CI52015 dans les surnageants sont mesurées à l’aide de la spectrophotométrie UV-Visible.

Les résultats d’adsorption (Figure5) montrent que le processus d’adsorption est très rapide, en effet, plus de 80 % de la quantité utilisée du colorant est adsorbée pendant les vingt premières minutes. Ce qui signifie que notre charbon actif préparé à partir du noyau du NZL est un bon adsorbant et pourra être utilisé dans les procédés de traitement des eaux usées, lixiviats et pour la purification du biogaz etc...

Application industrielle

La présente invention concerne un procédé de fabrication du charbon actif à base du noyau du Nbeg Ziziphus lotus. Le charbon actif produit à partir dudit procédé peut être utilisé pour le traitement des eaux usées, des lixiviats et la purification des biogaz.