Memoire Online - Valorisation des déchets agricoles issus des épluchures de musa acuminata en bioadsorbant pour l’adsorption du bleu de méthylène en solution aqueuse.

Depuis quelques décennies, l'industrie des colorants constitue un secteur capital de la chimie moderne. L'industrie alimentaire mondiale utilise une quantité importante de plus en plus importante de colorants naturels ou artificiels. Les colorants sont employés dans différents domaines à savoir : la coloration du papier, de cuir, des matières plastiques, vernis, peintures, encres, cosmétiques, fourrures, produits alimentaires et pharmaceutiques ainsi qu'en photographie (sensibilisateurs) et en biologie (coloration des préparations microscopiques) ainsi que les indicateurs colorés de pH.

Ces derniers sont responsables de la coloration des eaux et sont susceptibles de présenter une toxicité. En effet il est connu que certains colorants se fixent plus ou moins efficacement malgré l'emploi d'agents fixants. Il en résulte alors des eaux colorées, qu'il est nécessaire de traiter avant rejet.

Un colorant est une matière colorée par elle-même, capable de se fixer sur un support. La coloration plus ou moins intense des différentes substances est liée à leur constitution chimique. Un colorant est un corps susceptible d'absorber certaines radiations lumineuses et de réfléchir alors les couleurs complémentaires. Ce sont des composés organiques comportant dans leurs molécules trois groupes essentiels : le chromophore, l'auxochrome et la matrice. Le site actif du colorant est le chromophore, il peut se résumer à la localisation spatiale des atomes absorbant l'énergie lumineuse. Le chromophore est constitué de groupes d'atomes dont les plus classiques sont le nitro (-NO₂), le diazo (-N-N-), le nitroso (-N-O), le thiocarbonyl (-C-S), le carbonyl (-C-O), ainsi que les alcènes (-C-C-).

L'absorption des ondes électromagnétiques par le chromophore est due à l'excitation des électrons d'une molécule. La molécule qui les contient devient chromogène. La molécule chromogène n'a des possibilités tinctoriales que par l'adjonction d'autres groupements d'atomes appelés «auxochrome». Ces groupes auxochromes permettent la fixation des colorants et peuvent modifier la couleur du colorant. Ils peuvent être acides (COOH, SO₃, OH) ou basiques (NH₂, NHR, NR₂). Le reste des atomes de la molécule correspond à la matrice, la troisième partie du colorant (Mehdjoubi et Belmimouni, 2010 ; Benaissa, 2012 ; Chawki, 2014 ; Benamraoui, 2014 ;, Benmakhlouf et Bouiche, 2015). Le tableau 1 présente les principaux groupements chromophores et auxchromes :

Tableau 1 : Principaux groupements chromophores et auxochromes (Benamraoui, 2014)

Une alimentation sans additifs est désormais inconcevable. Les aliments à l'état brut paraîtraient aux yeux des consommateurs comme « moins bons ». La couleur, l'aspect de la nourriture ont une influence psychologique sur le goût perçu des aliments. On consommerait avec réticence des aliments de couleur inhabituelle (poulet bleu, frites vertes, viande jaune), alors que le goût resterait le même (Amrouche et Arouri, 2013)

Amrouche et Arouri (2013), stipulent que les colorants ont parfois une utilité autre que commerciale comme les caroténoïdes qui sont transformés en vitamine A1. La tartrazine stabilise la vitamine C dans les boissons. Les couleurs sombres font office d'écran solaire et protègent les éléments photosensibles. Le marché des colorants alimentaires représente plusieurs milliards de francs, ce qui montre bien l'importance des colorants dans notre alimentation.

Les grands domaines d'application des colorants sont les suivants (Saoudi et Hamouma, 2013) :

· dans l'industrie textile de la fourrure, du cuir (textile à usage vestimentaire, de décoration de bâtiment, de transport, textile à usage médical, etc) ;

· des matières plastiques (pigments), pharmaceutique (colorants), des cosmétiques, agroalimentaire (colorants alimentaires) ;

Chawki (2014) rapporte qu'il existe seulement une dizaine de colorants naturels, alors que l'on compte des milliers de colorants synthétiques. Ces derniers peuvent être classés en fonction de leur mode d'application sur les substrats ou de leur structure chimique. La seconde classification est fondée sur la nature du chromophore.

En fonction de la nature du chromophore, les colorants sont regroupés selon certains dispositifs structuraux chimiques communs. Suivant cette méthode de classification un colorant textile peut être classé selon son groupement chromophore qui lui confère la couleur, ou selon son groupement auxochrome, qui permet sa fixation, (voire tableau 1)

En fonction du mode d'application sur les substrats, les méthodes pour teinter varient avec la structure chimique de la fibre à colorer. Un colorant approprié aux laines ou la soie peut être insuffisant pour le coton. Le tableau 2 résume la classification des colorants en fonction du mode d'application sur les substrats.

Colorant	Application	Systèmes	Exemple
Acides	Polyamide (70 à 75 %) Laine (25 à 30 %) Soie, fibres acryliques	Azoïques
Mordant	Laine Soie	Azoïques avec du chrome favorisant sa fixation
Métallifères	Fibres polyamides	Mono-Azoïques Contenant des groupements carboxyles et aminés pour former des complexes métalliques (Cr, Co, Ni,Cu)
Directs	Viscose, le lin, le jute, la soie, les fibres polyamides et le coton	Azoïques, longues structures moléculaires planes qui permettent à ces molécules de s`aligner avec les macromolécules plates de cellulose
Basiques (cationiques)	Fibres : acryliques, polyamide	Azoïques contiennent un groupe amine quaternaire
Au Soufre	Coton et viscose les polyamides et polyesters rarement la soie	Structure chimique exacte n`est pas toujours connue
De Cuve et leurs Leuco-esters	Teinture et l`impression du coton et de fibres cellulosiques polyamide et de polyester avec des fibres cellulosiques	Indigoïdes et anthraquinoniques	Colorant de cuve Colorant leuco-esters
Dispersés	Polyester fibres cellulosiques fibres de polyamide et d'acrylique	- Azoïques 50% - Anthraquinoniques (25 %), + méthine, nitro et naphthoquinone. Caractéristiques : l`absence de groupes de solubilisation et un poids moléculaire faible
Réactifs		Azotiques, ont la particularité de posséder des groupements chimiques spécifiques capables de former des liaisons covalentes avec le support textile
Pigments	Utilisés dans les procédés d`impression	Les pigments organiques sont en grande partie des dérivés benzoïques. Les pigments inorganiques (minéraux) sont des dérivés de métaux tels que Ti, Zn, Ba, Pb, Fe, Mo, Ca, Al, Ma, Cd, Cr.

La toxicité des différents types de colorants (mortalité, effet muta génique et Cancérigène) a été étudiée par plusieurs travaux de recherche aussi bien sur des organismes aquatiques (poissons, algues, bactéries, etc.) que sur les mammifères.

Kifuani (2018), Karim et al, (2018) indiquent que le colorant organique Bleu de Méthylène, est susceptible de provoquer des brûlures oculaires chez l'homme ou l'animal. L'inhalation induit des difficultés respiratoires et l'ingestion buccale provoque des nausées, des vomissements, transpiration et sueurs froides abondantes.

Un certain nombre de colorants présente un caractère toxique sur le milieu aquatique provoquant la destruction directe des communautés aquatiques (Madani, 2014).

· La fuchsine, en concentration supérieure à 1mg/L, exerce un effet de ralentissement sur l'activité vitale des algues (Madani, 2014).

· Les rejets des usines de teinturerie et de textile sont à l'origine de diverses pollutions telles que : l'augmentation de la DBO₅ et la DCO, diminuant la capacité de réaération des cours d'eau et retardant l'activité de photosynthèse (Madani, 2014).

Beaucoup de colorants sont visibles dans l'eau même à de très faibles concentrations (< 1 mg L^-1). Ainsi, ils contribuent aux problèmes de pollution liés à la génération d'une quantité considérable d'eau usée contenant des colorants résiduels. Le rejet de ces eaux résiduaires dans l'écosystème est une source dramatique de pollution, d'eutrophisation et de perturbation non esthétique dans la vie aquatique et par conséquent présente un danger potentiel de bioaccumulation, qui peut affecter l'homme par transport à travers la chaîne alimentaire.

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 (Errais, 2011 ; Meroufel, 2015 ; BenHaoued, 2017)

Lorsque des charges importantes de matière organique sont apportées au milieu aqueux via des rejets ponctuels, les processus naturels de régulation ne peuvent plus compenser la consommation bactérienne d'oxygène. Manahan (1994), estime que la dégradation de 7 à 8 mg de matières organiques par des micro-organismes suffit pour consommer l'oxygène contenu dans un litre d'eau (Benmakhlouf et Bouiche, 2013 ; Meroufel, 2015).

L'accumulation des matières organiques dans les cours d'eau induit l'apparition de mauvais goûts, une prolifération bactérienne, des odeurs pestilentielles et des colorations anormales. Willmott et al. (1998) ont évalué qu'une coloration pouvait être perçue par l'oeil 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 (Belaroussi et Belkacem, 2013 ; Benmakhlouf et Bouiche, 2013 ; Meroufel, 2015, Ben Haoued, 2017)

Les colorants organiques synthétiques sont des composés très difficiles à épurer par dégradations biologiques naturelles (Meroufel, 2015). Cette persistance est en étroite relation avec leur réactivité chimique (Meroufel, 2015 et Ben Haoued, 2017):

- Les substituants halogènes augmentent la persistance des colorants plus que les groupements alkyles.

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 (Errais, 2011 ; Benmakhlouf et Bouiche, 2013 ; Ben Haoued, 2017)

Si la plupart des colorants ne sont pas toxiques directement, une portion significative de leurs métabolites l'est. Leurs effets mutagènes, 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 (Gouarir, 2014).

Vu l'ampleur de dégât que peuvent avoir les colorants sur l'environnement biophysique et la santé de l'homme, le traitement des rejets industriels contenant les colorants s'avèrent d'un grand intérêt. Une large variété de techniques physiques, chimiques et biologiques a été développée et testée dans le traitement des effluents chargés en colorants. Ces procèdes incluent la floculation, la précipitation, l'échange d'ions, la filtration sur membrane, l'irradiation et l'ozonation. Toutefois, ces procédés sont coûteux et ne peuvent être utilisés efficacement pour traiter des larges gammes des eaux chargées en colorants.

Les procédés d'épuration par voie biologique sont basés sur la biotransformation microbienne des colorants. La majorité des colorants sont très stables et non biodégradables ; néanmoins, beaucoup de recherche ont démontré la biodégradation partielle ou complète des colorants par voie biologique. Si ces techniques sont adaptées à un nombre de polluants organiques, elles ne sont pas toujours applicables sur les effluents industriels en raison de fortes concentrations de polluants, de leur toxicité qui entraînent la mort des microorganismes ou de leur très faible biodégradabilité. De plus, ces techniques génèrent des quantités importantes de boues biologiques, à retraiter. Selon Loehr, la biodégradabilité est favorable pour les eaux usées présentant un rapport DBO₅/DCO > 0,5 ; par contre elle est très limitée lorsque ce rapport devient inférieur à 0,2. Ce rapport, appelé degré de dégradation biochimique, sert de mesure pour la dégradation biochimique des polluants dans les eaux usées (Bouafia, 2010). Principalement, on distingue deux méthodes de biodégradation: aérobie et anaérobie.

C'est un traitement biologique usant de micro-organismes, en présence d'oxygène. Des réacteurs dits à lits bactériens sont utilisés pour cet effet. Ils sont constitués d'une unité de boue activée où les polluants sont décomposés par des bactéries aérobies. Après épuration, la boue est séparée des eaux usées par sédimentation dans un décanteur. Une partie des eaux est recyclée et le surplus est évacué après pressage ou centrifugation. Ce procédé est resté longtemps un moyen pour dégrader un grand nombre de polluants organiques Il s'est avéré efficace pour une certaine catégorie de rejets textiles. Notons cependant que des colorants tels que les azoïques, les colorants acides et les colorants réactifs se sont révélés persistants à ce mode de traitement (Gouarir, 2014 ; Benaouda et Bentaiba 2016).

En l'absence d'oxygène, la digestion anaérobie des composés organiques conduit à la formation du dioxyde de carbone, du méthane et de l'eau. Ce procédé est d'une grande efficacité dans le traitement des effluents très chargés, caractérisés par une DCO relativement élevée. Ce procédé utilisé dans les stations d'épuration des eaux, permet de produire des quantités importantes de méthane. Ce dernier est utilisé comme source d'énergie notamment pour le chauffage et l'éclairage. Des études ont montré que la réduction voire la disparition de la couleur n'est pas synonyme d'une minéralisation totale des colorants. Par-contre, la formation de composés intermédiaires plus toxiques, notamment des amines a été signalée (Gouarir, 2014).

La coagulation - floculation est un processus physico-chimique par lequel des particules colloïdales ou des solides en fine suspension sont transformés, à l'aide des coagulants et floculants chimiques en espèces plus visibles et séparables (les flocs). Les particules colloïdales sont déstabilisées tout d'abord par l'addition des sels tels que Al₂(SO₄)₃ ou Fe₂(SO₄)₃. Les floculants facilitent l'agglomération des particules déstabilisées conduisant à la formation des flocs. Les flocs formés sont ensuite séparés par décantation et filtration, puis évacués. Les coagulants inorganiques tels que l'alun, (Al₂(SO₄)₃.14H₂O), donnent les résultats les plus satisfaisants pour la décoloration des effluents textiles contenant des colorants dispersés, de cuve et au soufre, mais sont totalement inefficace pour les colorants réactifs, azoïques, acides et basiques. Par ailleurs, la coagulation - floculation ne peut être utilisée pour les colorants fortement solubles dans l'eau. D'importantes quantités de boue sont formées avec ce procédé : leur régénération ou réutilisation reste la seule issue mais demande des investissements supplémentaires (Bouafia, 2010).

La filtration sur membrane pilotée par pression hydraulique se décline en microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration et osmose inverse. L'effluent passe à travers une membrane semi-perméable qui retient en amont les contaminants de taille supérieure au diamètre des pores, pour produire un perméat purifié et un concentrât qui reçoit les impuretés minérales ou organiques. D'après Taylor et Jacobs, parmi les quatre types de procédés, la nanofiltration et l'osmose inverse sont les plus adaptés à la réduction partielle de la couleur et des petites molécules organiques, mais selon Calabro, l'osmose inverse reste la plus répandue (Bouafia, 2010). La nanofiltration s'applique surtout au traitement des bains de teinture de colorants réactifs en agissant comme un filtre moléculaire tandis que la microfiltration retient les matériaux colloïdaux, tels que les colorants dispersés ou de cuve grâce à une "membrane écran". L'ultrafiltration ne s'applique qu'à la réduction de DCO et des solides en suspension, et ne se montre réellement efficace qu'en combinaison avec la coagulation/ floculation (Bouafia, 2010).

L'adsorption est un procédé de transfert de matière entre une phase liquide (ou gazeuse) chargée en composés organiques ou inorganiques et une phase solide, l'adsorbant. Pendant des décennies, les charbons actifs commerciaux ont été les principaux, voire les seuls adsorbants utilisés dans les filières de traitement d'eaux. En effet, l'adsorption sur charbons actifs présente de nombreux avantages : elle permet l'élimination d'une large gamme de polluants, dont différents types de colorants, mais aussi d'autres polluants organiques et inorganiques, tels que les phénols, les ions métalliques, les pesticides, les substances humiques, les détergents, ainsi que les composés responsables du goût et de l'odeur. A l'inverse de la précipitation, l'adsorption est plutôt efficace dans le domaine des faibles concentrations.

Les techniques d'oxydation chimiques sont généralement appliquées quand les procédés biologiques sont inefficaces. Elles peuvent être ainsi utilisées en étapes de prétraitement pour les procédés biologiques. L'oxydation chimique est souvent appliquée pour le traitement des composés organiques dangereux présents en faibles concentrations et des effluents chargés de constituants résistants aux méthodes de biodégradation. Les réactifs les plus souvent énumérés pour ce type de traitement sont H₂O₂, Cl₂ et O₃. Le peroxyde d'hydrogène est un oxydant moyennement fort et son application pour le traitement des polluants organiques et inorganiques est bien établie. L'oxydation seule par H₂O₂ n'est pas suffisamment efficace pour de fortes concentrations en colorant. Hamada et al (2009) ont proposé de traiter les colorants azoïques par l'hypochlorure de sodium mais même si la molécule initiale est oxydée, les halogènes sont susceptibles de former des trihalométhanes cancérigènes pour l'homme avec les sous-produits de dégradation (Bouafia, 2010).

Le tableau 3 présente les principaux avantages et inconvénients des techniques citées précédemment pour le traitement des colorants (Zawlotski et al, 2004). On peut constater que chaque technique peut être employée en décoloration, moyennant des objectifs bien établis et des conditions opératoires de traitement bien déterminées.

Tableau 3 : Principaux avantages et inconvénients des techniques de traitements des colorants (Zawlotski et al, 2004).

Technologies

Exemples

Avantages

Inconvénients

Coagulation/

Floculation

Chaux,

FeCl₃,

Polyélectrolyte

-Equipement simple

-Décoloration relativement rapide

-Réduction significative de la DCO

-Formation de boues

-Adjonction de produits

chimiques nécessaires

-Fonctionnement onéreux

-Coagulants non réutilisables

-Réduction spécifique de la

couleur

-Peu d'informations sur la

réduction de DBO et DCO

Filtration

sur

membranes

Osmose

inverse,

Nanofiltration,

Microfiltration,

Ultrafiltration.

-Utilisation simple et rapide

-Pas d'addition de produits chimiques

-Faible consommation

énergétique

-Réduction de la couleur

-Investissement important

-Sélectif

-Encrassement rapide des

membranes

-Pré et post traitement

Nécessaires

Adsorption

Charbon actif,

Silice,

-Réduction efficace de la

couleur

-Technologie simple

-Faible coût d'utilisation

pour certains adsorbants

-Investissement et coût de

fonctionnement élevés

-Lent et limité en volume

-Régénération des adsorbants

Onéreuse, voire impossible

-Sélectif

-Formation de boue

Oxydation

Chimique

Ozone

Réactifs de

Fenton

Chloration

-Traitement de gros volumes

-Diminution nette de la

Chloration

-Décoloration rapide et

efficace

-Opération simple

-oxydant puissant

Investissement et coût de

fonctionnement très élevés

-Efficacité limitée pour certains colorants

-Produits d'oxydation inconnus

-Cout élevé

-Produits d'oxydation inconnus

-Formation de sous produits de chloration (cancérigènes)

Procédés

biologiques

Aérobie

-Approprié pour les colorants Insolubles

-Spécifique à certains colorants

-Décoloration variable

-Grandes quantités de boues

générées

-Besoins énergétiques

Importants

Anaérobie

Décolore la plupart des

colorants par un mécanisme

de réduction

-Réutilisation du méthane produit comme source d'énergie sur le site

-Produits de dégradation

inconnus

-Beaucoup de produits toxiques non dégradés

-Nécessite de grands réservoirs

d'aération

Il est soluble dans l'eau (50 g/L à 20 °C) et plus légèrement dans l'alcool (10 g/L dans l'éthanol à 20 °C). Il existe sous plusieurs formes : poudre (appelé aussi cristaux) d'un bleu sombre, soluble dans l'eau moins soluble dans l'alcool. Les solutions aqueuses ou alcooliques ont une couleur bleu peu profonde. C'est un colorant non toxique. Le bleu de méthylène est utilisé comme colorant bactériologique et aussi comme indicateur.

Tableau 4: Caractéristiques et Propriétés physico-chimiques du Bleu de Méthylène (Zawlotski et al, 2004).

C'est le plus important des colorants basiques. On peut utiliser le bleu de méthylène en prévention contre toutes les maladies dues à un champignon. En biologie le bleu de méthylène est un colorant extrêmement pratique pour étudier les cellules en milieu aqueux. Il s'agit d'un colorant vital, c'est à dire susceptible d'être utilisé sur les cellules vivantes.

· Il sert d'indicateur coloré redox : sa forme oxydée est bleue, tandis que sa forme réduite est incolore.

· Il est employé comme colorant histologique. Le bleu de méthylène teint le collagène des tissus en bleu. Il tache la peau durant plusieurs semaines. Il est donc utilisé comme encre alimentaire pour les viandes, par tampon.

· En médecine, il est fréquemment utilisé comme marqueur afin de tester la perméabilité d'une structure.

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 donner lieu à des difficultés respiratoires, entrainer des cas d'anémie après une absorption prolongée et son ingestion par la bouche produit une sensation de brûlure, provoque des nausées, des vomissements, transpiration et sueurs froides abondantes. Il est aussi toxique pour les algues et les petits crustacés à partir des concentrations de 0,1 mg L^-1 et 2 mg L^-1 , respectivement.

Valorisation des déchets agricoles issus des épluchures de musa acuminata en bioadsorbant pour l’adsorption du bleu de méthylène en solution aqueuse.

Introduction