III Principales propriétés des
biosorbants
III.1. Propriétés chimiques
III.1.1. Le Tanin
Le tanin est une substance organique dérivant de
l'estérification des fonctions alcool du glucose par l'acide gallique
(acide 3, 4, 5 trihydroxybenzoïque) et les acides polyphénoliques.
Soluble dans l'eau, il donne après hydrolyse soit de l'acide gallique ou
de l'acide ellagique. Le tanin se trouve dans pratiquement toutes les divisions
d'une plante (écorce, racines, feuilles, fruits). Il n'a pas de
structure chimique précise, mais comporte toujours des groupements
phénoliques. Ses groupements polyhydroxy-polyphénol
confèrent aux biosorbants une capacité d'adsorption importante
(Bailey, 1999). Cependant, lorsqu'il est présent à de très
grandes proportions, il provoque la coloration de l'effluent à
traiter.
III.1.2. La Cellulose
La cellulose est un glucide. Il est un polymère du
glucose (ou polysaccharide du glucose), de formule
(C6H10O5)n (n compris
entre 200 et 14 000) et principal constituant des végétaux, en
particulier de la paroi cellulaire. Elle garantit la rigidité de la
paroi cellulaire des plantes. Ce polysaccharide est constitué par un
enchaînement de cycles glucopyranoses, avec une liaison glycosidique du
type C1 (â)-C4. La cellulose est insoluble dans l'eau mais son hydrolyse
complète (par ébullition avec un acide dilué ou par voie
enzymatique) donne du cellobiose, puis du glucose (Arnaud, 1997). La cellulose
constitue la molécule organique la plus abondante sur Terre (plus 50 %
de la biomasse). La quantité synthétisée par les
végétaux est estimée à 50-100 milliards de tonnes
par an. La cellulose semble ne pas jouer un très grand rôle dans
les mécanismes d'adsorption. Robert et al., (1973) ont
d'ailleurs noté la faible efficacité du coton, constitué
à 90% de cellulose pour l'adsorption de polluants métalliques.
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en polluants organiques et minéraux.
L'hémicellulose, polysaccharide plus complexe que la
cellulose, peut aussi se retrouver dans le tissu de certains
végétaux. L'hémicellulose est un polyholoside
ramifié dont la chaine principale peut être formée de
motifs xylose, galactose, ou glucose et mannose (Arnaud, 1997). La nature et la
proportion de l'hémicellulose varient sensiblement en fonction de
l'espèce.
III.1.3. La lignine
La lignine est constituée d'un groupe de substances
chimiques appartenant aux composés phénoliques. Elle est le
deuxième bio polymère après la cellulose,
synthétisée par les végétaux. La production
mondiale de lignine est estimée à 63×103 tonnes
métriques/an (Mohan, 2005). La biomasse cumulée entre la
cellulose et la lignine représente environ 70% de la biomasse totale. La
lignine est un polymère constitué par trois types de
monomères : le coniféryle, le p-coumaryle, les alcools
sinapiques. La lignine, étant très résistante à la
compression, confère aux cellules végétales de la
solidité. La fraction de chaque monomère varie de façon
importante en fonction de : la lignée végétale,
l'espèce, l'organe, le tissu. Grâce à ses groupements
fonctionnels (alcool, aldéhydes, éthers, hydroxydes de
phénols, acides, cétones), la lignine joue un rôle
important au niveau des mécanismes d'adsorption des biosorbants. Elle
est d'ailleurs isolée et extraite de certains biosorbants, pour
être utilisée dans la rétention de polluants. C'est le cas,
entre autres, de la lignine extraite de la bagasse, étudiée par
Peternel et al., (1997) dont la capacité d'adsorption
vis-à-vis du plomb (0.388 mmol/g) est plus de trois fois
supérieure à celle obtenue avec le CAC en poudre (0.13 mmol/g)
dans des conditions opératoires identiques (pH= 5, T= 30 0C)
(An et al., 2001 ; Reddad, 2002).
III.1.4. La chitine
La chitine est un polymère linéaire contenant un
grand nombre de groupements fonctionnels
aminés (Chiou et
al., 2004). Elle constitue le squelette de différents arthropodes,
comme les
crustacés et les insectes et dans la paroi des cellules de
certaines espèces de champignons
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(Crini, 2005). La chitine possède une bonne
capacité d'adsorption. Cependant son dérivé
deacétylé, le chitosane, est plus utilisé dans les
processus d'adsorption, en raison de l'existence de ses groupements
aminés libres qui lui confèrent une plus grande capacité
d'adsorption. Le chitosane est obtenue soit chimiquement, par une
N-dé-acétylation partielle de la chitine, ou naturellement dans
les parois cellulaires de certains champignons. Sa capacité d'adsorption
varie avec le degré de cristallisation, d'affinité pour l'eau, du
pourcentage de de-acétylation et du nombre de ses groupements
aminés (Kurita et al., 1979 ; Bailey et al., 1999).
Crini (2005) montre une excellente capacité du chitosane pour la
rétention des colorants. Cependant le processus de préparation et
de transformation chitine-chitosane crée un autre problème
environnemental par la production d'une grande quantité de
déchets à partir de l'extraction de la chitine et, implique aussi
la mise au point d'un procédé chimique pour l'extraction du
chitosane. Toutefois, le coût engendré par ces préparations
est moindre que celui généré par l'utilisation des CAC
(Teng et al., 2001).
III.1.5. Le point de charge nulle (pHpznpc)
La charge de surface d'un sorbant, résultant des
équilibres acido-basiques, dépend du pH et de la force ionique de
la solution avec laquelle le matériau est en contact. Cette charge peut
être positive, négative ou nulle selon les conditions du milieu.
Une caractéristique importante de la surface est le point de charge
nulle pHpznpc (point of zero net proton charge). Il définit
le pH pour lequel la charge de surface, liée aux échanges de
protons, s'annule. Le pHpznpc caractérise alors
l'acidité ou l'alcalinité de la surface. A pH inférieur au
pHpznpc, la charge de surface est globalement positive
(acidité) et à pH supérieur au pHpznpc, elle
est négative (alcalinité) et, tend à diminuer lorsque la
teneur en oxygène augmente (Pignon, 2001). Selon Sastri (1942),
l'alcalinité favoriserait l'adsorption de substances
électropositives.
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III.1.6. Les fonctions de surface
Les fonctions de surface d'un matériau peuvent avoir
une influence significative sur ses propriétés d'adsorption
(Reddad, 2002). Le caractère basique ou acide de la surface d'un
adsorbant conditionne ses capacités de rétention vis-à-vis
des polluants. Or, le caractère et les propriétés
chimiques d'un sorbant sont directement liés à la nature des
groupements fonctionnels localisés à sa surface. Pour les
charbons actifs, par exemple, l'existence de complexes oxygénés
de surface et de fonctions contenant de l'oxygène, telles que les
fonctions carboxyliques, phénoliques ou lactones, entraîne un
caractère acide du matériau, alors que la présence de
fonctions de type pyrones, chromènes ou carbonyles induit un
caractère basique (Lopez-Ramon et al., 1999 ; Pignon, 2001).
Les fonctions carboxyliques de la pulpe de betterave, lui ont permis de fixer
efficacement des ions métalliques tels, le plomb le cuivre, le cadmium
et le zinc (Reddad, 2002). En fait, toute surface est constituée
d'atomes n'ayant pas toutes leurs liaisons chimiques satisfaites, elle a
tendance à combler ce manque en captant les atomes et molécules
passant à proximité. La quantité adsorbée est
à peu près proportionnelle à la surface
développée, après contact du matériau avec le
milieu fluide. En somme la connaissance des fonctions de surface permet
d'établir des hypothèses quant aux types de liaisons susceptibles
de se former lors des phénomènes d'adsorption.
III.2. Propriétés des biosorbants en solution
aqueuse
III.2.1. Fraction soluble
La fraction soluble d'un sorbant détermine la
quantité de substances relarguée en solution. Elle peut
être évaluée par la mesure de la concentration en carbone
organique total (COT), au terme du contact entre le biosorbant et une
quantité déterminée d'eau
déminéralisée avec un ratio liquide/solide donné.
La fraction soluble permet l'estimation de la charge polluante du biosorbant en
l'absence de prétraitement. Cette charge polluante peut être
également évaluée en termes de DCO.
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III.2.2. Gonflement
Le gonflement définit le taux d'accroissement (en %) du
volume d'une masse connue de matériau à l'équilibre, dans
un excès de milieu dispersant. La composition chimique du
matériau, la constante diélectrique, le pH et la force ionique du
milieu influencent grandement ce paramètre (Reddad, 2002). Il est
exprimé par le rapport du volume de biosorbant hydraté sur le
volume de biosorbant sec. Le gonflement est pris en compte lors du
dimensionnement des colonnes d'adsorption.
III.2.3. Capacité de rétention d'eau (CRE)
La capacité de rétention d'eau (CRE) correspond
à la quantité d'eau présente dans le matériau,
après l'application d'une force physique de type centrifugation (Reddad,
2002). La CRE, tout comme le gonflement, dépend des paramètres
intrinsèques du matériau, mais aussi des paramètres
extrinsèques du milieu dispersant. Elle est exprimée en gramme
d'eau retenu par gramme de biosorbant.
Les propriétés d'hydratation d'un biosorbant
influencent son potentiel d'adsorption. Plus ses propriétés
d'hydratation sont élevées, moins le matériau pourra
retenir les polluants. En effet, une forte affinité du sorbant
vis-à-vis du solvant constitue un facteur limitant de son application en
traitement d'eau.
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