Adsorption d'ions fluorures sur une matrice organique : Cas du charbon préparé à partir de la Coquille des Œufs et des Os

Abstract

L'étude menée avait pour objectif d'examiner les concentrations des ions fluorures (F-) et leur distribution dans les eaux souterraines de la région du sud-est de l'Algérie. En outre, elle visait à trouver une alternative économique aux adsorbants traditionnellement utilisés pour l’adsorption des ions F- de l'eau. Pour cela, des coquilles d'œufs et des os de bovins ont été utilisés comme précurseurs pour la préparation des adsorbants. Les résultats ont révélé que les forages échantillonnés avaient des concentrations de F- allant de 0,83 à 2,14 mg/l, avec une moyenne de 1,45 mg/l. De plus, 38% des 21 forages ont présenté des teneurs en F- supérieures à 1,5 mg/l. Pour préparer les adsorbants, les précurseurs ont été broyés et tamisés en cinq granulométries (0,2, 0,5, 1,0, 1,5 et 2 mm), puis chauffés à différentes températures allant de 100 à 250 °C. Les caractéristiques des adsorbants ont été étudiées à l'aide d'analyses DRX, IRTF, pHpzc, SEM, EDX, BET et ATG/ATD. Des expériences d'adsorption par lots ont été effectuées pour déterminer la capacité d'adsorption des adsorbants en fonction de la granulométrie, de la température de préparation, du temps de contact et de la dose de l’adsorbant. Les résultats ont montré que la poudre d'os et de coquille d'œuf chauffée à 250 °C avec une granulométrie de 0,2 mm (PO250°0.2 et CO250°0.2) étaient les adsorbants les plus efficaces. Ces derniers ont permis une élimination du F- de 96,2% et de 51,4% pour la PO 250°0.2 et la CE 250°0.2 respectivement, une capacité d'adsorption maximale de 0,103 mg/g pour la PO 250°0.2 et de 0,052 mg/g pour la CO250°0.2 avec une concentration résiduelle de F- de 0,08 mg/l et de 1 mg/l en 480 min et en 150 min, respectivement. Le modèle du pseudo- second ordre s’est parfaitement adapté aux données de la cinétique d’adsorption avec un coefficient de détermination satisfaisant de R2 = 0,998 pour la PO250°0.2 et R2 = 0,993 pour la CO250°0.2. Les résultats du modèle de diffusion intra-particulaire ont révélé que la diffusion du F- à travers les adsorbants se faisait en deux étapes avec des constantes de vitesse de diffusion de Ki = 0,005 mg/g/min1/2 et Ki = 0,007 mg/g/min1/2 pour la première étape de diffusion à travers la PO250°0,2 et la CO250°0,2, respectivement. Les constantes de vitesses de diffusion de la deuxième étape étaient de Ki = 0,001 mg/g/min1/2 pour les deux adsorbants. Enfin, une dose de 1,5 g de PO250°0.2 et de CO250°0.2 et un temps de contact d'une heure ont suffi pour réduire la concentration de F- de 2,14 à 0,2 mg/l et à 1 mg/l, respectivement.

This study focused on F- concentrations, its distributions in the groundwater of the Southeastern Algeria region, and the possibility of providing a low-cost alternative for the adsorbents used in the F- adsorption from water by using eggshells and bovine bones. Indeed, eggshells and bovine bones were used as an adsorbent for F- adsorption from a drinking groundwater sample containing (2.14 mg/l) of F-. The fluoride water wells concentrations ranged from 0.83 to 2.14 mg/l, with a 1.45 mg/l average, where 38% of 21 water sources showed fluoride values > 1.5 mg/l. As a means to prepare the adsorbents, the materials were crushed and sieved into five particle sizes (0,2, 0,5, 1,0, 1,5 et 2 2 mm) and then heated at different temperatures ranging from 100 to 250 °C. XRD, FT-IR, pHpzc, SEM, EDX, BET, and TG/DTA analysis were used for the characterization of the adsorbents. Adsorption batch experiments were carried out to determine the adsorption capacity of the adsorbents such as V particle size, preparation temperature, contact time, and adsorbent dose. A spectrophotometer UV-VIS was used to assess fluoride removal efficiency. The bone and eggshell powder heated at 250 °C with 0.2 mm of particle size were found to be the most efficient adsorbents, with a maximum F- removal efficiency of 96.26 and 51.4%, a maximum adsorption capacity of 0.103 and 0.052 mg/g, and a residual F- concentration of 0.08 and 1.1 mg/l within 480 and 150 min, respectively. The data of the adsorption kinetic of PO250°0.2 and CO250°0.2 were successfully fitted with the pseudo-second-order model with a satisfying coefficient of determination of R2 = 0.998 and R2 = 0.993, respectively. The results of the intra-particle diffusion model showed a multi-linearity, revealing that the diffusion of fluoride into the adsorbent was by two stages with diffusion rate constants of Ki = 0.005 mg/g/min1/2 and Ki = 0.007 mg/g/min1/2 for the first stage of diffusion on both PO250°0.2 and CO250°0.2, respectively. The diffusion rate constant of the second stage was Ki = 0.001 mg/g/min1/2 for both adsorbents. A PO250°0.2 and CO250°0.2 dose of 1.5 g and 1 hour of contact time were sufficient to decrease F- concentration from 2.14 to 0.2 mg/l and 1 mg/l, respectively