Travaux pratique sur l’adsorption d’un colorant sur charbon actif Destiné aux étudiants de première année master génie des procédés de l’environnement Présenté par Madame Aicha Khenifi [email protected] République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université des Sciences et de la Technologie d’Oran « Mohamed Boudiaf » Domaine : Sciences et Technologie Faculté de Chimie OIOIEONEONEODépartement de Génie chimique Option : Génie des Procédés de l’environnement Parcours : Master 1 (GPE) TP Travaux pratique sur l’adsorption d’un colorant sur charbon actif Présenté par : - KRIM Issam Eddine Responsable Madame Aicha KHENIFI Année universitaire : 2019-2020 Email : [email protected] Travaux pratique sur l’adsorption d’un colorant sur charbon actif Destiné aux étudiants de première année master génie des procédés de l’environnement Présenté par Madame Aicha Khenifi [email protected] Adsorption : L’adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants. Les molécules ainsi adsorbées constituant l'adsorbat. Si les conditions énergétiques ou cinétiques permettent à la molécule de pénétrer au sein de la phase adsorbante, il y a absorption. Les charbons actifs sont de loin les adsorbants les plus fabriqués et utilisés industriellement. Ils peuvent être obtenus à partir d’un grand nombre de matériaux carbonés (bois, charbon, noix de coco, résidus pétroliers, etc.), par des processus de carbonisation suivis des processus d’activation dûment contrôlés. Les charbons actifs sont composés de micro-cristallites élémentaires de graphite qui sont assemblées avec une orientation aléatoire. La surface des charbons actifs est essentiellement non polaire, même si une légère polarité peut se produire par une oxydation de surface. Ils adsorbent de préférence les composés organiques non ou faiblement polaires. - Ils sont fréquemment utilisés pour la récupération des vapeurs de solvants et d'hydrocarbures, la décoloration de sucres, la purification d'eau, l’élimination d'odeur. Partie expérimentale : Matériels et méthodes Colorant en solution de concentration initiale (approximative) C 0 = 1g/L, Charbon actif en poudre. Pour chaque manipulation effectuée, un lien est affichée. Veuillez consulter les liens et répondre aux questions. 1. Dosage du colorant utilisé 1. Le colorant utilisé dans ce travail est le bleu de méthylène. La définition de ce colorant ( type de colorant, structure et utilisation ) : - - Le bleu de méthylène, ou chlorure de méthylthioninium, est un dérivé de la phénothiazine à la fois médicament et colorant dont l'action repose sur les propriétés rédox. Il a été préparé pour la première fois par Heinrich Caro en 1876. C'est un solide cristallisé inodore soluble dans l'eau et, dans une moindre mesure, dans l'éthanol. À l'état pur, il se présente sous la forme d'une poudre vert foncé ; on le trouve commercialement également sous forme d'un sel double avec le chlorure de zinc, de couleur brune.En tant que colorant, il présente de nombreux usages, notamment du fait que sa couleur dépend de son état rédox : il est incolore à l'état réduit, mais est bleu à l'état oxydé. C'est un bon accepteur d'hydrogène capable d'oxyder les alcools en aldéhydes en présence de platine. Il permet de colorer les tissus vivants, et est également utilisé en biochimie pour colorer les acides nucléiques bien qu'il soit moins spécifique que le bromure d'éthidium car il ne s'intercale pas dans les polynucléotides ; ce qui le rend aussi moins toxique que ce dernier Structure : Travaux pratique sur l’adsorption d’un colorant sur charbon actif Destiné aux étudiants de première année master génie des procédés de l’environnement Présenté par Madame Aicha Khenifi [email protected] - Utilisation : Le bleu de méthylène est utilisé dans divers domaines : il sert d'indicateur coloré redox : sa forme oxydée est bleue tandis que sa forme réduite est incolore. On l'utilise dans la fameuse expérience de la bouteille bleue . 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 ; il permet de calculer le taux de dureté de l'eau (en °Th : taux hydrotimétrique). en géotechnique, il est utilisé dans l'essai au bleu de méthylène il permet de déterminer l'argilosité d'un sol en mesurant la capacité de ce dernier à l'adsorber . en médecine, il est fréquemment utilisé comme marqueur afin de tester la perméabilité d'une structure (par exemple des trompes utérines lors d'une hystérosalpingographie) ou pour soulager les blessures graves en cas d'urgence. Il est aussi utilisé lors de chimiothérapie anti-cancéreuse comme antidote à l'ifosfamide afin de prévenir les crises de convulsions liées à la neuro-toxicité du produit 2. le dosage de ce colorant est effectué par spectrophotométrie uv – visible Donner le principe de cette méthode. - La spectrophotométrie est le domaine qui étudie la mesure de l'énergie transportée par les rayonnements électromagnétiques dans le domaine de la lumière visible La spectrométrie, ou spectroscopie, est une méthode analytique quantitative et qualitative qui consiste à mesurer l'absorbance ou la densité optique d'une substance chimique donnée, généralement en solution. Plus l'échantillon est concentré, plus il absorbe la lumière dans les limites de proportionnalité énoncées par la loi de Beer-Lambert. - Principe - Lorsqu’une lumière d’intensité Io passe à travers une solution, une partie de celle-ci est absorbée par le(s) soluté(s). L’intensité I de la lumière transmise est donc inférieure à Io On définit l’absorbance de la solution comme : A= log ( Io/I) Travaux pratique sur l’adsorption d’un colorant sur charbon actif Destiné aux étudiants de première année master génie des procédés de l’environnement Présenté par Madame Aicha Khenifi [email protected] - On parle aussi de transmittance définie par la relation :T=(I/Io) c est-à-dirA= _logT L ‘bsorbance est une valeur positive, sans unité. Elle est d’autant plus grande que l’intensité transmise est faible. La relation de Beer-Lambert décrit que, à une longueur d'onde λ donnée, l’absorbance d’une solution est proportionnelle à sa concentration, et à la longueur du trajet optique (distance sur laquelle la lumière traverse la solution). 3. Le spectre d’absorption en UV-visible (Figure ci dessous) du BM a été obtenus par un balayage spectral, entre 500 et 800 nm, d’une solution de colorant à 100 mg/L. Donner une petite interprétation du spectre uv visible du colorant en précisant sa longueur d’onde maximale d’absorption ainsi que son absorbance. Interprétation : Afin d'obtenir un spectre UV-visible, la solution est soumise aux rayonnements dont la longueur d'onde est comprise dans l'intervalle 200-400 nm (domaine des ultraviolets) et dans l'intervalle 500-800 nm (domaine de la lumière visible). Pour chaque longueur d'onde, l'absorbance est mesurée et les données recueillies sont utilisées pour tracer les variations de l'absorbance (en ordonnées) en fonction de la longueur d'onde (en abscisse). Le graphique ainsi obtenu constitue un spectre UV-visible. La longueur d onde maximal = 650 nm L absorbance maximale = 1,01 4. Préparation des solutions de colorants BM : Une solution mère du BM avec une concentration de 1000 mg/l a été préparée en mélangeant une quantité appropriée de BM avec de l'eau distillée. La solution mère a été convenablement diluée par l'eau distillée à la concentration initiale désirée. Des solutions filles de bleu de méthylène de concentration allant de 10 à 100 mg/l sont préparés par dilution Travaux pratique sur l’adsorption d’un colorant sur charbon actif Destiné aux étudiants de première année master génie des procédés de l’environnement Présenté par Madame Aicha Khenifi [email protected] Expliquer le principe de dilution Diluer une solution, c’est, en ajoutant un solvant, obtenir une nouvelle solution moins concentrée en soluté que la solution initiale. La solution initiale est appelée solution mère de concentration notée CM. Lorsqu’on dilue cette solution, on obtient une nouvelle solution appelée solution fille de concentration notée Cf. Propriété : Lors d’une dilution, la concentration molaire diminue, mais la quantité de matière ne change pas. Etape 1: prélever un volume de solution mère nécessaire à la préparation de la solution fille. Utiliser pour cela une pipette jaugée et une propipette Etape 2: On verse le volume, prélevé à l’étape précédente, dans une fiole jaugée de volume approprié. Etape 3: On ajoute de l’eau distillée et on agite afin d’homogénéiser la solution Etape 4: On complète avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge. Schéma du protocole à utiliser pour effectuer une dilution 5. calculer le volume de BM à utiliser pour la préparation de chacune des solutions suivantes ( remplissez le tableau suivant ) CiVi = CfVf Vi = CfVf /Ci =Ve=Vf-Vi Vi = CfVf /Ci = 10 * 50 /1000 =V1 = 0.5 ml Ve=VfVii =50-0.5 =Ve =49.5ml Echantillon Concentration (mg/L) Volume de solution mère (ml) Volume d’eau distillée(ml) Volume total 1 10 2 20 3 30 4 40 5 50 6 60 0.5 1 1.5 2 2.5 3 49.5 90 48.5 48 47.5 47 50ml 50ml 50ml 50ml 50ml 50ml Travaux pratique sur l’adsorption d’un colorant sur charbon actif Destiné aux étudiants de première année master génie des procédés de l’environnement Présenté par Madame Aicha Khenifi [email protected] 6. chacune des solutions précédente de concentrations allant de 10 à 100 mg/l sont dosés par uv visible à une longueur d’onde de 665 nm. Les résultats sont résumés dans le tableau suivant Echantillon Concentration (mg/L) absorbance Longueur d’onde max 1 10 2 20 3 30 4 40 5 50 6 60 0.15 665 0.32 665 0.45 665 0.64 665 0.75 665 0.90 665 Tracer la courbe d’étalonnage du colorant BM ( la courbe d’étallonage représente l’absorbance en fonction de la concentration ). Donner une petite interprétation de cette courbe. 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Donc l’interprétation de la courbe est : Le graphique représentant l'absorbance en fonction de la concentration, appelé droite (ou courbe) d'étalonnage, permet de déterminer la concentration d'une solution à partir de la mesure de l'absorbance de solutions de concentrations connues 7. Dans six béchers (fioles conique), on met dans chacun (voir tableau-1) : - Une quantité pesée de charbon actif (constante) m= 1.25 g. - Un volume (V=50ml) de solution de bleu de méthylène de concentration initiale C0, préalablement dosée. - Ensuite, tous ces béchers sont fermés et placés en continu sous agitation, pendant une heure. les manpulations sont effectués dans un des réacteurs fermés. Séparation et filtration : A l'issue de ce temps de contacte entre solution de bleu de méthylène et charbon actif, on sépare ce solide du liquide par filtration. Ensuite on détermine de nouveau la concentration résiduelle du BM dans le liquide claire (filtré) par spectrophotométrie Travaux pratique sur l’adsorption d’un colorant sur charbon actif Destiné aux étudiants de première année master génie des procédés de l’environnement Présenté par Madame Aicha Khenifi [email protected] Décrire le principe de la filtration : La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les constituants d'un mélange qui possède une phase liquide et une phase solide au travers d'un milieu poreux. L'utilisation d'un filtre permet de retenir les particules du mélange hétérogène qui sont plus grosses que les trous du filtre (porosité). Le liquide ayant subi la filtration est nommé filtrat ou perméat, tandis que la fraction retenue par le filtre est nommé résidu, rétentat ou gâteau. La filtration peut aussi désigner le phénomène passif d'épuration naturelle ou de diminution de la turbidité qui se produit quand l'eau pénètre un lit de sable ou de sédiment pour rejoindre la nappe Après filtration , les solutions de colorants sont dosés par uv-visble Les résultats sont présentés dans le tableau suivant Echantillon Concentration initiale(mg/L) Absorbance après adsorption Longueur d’onde max 1 10 2 20 3 30 4 40 5 50 6 60 0.005 0.01 0.015 0.02 0.03 0.05 665 665 665 665 665 665 Calculer la concentration du colorant après adsorption du charbon actif en utilisant la courbe d’étalonnage effectuée précédemment. Remplissez le tableau suivant A=K C La tengente K = (yb-ya)/(xb-xa) K=(0,9-0,45)/(60-30)=0,001 K=0,015 Donc C1= A1/K = 0.33 Echantillon Concentration initiale(mg/L) Absorbance après adsorption Concentration résiduaire après adsorption (mg/l) (Ce) 1 10 2 20 3 30 4 40 5 50 6 60 0.005 0.01 0.015 0.02 0.03 0.05 0.33 0.66 1 1.33 2 3.33 8. calculer la quantité fixée du colorant sur charbon actif en utilisant la formule suivante : qt = (concentration initiale du colorant – concentration du colorant résiduaire) * volume de la solution / masse du charbon actif Qt1=(10-0.33)×50×10^-3/1,25 = 0.3868 mg/g Qt2=(20-0.66)×50×10^-3/1.25= 0.7736 mg/g Qt3=(30-1)×50×10^-3/1.25= 1.16 mg/g Qt4=(40-1.33)×50×10^-3/1.25= 1.5468 mg/g Qt5=(50-2)×50×10^-3/1.25= 1.92 mg/g Qt6=(60-3.33)×50×10^-3/1.25= 2.2668 mg/g Travaux pratique sur l’adsorption d’un colorant sur charbon actif Destiné aux étudiants de première année master génie des procédés de l’environnement Présenté par Madame Aicha Khenifi [email protected] 9. tracer la courbe qt en fonction de la concentration résiduaire (Ce) 2 2 1 1 0 0 0 0 1 1 2 2 3 3 Que réprésente cette courbe La courbe represente une adsorption isotherme 10. comparer ce tracé aux isothermes d’adsorption présentés dans la littérature . interpréter vos résultats (type d’isotherme….) L'interprétation classique de cette isotherme est qu'elle est relative à une formation d'une couche mono moléculaire complète. Cette isotherme est relative à des solides microporeux de diamètre inférieur à 25 °A 11. La description des isothermes d’adsorption peut se faire au moyen de plusieurs modèles. Chacun de ces modèles est donné sous forme d’une équation paramétrée pouvant comporter plusieurs paramètres. Appliquer le modèle de Langmuir et de Freundlich aux résultats précédents et tirés les paramètres relatifs à chaque modèle. le modèle de Langmuir ce modèle est utilisé quand les conditions suivantes sont remplies : L’espèce adsorbée est fixée sur un seul site bien défini, chaque site n’est capable de fixer qu’une seule espèce adsorbée, l’énergie d’adsorption de tous les sites est identique et indépendante des autres espèces déjà adsorbées sur des sites voisins. Il est décrit par l’expression suivante : 1/Qt = 1/Qm +(1/(K*Qm )) * 1/Ce Qt: quantité de substance adsorbée à l'équilibre par unité de poids de l'adsorbant - capacité d'adsorption - (mg/g). Qm: Capacité d'adsorption à la saturation (mg/g). Ce: Concentration du substrat en adsorbat à l'équilibre (mg/l). K: la constante de Langmuir. 1/Ce 0.3003 0.5 0.75188 1 1.515152 3.030303 0.441151 0.520833 0.646496 0.862069 1.292658 2.585315 1/Qt Travaux pratique sur l’adsorption d’un colorant sur charbon actif Destiné aux étudiants de première année master génie des procédés de l’environnement Présenté par Madame Aicha Khenifi [email protected] 3 2 2 1 1 0 0 0 0 1 1 2 2 3 3 Modèle de Freundlich Le modèle empirique de Freundlich est basé sur l’adsorption sur des surfaces hétérogènes. Ln( Qt ) +Ln ( K ) * 1/n * Ln (Ce ) Qt : quantité adsorbée par gramme du solide. Ce : concentration de l'adsorbât à l'équilibre d'adsorption. K et 1/n : constantes de Freundlich caractéristique de l'efficacité d'un adsorbant donné vis-àvis d'un soluté donné. -1.10866 -0.41552 0 0.285179 0.693147 1.202972 Ln ( Ce ) -0.94985 -0.2567 0.14842 0.436188 0.652325 0.818369 Ln ( Qt ) 1 0 0 0 0 0 -1 -1 -0 -0 0 -0 -0 -0 -1 -1 0 1 1