Application d’argiles locales du nord du maroc pour le traitement des effluents liquides contaminés par les colorants organiques et les métaux lourds
- Autores: Mohammadi Ahrouch
- Directores de la Tesis: Jose M. Gatica (dir. tes.), Khalid Draoui (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cádiz ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José María Pintado Caña (presid.), Hicham Zaitan (secret.), Mohamed Larbi Soussi El Begrani (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Nanociencia y Tecnologías de Materiales por la Universidad de Cádiz
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
Este trabajo tiene como objetivo general la valorización de las arcillas naturales de la región norte de Marruecos mediante su uso en el tratamiento de aguas residuales contaminadas por tintes orgánicos y metales pesados. Se puede inscribir dentro de una perspectiva de desarrollo local sostenible que consiste, por una parte, en aplicar nuevos enfoques eficaces para preservar la calidad del agua y proteger el medio ambiente de la contaminación, y por otra, en valorizar los abundantes recursos minerales. Se partió de una caracterización físico-química en detalle de las materias primas, las arcillas en polvo, incluyendo diversas técnicas como la Difracción de Rayos-X con interpretación fina de los resultados mediante análisis Rietveld, análisis térmico empleando termobalanza y espectrometría de masas, análisis cuantitativo empleando ICP-AES y FRX, microscopía electrónica SEM-EDS, espectroscopía FTIR, y técnicas de análisis textural como la granulometría laser y la fisisorción de nitrógeno. De igual manera, se abordó un completo estudio de la capacidad de adsorción de las arcillas frente a un colorante modelo, el azul de metileno, y respecto a dos metales pesados en disolución, el plomo y el cadmio. Los estudios, en los que se empleó un diseño de tanque agitado, incluyeron el análisis de la influencia de los diferentes parámetros experimentales comunes a este tipo de estudios (cantidad de adsorbente, tiempo de contacto, pH del medio, concentración inicial de contaminante y temperatura en el proceso de adsorción). Por otra parte, cabe señalar el uso de la espectroscopía de absorción atómica como técnica analítica que proporcionó la sensibilidad y precisión adecuadas a los niveles de concentración de los iones metálicos estudiados. En una tercera etapa, se consiguió preparar monolitos integrales de arcilla en forma de panal de abeja, siguiendo la metodología de Casagrande utilizada inicialmente para la extrusión de otros materiales cerámicos. Esta metodología se basa en la predicción de la extrusibilidad de una pasta mediante la estimación de sus propiedades reológicas básicas, evitando un procedimiento tedioso y costoso de prueba y error. Las prestaciones de adsorción de los materiales así elaborados también se han estudiado frente al azul de metileno, plomo y cadmio en disolución, respectivamente. En este caso, las experiencias se han llevado a cabo empleando un diseño dinámico con recirculación en torno a los filtros estructurados de arcilla. Los resultados generales permiten concluir que las arcillas denominadas O (illita-esmectita) y ST (estevencita) se pueden extruir fácilmente en forma de monolitos en forma de panal de abeja, presentando una eficacia considerable en la retención de plomo (2 mg/g) y cadmio (4mg/g), respectivamente. Además, el estudio de adsorción del azul de metileno también mostró la buena afinidad de la arcilla O hacia este contaminante (100 mg/g).
De acuerdo con los resultados obtenidos, los monolitos en forma de panal de abeja preparados a partir de las arcillas naturales han demostrado un enorme potencial frente a la retención de contaminantes en disolución. Estos filtros estructurados añaden ventajas considerables en el proceso de la purificación del agua, sin perder las propiedades de adsorción de las arcillas en polvo de partida. De esta forma, los materiales y el diseño aquí propuestos proporcionan nuevas alternativas para luchar contra el problema de la contaminación del agua por metales pesados y colorantes orgánicos, y, por lo tanto, han sido valorizados.
- English
This work focuses on the valorization of natural clays from the northern region of Morocco by means of their use in the treatment of wastewater contaminated by organic dyes and heavy metals. It is part of a sustainable local development perspective, which consists of implementing effective approaches to preserve water quality and protect the environment against pollutants on the one hand, and to develop abundant mineral resources on the other. The first step was the detailed physico-chemical characterization of the clay powders used as raw materials by means of different techniques such as X-ray diffraction with Rietveld analysis for an in-depth interpretation of the results, thermal analysis employing both thermogravimetry and mass spectrometry, quantitative analysis using ICP-AES and XRF, SEM-EDS electron microscopy, FTIR spectroscopy, and textural analysis by laser granulometry and nitrogen physisorption. Secondly, a complete study of the clays adsorption capacity with regard to a model dye, methylene blue, and two heavy metals, lead and cadmium, in aqueous solution was performed. The tests in batch mode included the analysis of the influence on the adsorption process of different experimental parameters which are usual in this type of experiments such as adsorbent amount, contact time, pH of the medium, pollutant initial concentration and temperature. On the other hand, it should be highlighted the use of atomic absorption spectroscopy as analytical tool which provided the adequate sensitiveness and accuracy for the concentration level of the studied metallic ions. In a third stage, integral clay honeycomb monoliths could be prepared following Casagrande´s methodology, which was initially employed for the extrusion of other ceramics. This technique is based on the prediction of the extrudability of a paste through simple rheological properties estimate in order to avoid an expensive and tedious trial and error procedure. The adsorptive performance of the filters prepared in this way was also studied against methylene blue, lead and cadmium present in water. In this case, the experiments were carried out using a dynamic setup which included a flow recirculation through the clay structured filters. The general output of this study allowed concluding that the clays denoted as O (illite-smectite) and ST (stevencite) are easily extrudable in the form of honeycomb monoliths, showing a remarkable efficiency to retain lead (2 mg/g) and cadmium (4 mg/g), respectively. In addition, the study of the methylene blue adsorption also evidenced a good affinity of the O clay towards this pollutant (100 mg/g).
According to the results obtained, the honeycomb monoliths prepared from natural clays have demonstrated an enormous potential for the retention of pollutants in aqueous solution. Moreover, these structured filters add significant advantages to the process of water purification, without losing the adsorption properties of starting clay powders. Therefore, the here proposed materials and design open up new alternatives to combat the problem of water pollution by heavy metals and organic dyes, and by doing so their valorization has been reached.
- français
Le travail présenté porte sur la valorisation des argiles naturelles de la région du nord de Maroc dans le domaine de traitement des eaux usées contaminées par des colorants organiques et des métaux lourds. Il s’inscrit dans une perspective de développement local durable, qui consiste à mettre en place des approches efficaces pour préserver la qualité de l’eau et protéger l’environnement contre les polluants d’une part et de valoriser les ressources minérales abondantes d’autre part.
Dans un premier temps, la caractérisation physico-chimique détaillée des poudres d'argile utilisées comme matières premières a été réalisée par différentes techniques telles que la diffraction des rayons X associée à l'analyse de Rietveld pour une interprétation approfondie des résultats, l'analyse thermique en utilisant à la fois la thermogravimétrie et la spectrométrie de masse, l'analyse quantitative en utilisant l’ICP-AES et la spectrométrie de fluorescence X, la microscopie électronique à balayage SEM-EDS, la spectroscopie FTIR et l'analyse de texture par granulométrie laser et la volumétrie d’adsorption d'azote. Dans une deuxième étape, une étude complète a été réalisée sur la capacité d'adsorption des argiles vis-à-vis d'un colorant modèle, le bleu de méthylène, et deux métaux lourds, le plomb et le cadmium, en solution aqueuse . Les essais en mode batch comprenaient l'analyse de l'influence de différents paramètres sur le processus d'adsorption qui sont habituels dans ce type d'expériences, tels que la quantité d'adsorbant, le temps de contact, le pH du milieu, la concentration initiale du polluant et la température. D'autre part, il convient de souligner l'utilisation de la spectroscopie d'absorption atomique comme outil d'analyse qui permet de fournir la sensibilité et la précision adéquates pour le niveau de concentration des ions métalliques étudiés. Ensuite, des monoliths en nid d’abeilles à base d’argile ont pu être préparés, suivant la méthodologie de Casagrande, qui a été initialement utilisée pour l'extrusion d'autres produits céramiques. Cette technique est basée sur la prédiction de l'extrudabilité d'une pâte par le biais d'une simple estimation des propriétés rhéologiques afin d'éviter toute procédure d'essai et d'erreur. Les performance d’adsorption des filtres ainsi élaborés ont également été étudiées vis-à-vis de deux métaux lourds, le plomb et le cadmium, et un Colorant qui est le bleu de méthylène. Dans ce cas, les expériences ont été réalisées en utilisant un dispositif dynamique qui comprenait une recirculation du flux à travers les filtres structurés à base d'argile. Le résultat général de cette étude a permis de conclure que les argiles dénommées O (illite-smectite) et ST (stevencite) sont facilement extrudables sous forme de monolithes en nid d'abeille, montrant une efficacité remarquable pour la rétention du plomb (2 mg/g) et du cadmium (4 mg/g), respectivement. En outre, l'étude de l'adsorption du bleu de méthylène a également mis en évidence une bonne affinité de l'argile O vis-à-vis de ce polluant (100 mg/g).
D'après les résultats obtenus, les monolithes en nid d'abeille préparés à partir d'argiles naturelles ont montré un énorme potentiel de rétention des polluants en solution aqueuse. De plus, ces filtres structurés apportent des avantages significatifs au processus de purification de l'eau, sans pour autant perdre les propriétés d'adsorption des poudres d'argile de base. Par conséquent, les matériaux et la conception proposés ici ouvrent de nouvelles alternatives pour lutter contre le problème de la pollution de l'eau par les métaux lourds et les colorants organiques, et ce faisant, leur valorisation a été atteinte.
- español
