Communication Dans Un Congrès Année : 2022

Modélisation dynamique des phénomènes de transfert et d'adsorption d'ions métalliques en milieu mésoporeux : application à la catalyse hétérogène et au traitement de l'eau

Résumé

Introduction L'adsorption d'ions métalliques sur un support mésoporeux se rencontre dans une large variété d’applications, comme le traitement de l'eau (Dan’a 2017) et la préparation de catalyseurs hétérogènes (Catita et al. 2021). Dans ces applications, les ions initialement présents dans une solution aqueuse diffusent au travers du réseau poreux. L’adsorption se produit par échange d'ions entre les ions métalliques de la solution et des groupes hydroxyle sur les différents sites du solide (Chu et al. 1989). Pour optimiser à la fois la production des catalyseurs hétérogènes et utiliser le procédé d’adsorption dans le domaine du traitement de l’eau, la compréhension des phénomènes physico-chimiques ayant lieu est clé. Cependant, elle est complexe en raison de la forte hétérogénéité de la surface solide (Lagauche et al. 2017) et de la non-idéalité de la solution ionique liquide. Dans la littérature, les données expérimentales sont généralement interprétées en supposant l’existence d’un mono-site, en négligeant les gradients de pH à l'intérieur des pores du solide et en omettant l'impact de la force ionique sur l'adsorption et la diffusion (Liu et al. 2008). Résultats et discussion Dans une première partie de ce projet, l'imprégnation par voie humide de γ-alumine en présence de solutions de nickel à différent concentrations en nickel (0.05M à 0.3 M) et à différents pH (4 à 6), est réalisée dans un réacteur parfaitement agité en mode continu équipé de sondes d’analyses en ligne ex situ (pH, conductivité) et hors ligne (spectroscopie par absorbance UV) permettant de suivre la composition du liquide (nickel, nitrate, protons, …). Le solide est quant à lui analysé à différents temps d’imprégnation par une technique de spectrométrie d’émission atomique de plasma induit par laser (LIBS) qui mesure quantitativement la distribution des espèces chimiques dans le solide. Dans une deuxième partie, un modèle dynamique des phénomènes de transfert et d’adsorption d’une solution aqueuse ionique en milieu méso poreux a été développé. Il comprend la diffusion des espèces dans le milieu ionique non-idéal et concentré (Wesselingh et al. 2000), et l’échange d’ions entre le nickel et les groupes hydroxyles sur différents sites d'adsorption sur la surface de l'alumine (Lagauche et al. 2017). Les paramètres du modèle (par exemple, les constantes d’équilibre de l’échange d’ions) sont estimés par comparaison des résultats des expériences d’imprégnation avec les résultats du modèle. Après optimisation, le modèle prédit l'évolution temporelle et spatiale des concentrations des ions de nickel et de protons dans les phases liquide et solide, ainsi que l’évolution du pH dans les pores. Les résultats des simulations sont concordants avec les résultats expérimentaux (voir Figure 1). Le modèle prédit une diminution du pH de la solution liquide à l'intérieur des pores d'alumine, en raison de l'échange d'ions entre le nickel et les groupes hydroxyles. Conclusion La simulation réussit à prédire l’évolution des concentrations des différentes espèces ioniques dans les phases liquide et solide, ainsi que le pH de la phase liquide à l’intérieur des pores de solide durant l’imprégnation. En perspectives, ce modèle sera amélioré pour prendre en compte la diffusion complexe d’ions dans des électrolytes concentrés et l’hétérogénéité de la surface d’alumine. Le modèle sera éventuellement étendu pour décrire un second solide (hydrogel résorcinol-formaldéhyde) utilisé dans le traitement de l’eau.
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Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

hal-04928766 , version 1 (04-02-2025)

Identifiants

  • HAL Id : hal-04928766 , version 1

Citer

Rita Fayad, Aurélie Galfré, Françoise Couenne, Elsa Jolimaitre, Loïc Sorbier, et al.. Modélisation dynamique des phénomènes de transfert et d'adsorption d'ions métalliques en milieu mésoporeux : application à la catalyse hétérogène et au traitement de l'eau. SFGP2022, Société française de génie des procédés, Nov 2022, Toulouse, France. ⟨hal-04928766⟩
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