Tp1 Isotherme 63y3f

TP1: Isotherme d'adsorption

TP1: Isotherme d'adsorption

Introduction: L’utilisation accrue de certains produits chimiques d’origine industrielle (colorants, détergents, hydrocarbures, engrais, pesticides) ou médicales (antipaludéens, antibiotiques, analgésiques, etc.) est à la base de nombreux cas de pollution des eaux, des sols, de l’air ou d’intoxication accidentelles ou volontaires, et, suscite à l’heure actuelle une attention particulière à l’échelle mondiale. On assiste aujourd’hui de plus en plus à de nombreux cas d’altérations des écosystèmes et à des problèmes de santé publique pouvant conduire à l’élimination des espèces vivantes (végétaux, animaux, hommes). De nombreux scientifiques des différentes disciplines s’intéressent, de plus en plus, à l’identification et à l’élimination des polluants de l’environnement. A cet effet, on recourt souvent à l’adsorption sur charbon actif, notamment pour l’élimination des produits toxiques, des micropolluants ou inorganiques de l’eau, la décoloration des huiles végétale et la purification de nombreux produits. "Etude qualitative et quantitative de l’adsorption d’un colorant organique sur le charbon actif- dspace.univ-biskra"

L’objet de ce travail est d’étudier l'isotherme d’adsorption de bleu de méthylène sur le charbon actif.

Les colorants: Un colorant est un produit capable de teindre une substance d’une manière durable. Il possède des groupements qui lui confèrent la couleur: appelés chromophores et des groupements qui permettent sa fixation: auxochromes. Les matières colorantes se caractérisent par leur capacité à absorber les rayonnements lumineux dans le spectre visible (de 380 à 750 nm). La transformation de la lumière blanche en lumière colorée par réflexion sur un corps, ou par transmission ou diffusion, résulte de l'absorption sélective d'énergie par certains groupes d'atomes appelés groupes chromophores.

Bleu de bromothymol: BBT

Formule brute : C16H18ClN3S

Le bleu de bromothymol (ou BBT) est un colorant de la famille des sulfonephtaléines souvent utilisé comme indicateur coloré de pH. En effet, il possède des propriétés halochromiques

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Le charbon actif: Les colorants synthétiques présents dans les effluents industriels ne sont pratiquement pas dégradables. Une technique pour les éliminer consiste à utiliser des charbons actifs. Ce sont des matériaux adsorbants dont la structure interne est constituée de pores de 2 à 50 nm de diamètre. La surface interne des pores, appelée surface spécifique, est de l’ordre de 400 à 2000 m 2/g

L’Adsorption  Le phénomène d’adsorption L’adsorption à l’interface soluté/solide est un phénomène par lequel des molécules présentes dans effluent liquide ou gazeux, se fixent à la surface d’un solide. Ce phénomène dépend à l'interface et les propriétés physico-chimiques de l’adsorbat. Ce phénomène spontané provient de l’existence à la surface du solide de forces non composées, qui sont de nature physique ou chimique. Ces forces conduisent respectivement à deux types d’adsorption : la chimisorption et la physisorption. Adsorption chimique (ou chimisorption) : elle met en jeu une ou plusieurs liaisons chimiques covalentes ou ioniques entre l’adsorbat et l’adsorbant. Adsorption physique (ou physisorption) : elle met en jeu une ou plusieurs liaisons de type Van Der Waals (ou London) qui sont à l’origine de l’adsorption physique.  Description du mécanisme d’adsorption L’adsorption se produit principalement en quatre étapes: 1) Diffusion de l’adsorbât de la phase liquide externe vers celle située au voisinage de la surface de l’adsorbant. 2) Diffusion extra granulaire de la matière (transfert du soluté à travers le film liquide vers la surface des grains). 3) Transfert intra granulaire de la matière (transfert de la matière dans la structure poreuse de la surface extérieure des graines vers les sites actifs). 4) Réaction d'adsorption au des sites actifs, une fois adsorbée, la molécule est considérée comme immobile.

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Travail expérimentale: Préparation d'une solution fraiche du BM à 100 mg/l: ( 40 mg dans 400 ml ) Agitation à l'aide d'un agitateur magnétique pendant 20mn (solubilité total de BM dans l'eau)

400 mL BM 40mg 400 mL BM 40mg

𝑽′ = 0.05 L 𝑪′ = 5 mg/l

Concentration de 50 ml BM avant d'ajouter le charbon

𝑽𝒊𝒏𝒊𝒕 = 0.4 l 𝑪𝒊𝒏𝒊𝒕 = 40 / 0.4

+ Charbon actif

50 ml BM

𝑪𝒊𝒏𝒊𝒕 = 100 mg/l

A

B

C

5g charbon

10g charbon

15g charbon

D 20g charbon

E 25g charbon

F 30g charbon

Agitation pendant 30mn

Après 30mn d'agitation Centrifugation des solutions A à E pendant 15 mn à 300 tours/mn.

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Appareillage: Spectrophotomètre et cuves de 1 ml (l = 1 cm) Un spectrophotomètre est un appareil qui permet de sélectionner une longueur d’onde spécifique et d’y soumettre un échantillon coloré. Si l’échantillon absorbe la longueur d’onde choisie, on pourra le mesurer et relier cette valeur à la concentration de la substance en solution car il existe une relation quantitative entre l’intensité de l’absorption lumineuse et la concentration d’une solution. Le schéma qui suit résume le fonctionnement de l’appareil.

- Zéro électrique : selon l’appareil utilisé, ce réglage est à effectuer au moment de sa mise en marche. - Longueur d'onde : réglez la longueur d'onde avant de régler le zéro d'absorbance et d'effectuer vos mesures. - Léro de DO : en mode absorbance avec le tube témoin en place dans le porte-cuve, appuyer sur le bouton "0 ABS" ou "Auto zéro". L'affichage doit alors se stabiliser sur la valeur DO = O.

Une fois ces réglages réalisés, vous pouvez faire vos mesures.

Attention : il faut régler le zéro de DO à chaque changement de longueur d'onde! Conserver la cuve témoin ("blanc" ; ici eau distillée) tout au long de la séance pour pouvoir réaliser des réglages de DO dans les mêmes conditions sur l'appareil.

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Rappel : Loi de Beer Lambert Les mesures spectrophotométriques s'appuient sur la loi de Beer-Lambert qui indique que la densité optique (DO) ou absorbance d'un produit en solution est proportionnelle à sa concentration molaire

DO = A = ε . c . l Donc: c =

𝑨 𝛆.𝐥

ε: coefficient d'extinction molaire du produit coloré

unité: 𝑀−1 . 𝑐𝑚 −1

c: concentration molaire du produit coloré

unité: M (mol/L)

l: longueur du trajet optique (ici l =1cm)

unité: cm

= 664.5 nm𝒎𝒂𝒙 A= 0.35

La longueur d’onde au maximum d’absorption λm= 664.5 Cette longueur d’onde sera choisie comme longueur d’onde de travail.

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Courbe d'étalonnage: m(mg) 00 0.5 01 02 2.5 04

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

Masse molaire de BM : 319,852 g/mol

A= 0.197 C ,donc :

0

1

2

A 00 0.140 0.242 0.427 0.549 0.725

y = 0.1978x R² = 0.9671

3

4

5

Dilution d'échantillons: Echantillon

A

B

Echantillon V solution(ml)A 1

2

B

Absorbance V eau (ml)

3

2.128 8

1.197 9

F dilution

10

C

5

3

2

Mesure d'absorbance: Solution

A

B

C

D

E

F

Absorbance

11.97

10.64

5.998

3.135

3.010

2.128

1-a) Concentration à l'équilibre: Concentration de 50 ml BM avant d'ajouter le charbon

C’= 100mg/l

1-b) 1-c)

A= 0.197 C

C=

𝑨 𝟎.𝟏𝟗𝟕

m'(mg)= (C'- C)v

m(mg/g)=

𝑚′ (𝑚𝑔) 𝑚 𝑐ℎ𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛 (𝑔)

C 2.999

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Les résultats sont dans le tableau suivant: Solution V (BM) ml m (Charbon) g

A 50 0.005

B 50 0.010

C 50 0.015

D 50 0.020

E 50 0.025

F 50 0.030

Facteur de dilution

10

5

2

1

1

1

10.64 54.01 2.299 299.90

5.998 30.45 3.478 231.87

3.135 15.91 4.205 210.25

3.010 15.28 4.236 169.44

2.128 10.80 4.460 148.67

Absorbance 11.97 C (mg/l) 60.76 m' (mg) 1.964 m (mg/g) 392.80

2-a) La courbe des variations de la masse absolue de BM adsorbée en fonction de la masse de charbon utilisée:

M (g)

m' (mg)

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

0.00 1.964 2.299 3.478 4.205 4.236 4.460

m'(mg) 4.5

La masse absolue de BM adsorbée (m') en fonction de m charbon utilisé (M)

4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 M(g)

0

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

2-b) L'augmentation de m' avec l'augmentation de m charbon: Cette augmentation de m' (masse BM adsorbée) peut être justifiée par l’augmentation des sites d’adsorption avec l’augmentation de la masse de charbon actif ajoutée (quantité de charbon   surface de e  sites actifs ).

2-c) L'évolution de la pente de la courbe précédente : m' = a m ; avec: a = la pente

0.035

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3-)  Le phénomène d'adsorption de BM est augmente avec l'augmentation de quantité du charbon actif. masse charbon actif   nombre de sites actif  Mais cette augmentation n'a plus d'influence à un certain seuil de masse, autrement dit le déement de ce seuil n'influe pas sur la quantité adsorbée.  L'utilisation excessive du charbon actif est une perte de la matière et des dépenses supplémentaires.

m en fonction de C

4-) 300

C

m

00 60.76 54.01 30.45 15.91 15.28 10.80

00 392.80 299.90 231.87 210.25 169.44 148.67

250 200 150 100 50 0 0

10

20

30

5-) La fonction de Freundlich est la suivante : x/m : substance adsorbée par gramme de charbon actif; Ce : différence de concentrations (entre initiale et finale); Kf,n : constantes spécifiques Dans ce cas:

m = k. 𝑪𝟏/𝒏 𝟏 ln (m) = ln k + ln C 𝒏

40

50

60

TP1: Isotherme d'adsorption On a :

y = 0.2908x + 4.5462 R² = 0.9991

ln C

ln m

5.973

4.107

5.703

3.989

5.7

5.446

3.416

5.65

5.348

2.767

5.132

2.727

5.5

5.002

2.79

5.45

5.75

5.6 5.55

5.4

D'après la courbe d'isotherme: ln k= 4.546  k= 94.255 1 = 0.290  n= 3.448 n

5.35 5.3 0

1

2

3

4

5

𝟎.𝟐𝟗𝟎

m = 94.255 . 𝑪

Exemple : résultats expérimentale : C= 54.01 mg/l → m=299.90 mg/g Si on applique La fonction de Freundlich : mth = 94.255 . 𝑪𝟎.𝟐𝟗𝟎 mth = 94.255×54.01 (0.290) → mth=299.72 mg/g

mth = m 6-) Le modèle de Langmuir: 1/C

1/m 0.0165

0.00255

0.0185 0.00333 1/m en fonction de 1/C 0.008 0.007 0.006 0.005 𝑚 𝑚𝑚𝑎𝑥 𝑚𝑚𝑎𝑥

=

𝑚

1+𝑏.𝐶 1+𝑏.𝐶

𝟏 𝟏

= .

𝒎 𝑪 𝟏

𝒎𝒎𝒂𝒙

𝑏.𝐶

𝟏

=

+

1

𝑏.𝐶

+

𝑏.𝐶 𝑏.𝐶

𝟏

=

1 𝑏.𝐶

+1

0.0654

0.00590

0.0926

0.00673

0.001 0

0

= 0.045  b= 0.0444 m=

0.00476

0.002

= 0.002  𝒎𝒎𝒂𝒙 = 500

𝒃.𝒎𝒎𝒂𝒙

0.0629

0.003

𝒃.𝒎𝒎𝒂𝒙 𝒎𝒎𝒂𝒙

𝟏

0.00431

0.004

𝑏.𝐶

=

0.0328

y = 0.0456x + 0.0026 R² = 0.9979

0.0444.𝐶 .500 1+0.0444.𝐶

 m=

𝟐𝟐.𝟐.𝑪 𝟏+𝟎.𝟎𝟏𝟖𝟓.𝑪

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

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Exemple : résultats expérimentale : C= 54.01 mg/l → m=299.90 mg/g Si on applique Le modèle de Langmuir : m= mth =

𝟐𝟐.𝟐× 𝟓𝟒.𝟎𝟏 𝟏+𝟎.𝟎𝟏𝟖𝟓×𝟓𝟒.𝟎𝟏

𝟐𝟐.𝟐.𝑪 𝟏+𝟎.𝟎𝟏𝟖𝟓.𝑪

→ mth =343 mg/g

C= 30.45 mg/l → m=231.87 mg/g mth =

𝟐𝟐.𝟐× 𝟑𝟎.𝟒𝟓 𝟏+𝟎.𝟎𝟏𝟖𝟓×𝟑𝟎.𝟒𝟓

→ mth =287 mg/g

mth ≈ m

7-) La détermination de la surface spécifique, a, se fait via la détermination de la quantité adsorbée sur la monocouche 𝑊𝑚 selon : a ( 𝒎𝟐 . 𝒈−𝟏 ) = 𝑵𝒎 . 𝑵𝑨 .  ε: coefficient d'extinction molaire du produit coloré 𝑵𝑨 : nombre d'Avogadro. 𝑵𝒎 : nombre de moles de BM adsorbées sur une monocouche, par unité de masse d'échantillon. 𝒎𝒎𝒂𝒙 = 500 mg/g Masse molaire de BM : 319,852 g/mol 0.5

Donc : Nm= 319.852 = 1.563 . 10-3 (mol/g) NA= 6.023 . 1023 (mol-1) a ( 𝒎𝟐 . 𝒈−𝟏 ) =1.563 . 10-3 . 6.023 . 1023 . 120 .10-10 a= 1.1297 .10-13 𝒎𝟐 . 𝒈−𝟏

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Référence:

 Adsorption / Charbon actif (www.lenntech.fr)  Etude comparative des propriétés d'adsorption de quelques micro-polluants sur les phosphates naturels et le charbon actif (www.memoireonline.com)  Charbon Actif, l’Adsorption Moléculaire (www.aquabase.org)  echimie.wordpress  uqac.ca/chimie_ens/Cinetique_chimique/CHAP_12