Traitement des eaux usées au chitosane

Dans les systèmes conventionnels de traitement des eaux, les floculants les plus utilisés sont les sels d'aluminium et les sels de fer. Or, les sels d'aluminium résiduels dans l'eau traitée présentent un risque pour la santé humaine, tandis que les sels de fer altèrent sa couleur. De plus, dans la plupart des stations d'épuration, il est difficile de résoudre les problèmes de pollution secondaire, tels que la production importante de boues et la complexité de leur élimination. Par conséquent, la recherche d'un produit naturel, non polluant, pour remplacer les floculants à base de sels d'aluminium et de fer est aujourd'hui essentielle à la mise en œuvre de stratégies de développement durable. Parmi les nombreux floculants, les polymères naturels suscitent un vif intérêt grâce à l'abondance de leurs matières premières, leur faible coût, leur bonne sélectivité, leur faible dosage, leur innocuité, leur non-toxicité et leur biodégradation complète. Après des décennies de développement, de nombreux polymères naturels aux propriétés et aux applications variées ont vu le jour, parmi lesquels l'amidon, la lignine, le chitosane et la colle végétale sont actuellement largement utilisés.

ChitosanePropriétés

Le chitosane est un solide blanc, amorphe et translucide, en flocons, insoluble dans l'eau mais soluble dans les milieux acides. Il s'agit du produit de désacétylation de la chitine. On parle généralement de chitosane lorsque plus de 55 % des groupes N-acétyle de la chitine ont été éliminés. La chitine est le principal constituant de l'exosquelette des animaux et des insectes, et le deuxième composé organique naturel le plus abondant sur Terre après la cellulose. Floculant naturel, non toxique et biodégradable, le chitosane possède de nombreux groupes hydroxyle, amine et N-acétylamino répartis sur sa chaîne macromoléculaire. Ces groupes peuvent former des polyélectrolytes cationiques à forte densité de charge en milieu acide, et s'organiser en structures réticulées par liaisons hydrogène ou ioniques. Ces structures permettent de complexer et d'éliminer de nombreux ions de métaux lourds toxiques et nocifs. Le chitosane et ses dérivés ont de nombreuses applications, non seulement dans le textile, l'imprimerie et la teinture, la fabrication du papier, la médecine, l'agroalimentaire, l'industrie chimique, la biologie et l'agriculture, mais aussi dans le traitement de l'eau. Ils peuvent être utilisés comme adsorbants, agents de floculation, fongicides, échangeurs d'ions, composants de membranes, etc. L'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) a approuvé le chitosane comme agent purificateur d'eau potable en raison de ses avantages uniques pour l'approvisionnement et le traitement de l'eau.

Application deChitosanedans le traitement de l'eau

(1) Éliminer les matières en suspension dans l'eau. Dans les eaux naturelles, la présence de bactéries argileuses, etc., crée un système colloïdal chargé négativement. Le chitosane, polymère cationique à longue chaîne, possède une double fonction de neutralisation électrique, de coagulation, d'adsorption et de pontage, et présente un fort pouvoir coagulant sur les substances en suspension. Comparé à l'alun et au polyacrylamide, floculants traditionnels, le chitosane offre une meilleure clarification. RAVID et al. ont étudié l'effet du traitement par floculation d'une solution aqueuse de kaolin unique, avec un pH de chitosane compris entre 5 et 9. Ils ont constaté que la floculation était fortement influencée par le pH, le pH optimal pour l'élimination de la turbidité se situant entre 7,0 et 7,5. Avec une concentration de floculant de 1 mg/L, le taux d'élimination de la turbidité dépasse 90 %, les flocs produits sont grossiers et à floculation rapide, et la durée totale de sédimentation ne dépasse pas 1 heure. Cependant, lorsque le pH diminue ou augmente, l'efficacité de la floculation diminue, ce qui indique que le chitosane ne peut former une bonne polymérisation avec les particules de kaolin que dans une plage de pH très étroite. Certaines études ont montré que, lors du traitement d'une suspension de bentonite floculée avec du chitosane, la plage de pH optimale est large. Par conséquent, lorsque l'eau trouble contient des particules similaires au kaolin, il est nécessaire d'ajouter une quantité appropriée de bentonite comme coagulant afin d'améliorer la polymérisation.chitosanesur les particules. Plus tard, RAVID et al. ont découvert que

En présence d'humus dans la suspension de kaolin ou de dioxyde de titane, la floculation et la précipitation par le chitosane sont facilitées. En effet, l'humus, chargé négativement, se fixe à la surface des particules et permet d'ajuster aisément le pH. Le chitosane présente par ailleurs d'excellentes propriétés de floculation, même dans des milieux aquatiques naturels présentant différents niveaux de turbidité et d'alcalinité.

(2) Éliminer les algues et les bactéries du plan d'eau. Ces dernières années, des chercheurs étrangers ont étudié l'adsorption et la floculation du chitosane sur les systèmes colloïdaux biologiques tels que les algues et les bactéries. Le chitosane est efficace contre les algues d'eau douce, notamment la spiruline, les algues oscillantes, la chlorelle et les cyanobactéries. Les études ont montré que, pour les algues d'eau douce, l'élimination est optimale à un pH de 7 ; pour les algues marines, le pH optimal est plus bas. Le dosage approprié de chitosane dépend de la concentration d'algues dans le plan d'eau. Plus la concentration d'algues est élevée, plus la dose de chitosane nécessaire est importante, mais une dose trop élevée tend à accélérer la floculation et la précipitation. La turbidité permet de mesurer l'élimination des algues. À un pH de 7, une concentration de 5 mg/L est nécessaire pour une élimination efficace.chitosaneIl peut éliminer 90 % de la turbidité de l'eau, et plus la concentration d'algues est élevée, plus les particules de floc sont grossières et meilleures sont les performances de sédimentation.

L'examen microscopique a révélé que les algues éliminées par floculation et sédimentation étaient seulement agrégées et adhérentes, et qu'elles restaient intactes et actives. Le chitosane n'ayant aucun effet négatif sur les espèces aquatiques, l'eau traitée peut être utilisée pour l'aquaculture en eau douce, contrairement à d'autres floculants synthétiques. Le mécanisme d'élimination des bactéries par le chitosane est relativement complexe. L'étude de la floculation d'Escherichia coli par le chitosane a montré que le mécanisme de pontage déséquilibré est le principal mécanisme de floculation, le chitosane formant des liaisons hydrogène avec les débris cellulaires. Une autre étude a démontré que l'efficacité de la floculation d'E. coli par le chitosane dépend non seulement de la chargeabilité du diélectrique, mais aussi de ses dimensions hydrauliques.

(3) Éliminer l'aluminium résiduel et purifier l'eau potable. Les sels d'aluminium et les floculants à base de polyaluminium sont couramment utilisés dans le traitement de l'eau du robinet, mais l'utilisation de sels d'aluminium peut entraîner une augmentation de la teneur en aluminium dans l'eau potable. La présence d'aluminium résiduel dans l'eau potable constitue un risque sérieux pour la santé humaine. Bien que le chitosane présente également le problème des résidus dans l'eau, étant un aminopolysaccharide alcalin naturel non toxique, ces résidus sont sans danger pour l'organisme et peuvent être éliminés lors des traitements ultérieurs. De plus, l'utilisation combinée de chitosane et de floculants inorganiques tels que le chlorure de polyaluminium permet de réduire la teneur en aluminium résiduel. Par conséquent, pour le traitement de l'eau potable, le chitosane présente des avantages que les autres floculants polymères organiques synthétiques ne peuvent égaler.

Application du chitosane dans le traitement des eaux usées

(1) Éliminer les ions métalliques. La chaîne moléculaire dechitosaneLe chitosane et ses dérivés contiennent de nombreux groupes amino et hydroxyle, ce qui leur confère un effet chélateur sur de nombreux ions métalliques et leur permet d'adsorber ou de capturer efficacement les ions de métaux lourds en solution. Les études de Catherine A. Eiden et al. ont montré que la capacité d'adsorption du chitosane pour les ions Pb²⁺ et Cr³⁺ (exprimée en unités de chitosane) atteint respectivement 0,2 mmol/g et 0,25 mmol/g, témoignant d'une forte capacité d'adsorption. Zhang Ting'an et al. ont utilisé du chitosane désacétylé pour éliminer le cuivre par floculation. Les résultats ont montré qu'à un pH de 8,0 et pour une concentration massique d'ions cuivre dans l'échantillon d'eau inférieure à 100 mg/L, le taux d'élimination du cuivre était supérieur à 99 %. À une concentration massique de 400 mg/L, la concentration massique d'ions cuivre dans le liquide résiduel restait conforme aux normes nationales de rejet des eaux usées. Une autre expérience a prouvé que lorsque le pH était de 5,0 et que le temps d'adsorption était de 2 h, le taux d'élimination du chitosane en Ni2+ dans le liquide résiduaire de nickelage chimique par adsorption pouvait atteindre 72,25 %.

(2) Traiter les eaux usées à forte teneur en protéines, telles que les eaux usées de l'industrie agroalimentaire. Lors de la transformation des aliments, des eaux usées contenant une grande quantité de matières en suspension sont rejetées. La molécule de chitosane contient des groupes amide, amine et hydroxyle. La protonation du groupe amine lui confère un rôle de polyélectrolyte cationique, ce qui lui permet non seulement de chélater les métaux lourds, mais aussi de floculer et d'adsorber efficacement les fines particules chargées négativement présentes dans l'eau. La chitine et le chitosane peuvent former des complexes par liaisons hydrogène avec les protéines, les acides aminés, les acides gras, etc. Fang Zhimin et al. ont utiliséchitosaneLe sulfate d'aluminium, le sulfate ferrique et le phtalamide de polypropylène sont utilisés comme floculants pour récupérer les protéines des eaux usées issues de la transformation des produits de la mer. On obtient ainsi un taux de récupération protéique élevé et une bonne transmittance lumineuse de l'effluent. Le chitosane, non toxique et sans impact sur la pollution secondaire, permet de recycler des substances utiles comme les protéines et l'amidon présents dans les eaux usées des usines agroalimentaires, en vue de leur transformation et de leur réutilisation, par exemple dans l'alimentation animale.

(3) Traitement des eaux usées d'impression et de teinture. Les eaux usées d'impression et de teinture désignent les eaux usées rejetées lors des étapes de prétraitement, de teinture, d'impression et de finition du coton, de la laine, des fibres chimiques et autres produits textiles. Elles contiennent généralement des sels, des tensioactifs organiques et des colorants, etc., et présentent une composition complexe, une forte saturation et une DCO élevée. Leur caractère oxydant et anti-biodégradant les rend extrêmement nocives pour la santé humaine et l'environnement. Le chitosane, riche en groupes amino et hydroxyle, possède un fort pouvoir d'adsorption des colorants, notamment par adsorption physique, chimique et par échange d'ions, principalement via des liaisons hydrogène, des interactions électrostatiques, des forces de van der Waals et des interactions hydrophobes. De plus, sa structure moléculaire, contenant de nombreux groupes amino primaires, forme, par liaisons de coordination, un excellent agent chélateur polymère capable d'agglutiner les colorants présents dans les eaux usées. Non toxique, il ne génère pas de pollution secondaire.

(4) Application à la déshydratation des boues. Actuellement, la grande majorité des stations d'épuration urbaines utilisent du polyacrylamide cationique pour le traitement des boues. L'expérience a démontré que cet agent possède un bon pouvoir floculant et permet une déshydratation aisée des boues, mais ses résidus, notamment le monomère d'acrylamide, sont fortement cancérigènes. Par conséquent, la recherche d'un substitut est essentielle. Le chitosane est un excellent conditionneur de boues, favorisant la formation de micelles bactériennes à partir des boues activées. Ces micelles agglomérent les matières en suspension et organiques chargées négativement dans la solution, améliorant ainsi l'efficacité du traitement par boues activées. Des études ont montré que le floculant composite chlorure de polyaluminium/chitosane présente non seulement un effet significatif sur le conditionnement des boues, mais qu'en plus, comparé à l'utilisation d'un seul PAC ou de chitosane, il permet d'atteindre un faible niveau de résistance spécifique des boues et d'obtenir une vitesse de filtration plus élevée. Il s'agit donc d'un conditionneur plus performant et plus rapide. De plus, trois types de carboxyméthyl chitosane (N-carboxyméthyl chitosane, N,O-carboxyméthyl chitosane et O-carboxyméthyl chitosane) sont utilisés comme floculant. Leur efficacité de déshydratation des boues a été testée et il a été constaté que les flocs formés étaient résistants et difficiles à briser, ce qui indique que l'effet du floculant sur la déshydratation des boues était nettement supérieur à celui des floculants ordinaires.

ChitosaneLe chitosane et ses dérivés sont riches en ressources naturelles, non toxiques, biodégradables et possèdent de multiples propriétés. Ce sont des agents de traitement de l'eau écologiques. Sa matière première, la chitine, est le deuxième composé organique naturel le plus abondant sur Terre. C'est pourquoi, ces dernières années, le développement du chitosane dans le traitement de l'eau a connu une croissance remarquable. Polymère naturel valorisant les déchets, le chitosane a d'abord trouvé des applications dans de nombreux domaines, mais les performances et les applications des produits nationaux restent inférieures à celles des pays développés. L'approfondissement des recherches sur le chitosane et ses dérivés, notamment le chitosane modifié aux excellentes propriétés de synthèse, accroît leur potentiel d'application. Explorer les technologies d'application du chitosane dans le traitement de l'eau et développer des produits dérivés du chitosane respectueux de l'environnement et aux applications plus variées offrira un potentiel de marché et des perspectives d'application considérables.

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