Enlèvement intensif des nitrates et de l’azote ammoniacal par methode électrochimique

Résumé

Les rejets d’effluents à fortes concentrations en polluants azotés (nitrate et azote ammoniacal) présentent une menace à l’équilibre du milieu aquatique récepteur (eutrophisation, asphyxie du milieu, et toxicité pour certaines espèces présentes). Plusieurs techniques de traitement des nitrates et de l’azote ammoniacal (biologiques, physicochimiques et électrochimiques) ont été développées afin de pallier aux problèmes environnementaux. Toutefois, la technique d’électrochimie montre un potentiel intéressant d’un point de vue énergétique, écologique et économique. L’objectif général de la présente thèse consiste à établir un traitement électrochimique de deux polluants azotés, l’azote ammoniacal et le nitrate. L’objectif est scindé en deux grands volets, le premier consiste à évaluer et à comparer l’efficacité de la réduction des nitrates dans un système fixe et dynamique avec ajout de réactifs promoteurs d’électroréduction et des aluminosilicates (électrocatalyseurs). Le deuxième volet consiste à l’électroconversion de l’azote ammoniacal dans une solution, puis fixé à la surface d’un solide (zéolite). La méthodologie expérimentale employée dans la présente thèse consiste à la réalisation d’essais électrochimiques visant l’enlèvement des deux principaux polluants azotés (NOଷି et NHସା). Les différents essais ont été réalisés grâce à un jeu d’électrodes relié à un générateur de courant exerçant un potentiel constant de 5 V, sur une durée variant de 120 à 180 minutes selon l’expérience, le régime, et le type de polluant à traiter. Concernant l’électroréduction des nitrates, les premiers essais ont eu lieu sans ajout d’additifs avec un potentiel de 5 V. Le meilleur abattement issu de ces expériences a atteint une valeur de près 47 % après une durée de 180 minutes. En deuxième lieu, des accélérateurs (sels et acides) ont été ajoutés à la solution dans le but d’améliorer la mobilité ionique de la solution et le rendement d’enlèvement des nitrates. Les résultats obtenus après l’ajout des accélérateurs (NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2 et HCl, CH3COOH, H3PO4) permettent de conclure que l’électroréduction des nitrates peut être améliorée en présence de sels de métaux alcalins, donnant des rendements allant jusqu'à 95 % après 30 à 60 min. L'électroréduction des nitrates en présence des aluminosilicates tels que la clinoptilolite, la kaolinite, la bentonite, l’illite et le mélange 1: 1 d’illite et de montmorillonite a révélé que les valeurs moyennes de la capacité d'échange cationique jouent un rôle clé en fournissant des cations Na+ et en conservant une quantité suffisante de NHସା pour inhiber la formation d'ammoniac. L'utilisation d'aluminosilicates de types différents a ainsi induit une amélioration du processus d'électroréduction. Cette utilisation a par ailleurs révélé le rôle déterminant de leur capacité d'échange cationique dans la capture des cations NHସା, favorisant alors le déplacement de l'équilibre chimique vers la formation d'ammoniac. La saturation antérieure en NHସା des aluminosilicates est devenue une exigence essentielle pour une activité catalytique élevée avec une amélioration possible de la sélectivité vis-à-vis de l'azote. En système dynamique fermé,l’électroréduction des nitrates par l’ajout des accélérateurs (sels monovalents et bivalents, acides, aluminosilicates) s’est avérée concluante. Cependant, cette efficacité varie selon la vitesse de la circulation de la solution à traiter. Les rendements obtenus lors des ajouts des aluminosilicates (argiles et zéolites) sont moins significatifs que ceux obtenus avec les sels; le gain d’efficacité obtenu fluctue ainsi de 1 à 16 % par rapport aux expériences témoins. Les différentes expériences réalisées dans le cadre de ce travail ont permis, d’une part, d’étudier l’influence de la vitesse de circulation sur la réduction électrochimique des nitrates et, d’autre part, d’optimiser ce rendement avec l’ajout des différents réactifs. L’électroconversion du NHସା catalysée par l'aluminosilicate (clinoptilolite) dans l'eau a été étudiée en utilisant des électrodes en cuivre-nickel. L’électroconversion a été effectuée en présence de différents accélérateurs (NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2 et HCl, CH3COOH, H3PO4). Les résultats ont montré le rôle bénéfique de l’ion chlorure Cl- et des milieux modérément acides. Le NHସା adsorbé sur la zéolite (clinoptilolite) a été converti en azote gazeux avec une sélectivité de 98 %. Le processus d’électroconversion des NHସା obéit à une cinétique d'ordre zéro en présence de clinoptilolite et à une cinétique du premier ordre lorsque le NaCl est ajouté. L’effet tampon de la zéolite et des acides ont apporté un effet tampon bénéfiques à la réaction électrochimique. Durant l’électroconversion du NHସା, la clinoptilolite agit à la fois comme catalyseur et réservoir de NHସା.

Date	1 oct. 2020
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Frédéric Monette (Directeur(-trice)) & Abdelkrim Azzouz (Codirecteur(-trice))