Par : Kate
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Date : 13 novembre 2024
Les activités industrielles et domestiques consomment de grandes quantités de ressources en eau et génèrent d’importantes eaux usées, entraînant des problèmes de pénurie d’eau et de baisse de la qualité de l’eau dans de nombreux pays. Par conséquent, parvenir à un traitement et à un recyclage sans pollution des eaux usées est un problème urgent auquel il faut s’attaquer. La méthode de coagulation et de sédimentation est simple à utiliser et rentable, largement appliquée dans le traitement des eaux usées industrielles. Les coagulants couramment utilisés peuvent être classés en trois catégories principales : les coagulants inorganiques, les coagulants polymères organiques et les coagulants microbiens. Parmi ceux-ci, les coagulants inorganiques peu coûteux sont actuellement les plus largement utilisés, tandis que les coagulants organiques présentent les meilleurs effets thérapeutiques. Les coagulants microbiens sont encore en phase de recherche en laboratoire. Le développement de nouveaux coagulants composites efficaces, sûrs et économiques constitue la principale tendance pour l’avenir du développement des coagulants.
Classification des coagulants
Le mécanisme de coagulation le plus largement accepté implique deux processus : la coagulation et la floculation. Le processus de coagulation fait référence à la déstabilisation des particules colloïdales et à la formation de petits agrégats ; le processus de floculation implique que ces petits agrégats se lient sous l’influence du coagulant pour former des flocs plus gros. Les principaux mécanismes des coagulants comprennent la compression de la double couche électrique, l'effet de pontage par adsorption et la floculation par balayage, qui déstabilisent les particules colloïdales dans l'eau, conduisant à leur agrégation et à leur décantation, obtenant ainsi l'effet de floculation. Les coagulants courants peuvent être classés en trois catégories principales : les coagulants inorganiques, les coagulants polymères organiques et les coagulants microbiens.
01 Coagulants inorganiques
Le principe d'action des coagulants inorganiques comprend la compression à double couche électrique et la neutralisation des charges. Les coagulants forment des contre-ions dans les eaux usées, qui compriment la double couche électrique, entraînant une diminution du potentiel zêta des colloïdes, provoquant la disparition de la couche d'hydratation en surface, déstabilisant les colloïdes. Par la suite, les particules colloïdales chargées s’agrègent via des interactions intermoléculaires et des forces électrostatiques pour former de gros flocs denses.
Les coagulants inorganiques peuvent être classés en fonction de différents critères : par composition anionique, ils peuvent être divisés en à base de sulfate et à base de chlorure ; par poids moléculaire, ils peuvent être classés en poids moléculaire élevé et faible ; et selon le type de sels métalliques, ils peuvent être classés en sels de fer (tels que le chlorure ferrique, le sulfate ferreux et le sulfate ferrique) et en sels d'aluminium (tels que le sulfate d'aluminium, le sulfate d'aluminium et de potassium et l'aluminate de sodium).
Les flocs formés par les sels de fer sont gros et denses, nécessitent moins de dosage et fonctionnent bien à basse température avec une large plage de pH appropriée (entre 5,0 et 11). Cependant, les sels de fer peuvent être corrosifs pour les équipements, ce qui nécessite une surveillance étroite de l'état des équipements et des canalisations pendant leur utilisation. Les sels d'aluminium ont des temps de sédimentation plus courts et une couleur plus faible après traitement, mais leur efficacité dépend fortement du pH. De plus, des niveaux résiduels élevés d'Al³⁺ dans l'eau peuvent entraîner une pollution secondaire, susceptible de provoquer la maladie d'Alzheimer et l'anémie lorsqu'ils pénètrent dans le corps humain. Des précautions particulières doivent donc être prises pour éviter une pollution secondaire.
Ces coagulants de faible poids moléculaire sont peu coûteux et largement disponibles, mais présentent des problèmes tels qu'une utilisation élevée, une production importante de boues et une faible efficacité. Par conséquent, il y a un passage progressif des coagulants inorganiques de faible poids moléculaire aux coagulants inorganiques de haut poids moléculaire. Actuellement, les coagulants inorganiques de haut poids moléculaire couramment utilisés comprennent les coagulants polymères d'aluminium, les coagulants polymères de fer, les coagulants de silice réactive et les coagulants composites. Leur action repose principalement sur l’effet de pontage, présentant des avantages tels qu’une moindre sensibilité au pH et à la température, des effets d’adsorption stables, un dosage plus faible et moins de couleur résiduelle. Ces dernières années, l'échelle de production de coagulants inorganiques de haut poids moléculaire a progressivement augmenté, représentant 80 % de la production totale de coagulants, montrant notamment des effets significatifs dans le traitement des eaux usées à haute turbidité.
02 Coagulants polymères organiques
Les principes d’action des coagulants organiques comprennent principalement :
(1)adsorption de particules colloïdales par liaison hydrogène, interactions électrostatiques et forces de Van der Waals ;
(2) les segments de chaîne polymère facilitent la sédimentation des particules grâce à un mécanisme d'adsorption de pont. Par rapport aux coagulants inorganiques, les coagulants polymères organiques présentent des avantages tels qu'une meilleure efficacité de traitement, un temps de floculation plus court, une adaptation aux basses températures, une large plage de pH et une production moindre de boues.
Les coagulants polymères organiques peuvent être divisés en deux catégories : les coagulants polymères naturels modifiés et les coagulants polymères synthétiques. Les coagulants polymères synthétiques ont des poids moléculaires contrôlables et relativement élevés, et ils peuvent introduire un plus grand nombre de groupes fonctionnels dans les segments de chaîne, offrant ainsi d'excellents effets de floculation. Actuellement, le coagulant polymère synthétique le plus représentatif sur le marché chinois est le polyacrylamide (PAM) et ses dérivés, qui représentent 80 % du marché total.
Contrairement aux polymères synthétiques, qui ont des coûts de production élevés et une toxicité environnementale, les coagulants polymères naturels modifiés présentent des avantages tels qu'une large disponibilité, des coûts inférieurs, une sécurité, une non-toxicité et des caractéristiques moléculaires personnalisables. Les coagulants polymères naturels modifiés comprennent principalement des dérivés d'amidon, du chitosane, de la cellulose, de la gomme de guar et d'autres gommes, protéines et algues d'origine végétale, qui peuvent tous provenir de plantes et d'animaux.
Par exemple, les molécules d'amidon modifiées peuvent obtenir d'excellents effets de floculation ; L'amidon éthérifié cationique et ses dérivés peuvent floculer efficacement les particules chargées négativement, tandis que les structures d'amidon ramifié ont de forts effets de floculation sur les ions de métaux lourds tels que le cuivre, le mercure et le plomb. Les copolymères greffés d'amidon copolymérisés avec d'autres monomères peuvent également éliminer efficacement les ions de métaux lourds. La modification du chitosane peut être obtenue grâce à des méthodes telles que le greffage, l'estérification, la réticulation et l'alkylation. Différents types de coagulants polymères naturels peuvent obtenir une gamme de propriétés souhaitées grâce à une modification chimique et à une modification pour répondre aux besoins de la production pratique et de la vie quotidienne.
03 Floculants microbiens
Les floculants microbiens sont des produits de haut poids moléculaire et de la biomasse générés par la croissance et le métabolisme de micro-organismes cultivés spécifiques à un certain stade. Ils peuvent provoquer l’agrégation et la sédimentation de particules solides en suspension dans les eaux usées, atteignant ainsi l’objectif de purification des plans d’eau. Les floculants microbiens proviennent d'un large éventail de sources et sont rentables ; ils sont généralement composés de polysaccharides, de protéines, de chaînes d'ADN, de glycoprotéines et de polyaminoacides. Ils peuvent se dégrader naturellement sans provoquer de pollution secondaire.
Il existe de nombreux micro-organismes capables de produire des floculants, qui peuvent être facilement industrialisés grâce à la conception de filières. Cependant, la recherche sur les floculants microbiens en Chine est encore limitée et les études actuelles se situent pour la plupart au niveau des laboratoires, loin d’aboutir à une production industrielle.
Perspectives de développement des floculants
Les floculants ont un large éventail d'applications dans le traitement des eaux usées, éliminant efficacement diverses impuretés en suspension ou solubles, ions métalliques, bactéries, virus et autres polluants. Ils contribuent à la désoxygénation, à la décoloration et à l’élimination du phosphore, ce qui permet un traitement des eaux usées non polluant et économe en ressources. Avec les progrès continus de la recherche, les types de floculants utilisés dans le traitement des eaux usées en Chine sont passés des floculants inorganiques de faible poids moléculaire aux floculants organiques de haut poids moléculaire et des types simples aux types composites, dans un souci d'efficacité, de rentabilité et de respect de l'environnement.
Comparés aux floculants inorganiques et aux floculants synthétiques de haut poids moléculaire largement utilisés, les floculants naturels de haut poids moléculaire présentent des avantages distincts tels qu'une large disponibilité, un faible coût, une sécurité, une non-toxicité et un respect de l'environnement. Les eaux usées industrielles sont souvent volumineuses, de composition complexe et constituées de dispersions stables ; ainsi, un seul floculant peut ne pas éliminer efficacement tous les composants.
Récemment, il y a eu une tendance à utiliser des floculants composites inorganiques-organiques et inorganiques-microbiens, tirant parti des effets synergiques des floculants inorganiques-organiques. Premièrement, les floculants inorganiques neutralisent les charges et agrègent les impuretés en grands amas moléculaires, suivis par les floculants organiques de haut poids moléculaire capturant ces amas grâce à une action de pontage pour une sédimentation efficace. L'utilisation de floculants inorganiques peut réduire la quantité de floculants organiques nécessaire, obtenant ainsi des résultats optimaux à moindre coût. Cependant, des formulations et des dosages spécifiques doivent être testés en permanence en fonction des types d'eaux usées.
Actuellement, les floculants composites chlorure de polyaluminium-polyacrylamide sont couramment utilisés et montrent une bonne efficacité ; cependant, ils présentent certains risques environnementaux. Les recherches futures pourraient se concentrer sur la combinaison de floculants inorganiques de silice polymère avec des floculants organiques naturels de haut poids moléculaire pour améliorer le respect de l'environnement. Si la production industrielle de floculants microbiens peut être réalisée, les systèmes de floculants composites inorganiques-microbiens devraient également donner d’excellents résultats de traitement.
La détérioration de la qualité de l’eau due aux activités de production humaine a fait du traitement des eaux usées non polluant et économe en ressources une question urgente. L'utilisation de méthodes et d'agents de floculation appropriés peut permettre d'obtenir d'excellents résultats de traitement à faible coût. Actuellement, les floculants sont passés d'un poids moléculaire faible à un poids moléculaire élevé et d'un type unique à un type composite, éliminant efficacement les impuretés en suspension et dissoutes, les métaux lourds et les couleurs des eaux usées.