Synergistic Coagulation-Adsorption of Methyl Orange Dye Using DCD-F Resin and PAC-AC-CP Composite: Mechanisms and Techno-Economic Performance
Cette étude démontre qu'un système intégré de coagulation-adsorption utilisant la résine DCD-F et un composite PAC-AC-CP atteint une élimination de 99 % du colorant méthyl orange grâce à des mécanismes synergiques de neutralisation de charge, d'adsorption et de floculation, tout en maintenant une faisabilité économique avec un coût de traitement de 0,5429 USD/m³.
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Chaque année, les usines du monde entier déversent plus de 360 milliards de mètres cubes d'eaux usées dans l'environnement, un volume qui menace la santé des rivières et des océans. Parmi les polluants les plus tenaces de ce mélange figurent les colorants synthétiques utilisés par l'industrie textile. Ces produits chimiques colorés, souvent conçus pour résister à la décoloration sur le tissu, sont tout aussi résistants à la décomposition dans l'eau. Lorsqu'ils sont rejetés sans traitement, ils bloquent la lumière du soleil pour atteindre les plantes aquatiques, perturbent les écosystèmes et peuvent transporter des sous-produits toxiques nuisibles à la santé humaine. En Malaisie, où l'industrie textile est un moteur économique majeur, le défi est aigu ; les eaux usées de ces usines transportent souvent une couleur profonde et persistante qui dépasse largement les limites légales pour un rejet sûr. Les méthodes traditionnelles pour nettoyer cette eau, telles que le traitement biologique ou la filtration par membrane, peuvent être lentes, coûteuses ou sujettes au colmatage, laissant les ingénieurs en quête d'une solution plus efficace.
Une équipe de chercheurs de Malaisie et du Japon a développé une nouvelle approche qui combine deux actions de nettoyage distinctes en un seul processus rationalisé. Au lieu de compter sur un seul produit chimique pour faire tout le travail, ils ont mélangé une résine spécifique avec un matériau composite composé de trois composants différents. Le premier composant, une résine dérivée de la dicyandiamide et du formaldéhyde, agit comme un aimant pour les molécules de colorant chargées négativement, neutralisant leur charge électrique et les faisant s'agglutiner. Le second composant est un mélange de polychlorure d'aluminium, de charbon actif et d'un polymère cationique. Ce mélange travaille de concert : le sel d'aluminium aide à former des amas plus gros, le carbone agit comme une éponge pour capturer les particules de colorant restantes, et le polymère aide à lier ces amas en masses lourdes et décantables. En testant cette combinaison en laboratoire, les chercheurs voulaient voir si cette synergie pouvait éliminer le colorant plus efficacement qu'en utilisant ces matériaux seuls.
Les chercheurs ont créé une version synthétique d'eaux usées textiles en laboratoire, mélangeant de l'eau avec de l'amidon, des sels et un colorant orange spécifique connu sous le nom de méthyl orange pour imiter les conditions rencontrées dans les usées réelles. Ils ont commencé par ajuster la quantité de résine et la vitesse à laquelle ils agitaient le mélange, cherchant le « point idéal » où le nettoyage fonctionnait le mieux. Ils ont constaté qu'ajouter 120 parties par million de résine et 250 parties par million du mélange composite, tout en agitant rapidement à 180 tours par minute, produisait les résultats les plus spectaculaires. Dans ces conditions, le système a éliminé 99 % du colorant. L'eau, qui présentait initialement une intensité de couleur profonde de plus de 1 600 unités, a été transformée en un liquide presque clair avec une valeur de couleur de seulement 9 unités. Ce résultat final était bien en dessous des limites strictes fixées par les réglementations malaisiennes pour les rejets industriels, prouvant que l'eau était sûre pour être rejetée dans l'environnement.
Pour comprendre comment cela s'est produit, l'équipe a examiné de près les changements physiques se produisant dans l'eau. Ils ont observé que le traitement créait de gros amas, rugueux et poreux, ou flocs, suffisamment lourds pour couler rapidement. Ces amas n'étaient pas des sphères lisses mais des agrégats irréguliers qui emprisonnaient le colorant à l'intérieur de leur structure. L'analyse chimique a révélé que les agents de traitement interagissaient directement avec les molécules de colorant, formant des liaisons qui les maintenaient en place. Avant le traitement, les minuscules particules dans l'eau portaient une charge électrique négative, ce qui les faisait se repousser et flotter librement. Après le traitement, cette charge est passée à un état légèrement positif, confirmant que la résine et le sel d'aluminium avaient réussi à neutraliser la répulsion, permettant aux particules de entrer en collision et de s'agglutiner. La vitesse de ce processus de retrait correspondait à un modèle mathématique spécifique connu sous le nom de modèle de pseudo-second ordre, suggérant que le taux de nettoyage dépendait fortement de l'interaction entre le colorant et les agents de traitement, plutôt que du simple passage du temps.
Au-delà des résultats de laboratoire, les chercheurs ont calculé si cette méthode pourrait fonctionner à l'échelle industrielle. Ils ont modélisé une installation capable de traiter 1 000 mètres cubes d'eau chaque jour, en tenant compte du coût des produits chimiques, de l'électricité nécessaire pour mélanger l'eau, de la main-d'œuvre pour gérer l'usine et de la maintenance de l'équipement. Leur analyse a estimé que le coût total pour traiter un mètre cube d'eaux usées serait d'environ 0,54 dollar américain. Ce chiffre est nettement inférieur aux coûts associés aux systèmes de filtration par membrane plus complexes ou à d'autres technologies de traitement avancées actuellement utilisées. L'étude suggère qu'en combinant la neutralisation de la charge, l'adsorption et le piégeage physique des particules, ce système intégré offre une voie pratique et abordable pour nettoyer les eaux usées textiles, à condition qu'il soit validé dans un cadre de flux continu en conditions réelles avant une mise en œuvre à pleine échelle.
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