[PDF] CONCEPTION ET REALISATION DUNE CELLULE D

View - Download CONCEPTION ET REALISATION DUNE CELLULE D

Previous PDF

Next PDF

UNIVERSITE D'ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

DEPARTEMENT MINES

Mémoire de fin d"étude en vue de l"obtention du Diplôme d"Ingénieur des Mines

Présenté et soutenu par :

RAMELINA Andrianahasina Miharifeno

Directeur de mémoire : Monsieur FABIEN Rémi Roger

Date de soutenance : 27 Juillet 2011

Promotion 2010

CONCEPTION ET REALISATION

D'UNE CELLULE

D'ELECTROCOAGULATION POUR

LE TRAITEMENT DES EAUX

UNIVERSITE D'ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

DEPARTEMENT MINES

Mémoire de fin d"étude en vue de l"obtention du Diplôme d"Ingénieur des Mines

Présenté et soutenu par :

RAMELINA Andrianahasina Miharifeno

Président du Jury :

Madame ARISOA Rivah Kathy Maître de Conférences

Directeur de mémoire :

Monsieur FABIEN Rémi Roger. Enseignant Chercheur à l'ESPA Examinateurs : Monsieur RANDRIANJA Roger

Professeur Titulaire

Monsieur RALAIMARO Joseph

Enseignant Chercheur à l'ESPA

Madame RATRIMO Voahangy

Enseignant Chercheur à l'ESPA

CONCEPTION ET REALISATION

D'UNE CELLULE

D'ELECTROCOAGULATION POUR

LE TRAITEMENT DES EAUX

Je rends grâce à Dieu Tout Puissant et Jésus Christ notre Seigneur, pour ses biens faits, sa

grande miséricorde, sa bonté, son soutien et sa protection dont j'ai été l'objet durant mes

études et jusqu'à aujourd'hui.

J'adresse aussi mes humbles remerciements et mes sincères reconnaissances envers les personnes suivantes : Le Directeur de l'Ecole Supérieure Polytechnique d'Antananarivo, Monsieur

ANDRIANARY Philippe ;

Le Chef de Département MINES à l'ESPA et Président du jury, Madame ARISOA

Rivah Kathy ;

Mon Directeur de mémoire, Monsieur FABIEN Rémi Roger, Enseignant chercheur à l'ESPA, qui a bien voulu ménager de son temps pour m'encadrer et superviser ce travail ;

Aux examinateurs :

Monsieur RANDRIANJA Roger, Professeur Titulaire au département MINES de l'ESPA ; Monsieur RALAIMARO Joseph, Enseignant Chercheur à l'ESPA ; Madame RATRIMO Voahangy, Enseignant Chercheur à l'ESPA. pour avoir consacré du temps aux remarques et à la correction de cet ouvrage malgré les lourdes et nombreuses tâches qu'ils doivent assumer ; Je ne peux oublier d'adresser mes vifs remerciements à : La Société JIRAMA Mandroseza Antananarivo. En particulier, Madame RABETOKOTANY Chef de Département Qualité Eau, qui a bien voulu m'accepter en tant que stagiaire au sein du Laboratoire d'Analyse Contrôle Qualité Physico- chimique de l'eau et à tout le personnel du laboratoire pour leur accueil et leur conseil technique. Je ne serais oublié d'adresser ma plus profonde reconnaissance et gratitude envers mes parents, mes frères, ma soeur et toute la famille qui m'ont soutenu, spirituellement,

moralement, matériellement et financièrement tout au long de mes études jusqu'à la

réalisation de cet ouvrage. J'exprime aussi mes remerciements à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de ce mémoire.

Merci, Dieu vous bénisse.

Liste des figures

Liste des tableaux

Liste des annexes

Liste des abréviations et symboles

INTRODUCTION GENERALE

PARTIE 1 : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

Chapitre I : Généralités sur l'eau et ses traitements Chapitre II : La coagulation et la floculation des eaux brutes et des eaux usées Chapitre III : Le procédé d'électrocoagulation (EC) PARTIE 2 : MATERIELS ET METHODES POUR LA MISE AU POINT DU PILOTE DE

TRAITEMENT

Chapitre IV : L'électrocoagulation : Pilote et mode opératoire Chapitre V : Traitement de l'eau brute de surface du Lac Mandroseza

Chapitre VI : Description des moyens analytiques

PARTIE 3 : ESSAIS ET INTERPRETATIONS DES RESULTATS Chapitre VII : Les essais et les résultats d'analyses Chapitre VIII : Interprétations des résultats

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVE

Annexes

Références bibliographiques

Références webographiques

Table des matières

Figure 1: Etapes générales du traitement des effluents ......................................................... 6

Figure 2: Processus du traitement primaire ............................................................................ 7

Figure 3: Structure et composition de la double couche sur une particule colloïdale.[1] ......... 9

Figure 4: Schéma du mécanisme de floculation [2] .............................................................. 11

Figure 5: Diagramme de coagulation au sulfate d'aluminium [1] .......................................... 12

Figure 6: Mécanismes et produits dérivés du sulfate d'aluminium lors de la coagulation [1] . 12

Figure 7: Diagramme de coagulation au chlorure ferrique [3] ............................................... 13

Figure 8: Schéma du principe d'électrocoagulation avec des électrodes en Aluminium [1] .. 15

Figure 9: Différentes types de connexions entre les électrodes [1][2] ................................... 18

Figure 10: Décomposition de la tension de cellule électrochimique [1][2] ............................. 22

Figure 11: Les différentes étapes d'une réaction électrochimique [1][2] ............................... 23

Figure 12: Formes d'aluminium pouvant exister lors de la dissolution d'une anode [1] ......... 24 Figure 13: Diagrammes de prédominance des espèces d'aluminium et effet du pH [1] ........ 25 Figure 14: Diagramme de Pourbaix du système Al - H

2O à 25°C [3] .................................... 26

Figure 15: Distribution des espèces d'aluminium et effet de pH en solution d'aluminium et de

matière organique [3] ........................................................................................................... 27

Figure 16 : Photo de la pompe centrifuge à palette (source : Auteur) ................................... 28

Figure 17 : Schéma électrique de l'alimentation 12 V de la pompe centrifuge ...................... 29

Figure 18 : Schéma électrique de l'alimentation 32 V du réacteur d'électrocoagulation ....... 29

Figure 19 : Photo du générateur de courant continu délivrant 12 et 32 V (source :Auteur) ... 29

Figure 20: Dispositif expérimental de traitement à l'EC (cycle fermé). .................................. 30

Figure 21: Photo des composants annexes au réacteur (source : Auteur) ........................... 30

Figure 22: Schéma du réacteur d'électrocoagulation ........................................................... 31

Figure 23: Photo du corps du réacteur d'électrocoagulation (source : Auteur) ..................... 32

Figure 24: Mode opératoire mis en place pour l'étude du procédé d'électrocoagulation ....... 34

Figure 25 : Courbe d'autorégulation du pH du milieu en fonction du temps de traitement [1] 37 Figure 26 : Courbe de la dissolution de l'aluminium dans l'eau à traiter en fonction du temps

d'électrolyse ......................................................................................................................... 39

Figure 27 : Courbe d'évolution de la turbidité de l'eau en fonction du temps de traitement ... 56

Figure 28 : Courbe de la variation de la conductivité de l'eau pendant le traitement par EC. 57 Figure 29 : Courbe de variation de la minéralisation totale de l'eau pendant le traitement par

EC ....................................................................................................................................... 57

Figure 30 : Courbe de l'évolution du pH en fonction du temps de traitement ........................ 58

Figure 31 : Courbe du dosage de chlorure Cl

- en fonction du temps de traitement............... 59

Figure 32 : Courbe du dosage de la dureté calcique TH Ca de l'eau .................................... 59

Figure 33 : Courbe du dosage de la dureté totale TH de l'eau ............................................. 60

Figure 34 : Courbe de l'élimination de matières organiques présentes dans l'eau................ 61

Figure 35 : Courbe de l'évolution du titre alcalimétrique complet de l'eau pendant le

traitement ............................................................................................................................. 61

Figure 36 : Courbe du dosage de l'ammonium NH

4+ dans l'eau ........................................... 62

Figure 37 : Courbe du dosage des nitrites NO

2- dans l'eau en fonction du temps de traitement

............................................................................................................................................ 63

Figure 38 : Courbe du dosage des nitrates NO

3- présents dans l'eau en fonction du temps de

traitement ............................................................................................................................. 63

Figure 39 : Courbe du dosage de l'évolution de l'aluminium Al

3+ dans l'eau en fonction du

temps ................................................................................................................................... 64

Figure 40 : Courbe du dosage du fer total Fe

2+, Fe3+ présent dans l'eau .............................. 65

Tableau 1 : Historique des applications du procédé d'électrocoagulation. [1] ....................... 14

Tableau 2 : Coût des matériels utilisés pour la fabrication du pilote de traitement ................ 32

Tableau 3 : Relation entre conductivité et minéralisation [5][7] ............................................. 36

Tableau 4 : Paramètres expérimentaux au sein du réacteur d'EC ........................................ 38

Tableau 5 : Caractéristiques organoleptiques et physico-chimiques de l'eau brute du Lac

Mandroseza ......................................................................................................................... 49

Tableau 6 : Caractéristiques organoleptiques et physico-chimiques de l'EB du Lac

Mandroseza avec ajout de 0.25g/l de NaCl .......................................................................... 50

Tableau 7 : Résultats des analyses physico-chimiques des échantillons d'eau traitée (sans

ajout de NaCl) ...................................................................................................................... 51

Tableau 8 : Premier résultats et évolutions des différents paramètres de l'EB et de l'ET avec

ajout de NaCl (0.25g/l) ......................................................................................................... 52

Tableau 9 : Deuxième résultats et évolutions des différents paramètres de l'EB et de l'ET

avec ajout de NaCl (0.25g/l) ................................................................................................. 54

Tableau 10 : Classification de la pureté de l'eau selon sa teneur en MO par l'OMS ............. 60

Tableau 11 : DCO des deux échantillons d'eau traitée à t = 20 min et t = 25 min ................. 66

Tableau 12 : Avantages et inconvénients de l'électrocoagulation par rapport à la coagulation

floculation chimique classique .............................................................................................. 67

Annexe I : Normes de potabilité usuelle........................................................................I

Annexe II : Bulletin d'analyse physico-chimique de la JIRAMA Mandroseza........................V

Annexe III : Essais de floculation chimique de la JIRAMA.............................................VI

Annexe IV : Les dosages........................................................................................IX

°f Degré français

A Surface géométrique d'une face d'électrode (cm 2) C Concentration en métal dissous ou débit massique de métal dissous (mg/l) C° Concentration réelle des éléments mesurés (mg/l) d espace inter polaire ou distance entre les électrodes

DCO Demande Chimique en Oxygène

DQE Département Qualité Eau de la JIRAMA

Ea Potentiel d'équilibre à l'anode

EB Eau brute

EC Electrocoagulation

Ec Potentiel d'équilibre à la cathode

ED Eau distillée

EDTA Acide Ethylène Diamine Tétra acétique EESC Energie Electrique Spécifique Consommée

ET Eau traitée

F Constante de Faraday (C/mole)

F c Rapport entre DCO théorique et DCO essais

I Intensité de courant (A)

I consommée Intensité de courant réellement consommée(A) I théorique Intensité de courant théorique appliquée(A)

IR Chute ohmique dans la masse de la solution

JIRAMA Jiro sy Rano Malagasy

k Conductivité de l'électrolyte (µS/cm) L Lecture des concentrations sur le spectromètre à absorption atomique m Masse de métal dissous (g) M Masse molaire du métal de l'électrode considéré

MES Matières en suspension

MO Matières organiques

n Nombre d'électron mise en jeu pendant la réaction d'électrolyse

N Nombre d'Avogadro

NET Noir Eriochrome T

NTU Nephelometric Turbidity Unit

OMS Organisation Mondiale de la Santé

p Nombre d'électrodes

P Puissance du générateur de courant (W)

pH Potentiel d'hydrogène

Q Débit d'alimentation en eau de la cellule (m

3/h)

Qe débit en amont de la vanne de retenue

Q o Quantité d'électricité

RE Rendement énergétique

R s Résistance ohmique de l'électrolyse

RT Rendement des tensions

SCQPC Service Contrôle Qualité Physico Chimique de l'eau de la JIRAMA Mandroseza t Durée d'électrolyse (s)

TA Titre Alcalimétrique

TAC Titre Alcalimétrique Complet

TDS Taux de solides dissous (minéralisation totale) TH Titre Hydrotimétrique ou dureté totale de l'eau TH Ca Titre Hydrotimétrique Calcique ou dureté calcique de l'eau TH Mg Titre Hydrotimétrique magnésien ou dureté magnésien de l'eau U tension aux bornes des électrodes de la cellule d'électrolyse (V)

γp Nombre de mole d'espèce réductrice

∆m Bilan matériel de la réaction d'électrolyse ∆t Période de traitement (min)

ηAa Surtension d'activation à l'anode (V)

ηAc Surtension d'activation à la cathode (V)

ηDa Surtension de diffusion à l'anode (V)

ηDc Surtension de diffusion à la cathode (V) Φc Rendement en courant ou rendement faradique de la réaction d'électrolyse

ΦE Rendement d'électrolyse

Beaucoup d'entreprises spécialisées dans les secteurs miniers et hydrocarbures se précipitent à

Madagascar en vue de la diversité et la potentialité de ses ressources minérales. Ces entreprises

sont réputées être des grosses consommatrices d'eau pour l'extraction et le traitement des

minerais.

Cette pression exercée au niveau des ressources en eau est à l'origine de la contamination et/ou

de la pollution éventuelle de l'eau du fait des déchets rejetés dans les cours d'eau sans traitement

préalable. La surexploitation des ressources en eau risque également de tarir les réserves d'eaux

aussi bien superficielles que souterraines.

A cet effet, l'utilisation de l'eau, entre autre l'exploitation et le déversement dans le milieu naturel,

nécessite une gestion et un traitement appropriée de façon à préserver aussi bien le plan qualitatif

que quantitatif.

C'est dans ce contexte qu'il est venu l'idée de comment traiter l'eau de manière simple, rentable,

économique par rapport aux autres procédés de traitement classique les plus utilisés et surtout

dans le respect de l'environnement. L'idée est de concevoir un pilote de traitement plutôt

révolutionnaire basé sur l'utilisation de l'énergie électrique pour traiter l'eau. D'où le thème de cet

ouvrage : " Conception et réalisation d'une cellule d'électrocoagulation pour le traitement des eaux ». Pour faire une meilleure approche du sujet il est paru fondamental après conception du dit pilote

de traitement de faire des analyses et des contrôles de la qualité physico-chimique de l'eau traitée.

Ces analyses et contrôles ont été réalisés au Laboratoire d'Analyse et Contrôle Qualité de l'eau de

la JIRAMA Mandroseza Antananarivo.

La performance et l'efficacité du procédé par les résultats d'analyse physico-chimique ont été

comparées avec les résultats de traitement classique utilisé par la JIRAMA pour alimenter la

capitale en eau potable. De ce fait, un essai de traitement de l'eau brute du Lac Mandroseza en eau potable entre dans l'objectif de ce travail.

Cet ouvrage se divise en trois grandes parties dont la première partie rassemble les différentes

études bibliographiques menées sur le procédé d'électrocoagulation, la deuxième concerne les

matériels et méthodes pour la mise au point du pilote de traitement et la dernière partie montre les

essais et interprétation des résultats des analyses menées en laboratoire.

L'eau est une substance indispensable à la pérennité de tous les êtres vivants : hommes, animaux

et plantes, tous ont besoin de leur ration quotidienne d'eau. Mais l'eau est également une

ressource essentielle au développement des sociétés humaines. Grâce à ses propriétés

exceptionnelles, l'eau est en effet nécessaire à toutes les activités humaines, ou quasiment.

I.1 L'eau [5][9]

La terre, planète bleue est constituée d'eau aux 3/4 de sa surface, mais cette quantité d'eau est

salée ou non potable à plus de 99 %. Ainsi l'eau douce des lacs, des ruisseaux, des rivières et des

fleuves représentent moins de 0.01 % des réserves en eau du globe.

L'eau est essentielle à la vie et au bien-être. C'est pourquoi, elle a besoin d'être protégée, traitée et

économisée. Ses ressources sont précieuses et rares, sa qualité délicate et son cycle naturel très

long.

Aujourd'hui, la qualité de l'eau et de l'environnement nous concernent tous. La qualité de l'eau est

donc prioritairement une exigence de santé. C'est la raison pour laquelle, il est nécessaire de la

traiter et de l'économiser.

I.2 La nécessité de traiter les eaux

Trois raisons bien distinctes incitent à traiter l'eau telle qu'on le rencontre dans le quotidien :

• Protéger l'environnement et l'écosystème aquatique ; • Economiser et maintenir nos ressources en eau potable ;

• Permettre de conserver une eau de qualité pour une potabilisation de l'eau à traiter plus

facile et moins coûteuse.

I.3 Qualités de l'eau [9]

I.3.1 Généralité

Dans cette généralité sur la qualité de l'eau, trois points importants vont être mise en exergue :

••• L'eau chimiquement pure exempte de tout organismes et minéraux n'existe pas dans la

nature.

••• La qualité de l'eau dépend de son usage. (exemple : l'eau distillée pour l'usage en

laboratoire et dans les industries pharmaceutiques) ••• Il faut aussi voir les qualités de l'origine de l'eau pour fixer : - Le traitement à appliquer et le coût de ce dernier ; - Les moyens pour maintenir des conditions de milieu convenable telles les zones de protection sanitaire autour des captages des eaux souterraines ou les normes de rejet protégeant les cours d'eau contre les pollutions.

I.3.2 Les normes

Sur le plan qualité, les besoins s'expriment soit subjectivement selon : • Sa destination (potable, industrielle, irrigation, pisciculture, ...) • Ses propriétés (froide/chaude, claire/trouble, douce/dure, saumâtre, gazeuse, ...) • Soit objectivement au moyen d'indicateurs numériques mesurables par analyse. Les normes de qualité de l'eau suivent 3 caractéristiques : • Paramètres organoleptiques (couleur, odeur, goût, aspect) ;

• Physico-chimique (turbidité, ph, conductivité, minéralisation, température, la dureté,

substances admissibles, substances indésirables et toxiques) ;

• Bactériologiques (indicateurs de contamination fécale et des bactéries ou des germes

pathogènes).

I.4 L'eau potable [5][6][11]

I.4.1 Définition

Une eau potable est une eau destinée à la consommation humaine, que l'on peut boire sans

risque pour la santé, et qui par traitement ou naturellement répond à des normes organoleptique,

physico-chimique, bactériologique et biologique fixées par un décret. Le fait qu'une eau soit

conforme aux normes, c'est-à-dire potable, ne signifie donc pas qu'elle soit exempte de manières

polluantes, mais que la concentration a été jugée suffisamment faible pour ne pas mettre en

danger la santé des consommateurs.

I.4.2 Caractéristiques

Comme on l'a déjà mentionné les normes de qualités de l'eau suivent 3 caractéristiques qui sont :

• Caractéristiques organoleptiques : l'eau potable doit être limpide, claire, aérée et

ne doit présenter ni saveur ni odeur désagréable. Précisions, qu'une eau qui ne satisfait pas

pleinement ces critères ne présente pas forcément de risque pour la santé. • Caractéristiques physico-chimiques : Ce sont les caractéristiques que l'eau acquiert tout au long de son parcours naturel. Ce sont des éléments naturels emmagasinés au

contact prolongé avec le sol. Les limites de concentration pour la potabilité sont fixées plus en

fonction des considérations de l'ordre de goût et de l'agrément qu'en fonction des critères

sanitaires.

Ces caractéristiques comprennent :

- La température qui est un paramètre de confort pour les usagers. Elle permet de corriger

les d'analyse dont les valeurs sont liées à l'origine de l'eau, pour l'eau destinée à la

consommation humaine la température doit être comprise entre 12 ° C et 25 ° C.quotesdbs_dbs24.pdfusesText_30

[PDF] principe de coagulation floculation

[PDF] adsorption de bleu de methylene sur largile

[PDF] adsorption des colorants sur les argiles

[PDF] traitement des eaux usées par coagulation floculation pdf

[PDF] elimination des métaux lourds par adsorption

[PDF] french vocabulary with pictures pdf

[PDF] phrasal verbs english french pdf

[PDF] basic french vocabulary list

[PDF] complete french grammar pdf

[PDF] american english vocabulary pdf

[PDF] english vocabulary list with french translation

[PDF] oxford english french dictionary pdf

[PDF] la formation des adverbes en ment

[PDF] les adverbes en ment pdf

[PDF] adverbes exercices