Application d'une nouvelle génération d'agents complexants dans l'élimination des ions de métaux lourds de différents déchets | Jiotower

Introduction

Les aminopolycarboxylates (APCA) sont utilisés depuis la fin des années 1940 comme agents complexants efficaces dans diverses branches de l’industrie. Par exemple, l’EDTA (acide éthylènediaminetétraacétique), le NTA (acide nitrilotriacétique) et le DTPA (acide diéthylène-triaminepentaacétique), entre autres, peuvent être utilisés dans le nettoyage industriel, les détergents ménagers et les cosmétiques, dans les industries des pâtes et papiers, nucléaires, photographiques, pharmaceutiques, textiles, du cuir et du caoutchouc.

Formant des complexes stables avec des ions métalliques, ils peuvent mobiliser des ions métalliques contaminants adsorbés dans les sédiments, solubiliser des ions métalliques radioactifs et augmenter leur mobilité environnementale, contribuer à l’eutrophisation de l’eau car ils contiennent de l’azote qui pourrait être disponible pour le microbiote aquatique et redissoudre les phosphates de calcium et de fer, libérant du phosphore et comme des complexes ligand–métal peuvent augmenter de manière significative la biodisponibilité de métaux lourds extrêmement dangereux, par exemple les complexes Cu (II)-EDTA et Cd (II)-EDTA sont plus toxiques que les complexes respectifs métaux libres. Un autre argument important en faveur de l’abandon des complexones traditionnels est le manque de biodégradabilité. Il a été rapporté que la biodégradabilité des agents complexants des groupes aminopolycarboxyliques dépend du caractère ainsi que du nombre de substituants et d’atomes d’azote dans la molécule. Ainsi, les dérivés substitués tétra- (EDTA) ou penta- (DTPA) avec deux atomes d’azote tertiaires ou plus et des groupes carboxyméthyle sont très stables et ne sont photodégradables que sous la forme de leurs complexes Fe(III).

Cependant, les nouveaux agents complexants introduits à la fin du XXe siècle constituent une alternative importante aux chélates peu biodégradables utilisés jusqu’à présent principalement dans des domaines tels que les détergents, les engrais modernes pour micro-éléments liquides et les produits agrochimiques. Dans ce groupe, il convient de citer les agents complexants suivants : IDS (N-(1,2-dicarboxyéthyl)-D, Acide L-aspartique (acide iminodisuccinique), DS (acide polyaspartique), EDDS (acide N, N’-éthylènediaminedisuccinique), GLDA (Acide N, N-bis (carboxylméthyl)-L-glutamique) et MGDA (acide méthylglycinediacétique). Tous ces éléments sont facilement biodégradables, bien que dans le cas des ID ou des EDD, la biodégradabilité dépend de manière significative de la forme isomère du composé (Knepper 2003; Nowack 2007).

En 1997/1998, l’acide iminodisuccinique (IDS) a été introduit par Bayer AG (maintenant Lanxess) sous le nom de Baypure CX 100 (Brochure de Baypure CX 100; Kołodyńska 2011). Sa production est basée sur la réaction de l’anhydride maléique avec l’ammoniac et l’hydroxyde de sodium. Le mélange isomère d’ID se compose de formes à 25%, 25% et 50% (Cokesa et al. 2004a; Vasilev et coll. 1996, 1998). Après 7 jours, il a été constaté que 80% des ID ont subi une biodégradation. IDS se caractérise également par d’excellentes propriétés de liaison au calcium, une stabilité sur une large plage de pH, une bonne complexation des ions de métaux lourds et un faible impact environnemental dû à une faible toxicité et à une bonne biodégradabilité (Cokesa et al. 2004a, b).

En 2005, la société polonaise ADOB, en coopération avec Bayer AG, a mis au point un procédé de production de chélates facilement biodégradables (marque IDHA) qui sont appliqués sous forme de sprays foliaires en agriculture et en horticulture, dans les applications du sol ainsi que dans la culture hydroponique et la fertigation (Brochure de ADOB 2012).

L’EDDS (acide N, N’-éthylènediaminédisuccinique) est un isomère structural de l’EDTA (Schowanek et al. 1997; Kołodyńska 2011). Les EDD existent sous la forme de quatre isomères : S, S- (25%), R, R- (25%) et S, R- (50%). L’isomère S, S des EDD produits par certaines bactéries et champignons (Nishikiori et al. 1984; Takahashi et coll. 1999) est facilement biodégradable, contrairement aux isomères R, R- et S, R- (Takahashi et al. 1997; Luo et coll. 2011). La biodégradation des complexes EDDS dépend fortement du type de métal et n’est pas liée à la constante de stabilité du complexe chélaté (Vandevivere et al. 2001a, b).

Depuis la fin des années 1990, de nombreuses études ont examiné la pertinence des EDD comme substitut de l’EDTA à de nombreuses fins, non seulement dans les détergents à lessive où ils sont utilisés à un faible niveau (< 1%), mais aussi dans les cosmétiques, les pâtes et papiers, les industries photographiques ainsi que dans la purification des sols contaminés et la phytoremédiation (Jones et Williams 2002; Brochure d’Enviomet ™ 2009; Wu et al. 2004).

Le GLDA (tétrasodium de l’acide N, N-bis (carboxyméthyl) glutamique) également connu sous le nom de Dissolvine GL-38 a été introduit à l’échelle commerciale par AkzoNobel Functional Chemicals (Kołodyńska 2011). Sa production est basée sur l’exhausteur de goût glutamate monosodique (MSG) issu de la fermentation de sucres de maïs facilement disponibles (Seetz 2007; Seetz et Stanitzek 2008). La GLDA se caractérise par une bonne solubilité sur une large plage de pH. Plus de 60% de la L-GLDA se dégrade en 28 jours. Il convient de mentionner que la Dissolvine GL-38 est constituée uniquement de la forme L car la forme D n’est pas biodégradable. En raison de sa stabilité thermique, le GLDA est utilisé dans les systèmes de traitement de l’eau des chaudières pour réduire l’effet de l’eau dure (Brochure de Dissolvine GL-38, 2007). Siegert (2008) a constaté que les agents complexants de nouvelle génération tels que GLDA, IDS ou EDDS peuvent renforcer l’effet des conservateurs tels que le phénoxyéthanol / éthylhexylglycérine (Euxyl PE 9010). GLDA a également d’autres utilisations potentielles dans la production d’engrais à base de micronutriments (Borowiec et Hoffmann, 2005; Borowiec et al. 2007). Les formules structurales des agents complexants ci-dessus ainsi que de certains agents traditionnels sont présentées à la Fig. 1.

The great progress observed in the field of complexing agents (Fig. 2) is the result, among others, of legislative changes. En septembre 2002, la Commission européenne a adopté une proposition de règlement pour les détergents et leurs ingrédients tels que l’EDTA, les tensioactifs non biodégradables, les alkylphénoléthoxylates (APEO) ou l’eau de Javel à base de chlore. Par conséquent, les propositions de substitution suivantes ont été faites: le polyacrylate devrait être remplacé par des polyaspartates (tels que le Bypure DS 100), le citrate par l’iminodisuccinate (Bypure CX 100) et le phosphonate par l’iminodisuccinate (Bypure CX 100; Environmental Risk Assessment of Complexing Agents 2001).

Pour éliminer les ions de métaux lourds, de nombreuses méthodes physiques et chimiques, y compris des méthodes courantes telles que la précipitation chimique, la coagulation, la filtration, l’échange d’ions, les processus membranaires et l’adsorption, peuvent être appliquées. Les méthodes d’adsorption basées sur des agents complexants associés à des échangeurs d’ions offrent de nouvelles perspectives d’élimination des ions de métaux lourds.

Pour comprendre l’élimination des ions métalliques, il est important de connaître les interactions ions métalliques–ligands. La complexation peut être considérée comme la réaction d’équilibre entre le ligand et les ions métalliques:

où M est l’ion métallique (accepteur de paires e), m est la charge de M, L est le ligand (donneur de paires e) et n est la charge du ligand.

Selon le principe de l’action de masse, les activités de M, L et ML sont les suivantes:

où KML est la constante d’équilibre (également désignée comme constante de stabilité). Dans le cas où le pH doit être pris en compte, la constante de stabilité conditionnelle Kcond peut être définie comme suit:

Kcond est la constante de stabilité conditionnelle, K est la constante de stabilité (égale à KML), aHL est le coefficient de protonation du ligand et aM est le coefficient de réactions secondaires en compétition avec le ligand pour les ions métalliques (formation d’hydroxydes métalliques, effets de tampons et formation d’espèces MLH ou MLOH).

Il convient de noter que la quantité de Ln libre augmente avec la valeur croissante du pH. Les étapes simples de protonation sont décrites par les constantes d’équilibre K1, K2,.. , Kn et aHL peuvent être définis comme:

alors que aM peut être exprimé comme:

où s est le facteur qui détermine si l’espèce n existe (s = 1) ou non (s = 0) et KI et KII sont les constantes d’équilibre pour la formation d’hydroxydes métalliques insolubles.

La constante de stabilité conditionnelle donne une relation entre les concentrations du complexe solvaté formé (ML), la concentration du métal n’ayant pas réagi (M) et la concentration de l’agent nettoyant n’ayant pas réagi (L). La figure 3 montre la comparaison des valeurs de constantes de stabilité conditionnelle de certains complexes de métaux avec l’EDTA et l’EDDS, l’IDS et le GLDA. Il a également été constaté que ces constantes passent pour tous les complexes métalliques par un maximum en fonction de la valeur du pH (Treichel et al. 2011).

Seuls quelques exemples d’application de l’échange d’ions pour l’élimination des ions de métaux lourds et/ou des ligands chélateurs et des échangeurs d’anions ont été publiés. L’un des premiers articles de Nelson et al. (1960) ont traité de la séparation des ions alcalino-terreux et Mn(II), Co(II), Ni(II) et Zn(II) en présence d’EDTA sur l’échangeur d’anions Dowex 1 × 4 sous forme d’EDTA. Pendant quelques années, les complexones ont également été utilisées pour la détermination, entre autres, du Cu(II), du Zn(II), du Cd(II), du Ni(II) et du Co(II) en solution et dans les déchets métallurgiques ainsi que dans les études de réactions de complexation et la détermination des constantes de stabilité des complexones (Hering et Morel, 1990).

Les articles pionniers de Dyczyński traitaient de l’application de l’EDTA et de l’DCTA à la séparation des microquantités des éléments des terres rares (Dybczyński 1964; Wódkiewicz et Dybczyński 1968). Des séries d’affinité non monotones ont été utilisées par Hubicka et Hubicki (1992) pour séparer des paires choisies de complexes d’éléments de terres rares avec NTA, HEDTA et IMDA dans le système de macro-microcomposants. Bolto, Dudzińska, Clifford ou Juang ont commencé à étudier l’application d’agents complexants tels que l’EDTA, le NTA et l’acide citrique dans l’élimination des ions de métaux lourds (Dudzinska et Clifford 1991/1992; Juang et Shiau 1998). Les auteurs ont montré la supériorité des échangeurs d’anions en polyacrylate sur ceux en polystyrène. De plus, les travaux de Juang et de ses collègues prouvent que l’élimination du Cu(II) est possible en présence d’EDTA et de formaldéhyde (Juang et al. 2005). De plus, dans un article (Juang et al. 2003) sur l’élimination des ions Co(II), Ni(II), Mn(II) et Sr(II) des solutions contenant de l’EDTA, du NTA et de l’acide citrique, il a été montré que le procédé est affecté non seulement par les solutions de pH, mais également par le type d’agent complexant et le rapport agent complexant molaire– ions métalliques. Par conséquent, les échangeurs d’anions polyacryliques ont également été utilisés pour l’élimination du Cu(II) avec IDA, NTA et EDTA (Hubicki et Jakowicz 2003; Juang et coll. 2006).

Dans cet article, l’optimisation de l’élimination du Cu(II), du Zn(II), du Cd(II) et du Pb(II) des eaux et des eaux usées par la méthode d’échange d’ions et la possibilité d’appliquer une nouvelle génération d’agents complexants biodégradables sont présentées. Pour cette étude, les agents complexants IDS, EDDS et GLDA ont été sélectionnés. Comme échangeurs d’anions, Lewatit MonoPlus M 800 et Ionac SR7 ont été choisis. Il convient également de mentionner que ces composés sont mal connus et que la littérature existante sur le sujet n’est pas systématique et est généralement liée à des besoins spécifiques. Par conséquent, de telles enquêtes revêtent une importance considérable.