Phosphorus sorption and desorption from wastewater using alumina-based sorbents
Adsorption et désorption du phosphore des eaux usées par des adsorbants à base d'alumine
Résumé
This work proposes a study on the identification and understanding of phosphorus (P) sorption and desorption mechanisms from two alumina-based sorbents (pure alumina and doped alumina). Characterization is a key step in understanding the behavior of alumina during sorption and desorption. For this, physical, chemical, thermal and surface characterization of the alumina were carried out. Sorption experiments were carried out in a batch reactor and in a fixed-bed column. The batch sorption results showed a phosphorus sorption efficiency of up to 2gP/kg, i.e. the total amount of phosphorus introduced for an initial phosphorus concentration of 15 mg/L. Phosphorus sorption takes place in two stages: (i) diffusion through the liquid film surrounding the particle and (ii) diffusion into the pores. In the column experiments, the influence of bed height (5 cm, 7.5 cm and 10 cm) on phosphorus sorption in the column was studied. The results of these experiments show a phosphorus sorption capacity for alumina of around 20 gP/kg alumina for all 3 heights. The results showed that the increase in alumina bed height is not proportional to the increase in alumina sorption capacity. The evolution of pH at the column outlet, for all 3 heights, highlights an ion exchange phenomenon. Mathematical models were applied to the experimental results to identify the mechanism driving the phosphorus sorption process (mass transfer, surface complexation). These results show that external transfer does not limit phosphorus sorption, but rather internal diffusion. Scanning electron microscope characterization of saturated alumina particles shows a homogeneous distribution of phosphorus both inside and on the particle surface. A comparative desorption study was carried out on a laboratory and pilot scale. Different desorbents (saline, acidic and alkaline solutions) were tested at laboratory scale to select the most effective one. The experimental works was carried along with the kinetic modeling. The results showed that the alkaline solution is the most effective desorbent. Laboratory-scale desorption experiments (0.05 L) were conducted to set up the operating conditions for pilot-scale trials (20 L). The pilot-scale experiments identified a compromise between desorption efficiency and cost as shown in the preliminary economic analysis made. Thus, 67% of the phosphorus can be desorbed with 0.5 mol/L NaOH for a solid-liquid ratio of 40 and a contact time of 6h. A second reuse of this NaOH solution (0.5 mol/L) desorbed 50% of the phosphorus at a solid-liquid ratio of 40 and a contact time of 6h. Preliminary laboratory-scale alumina regeneration experiments show a recovery of 85% of the alumina sorption capacity and 45% the doped alumina sorption capacity.
Ce travail propose une étude sur l'identification et la compréhension des mécanismes d'adsorption et de désorption du phosphore (P) contenu dans les effluents liquides à partir de deux adsorbants à base d'alumine (alumine pure et alumine dopée). La caractérisation est une étape clé pour comprendre le comportement des alumines lors de l'adsorption et la désorption. Pour cela une combinaison de caractérisation physique, chimique, thermique et de surface des alumines a été réalisée. Les expériences d'adsorption ont été réalisées dans un réacteur batch et dans une colonne à lit fixe. Les résultats des expériences d'adsorption en batch ont montré une efficacité d'adsorption du phosphore allant jusqu'à 2 gP/kg soit la quasi-totalité du P introduite pour une concentration initiale en phosphore de 15 mg/L. L'adsorption du phosphore s'effectue en deux étapes : (i) la diffusion à travers le film liquide entourant la particule et (ii) la diffusion dans les pores. Quant aux expériences en colonne l'influence de la hauteur de lit (5 cm, 7,5 cm et 10 cm) sur l'adsorption du phosphore en colonne a été étudiée. Les résultats de ces expériences montrent une capacité d'adsorption du phosphore de l'alumine autour de 20 gP/kg d'alumine pour les 3 hauteurs. Les résultats ont montré que l'augmentation de la capacité d'adsorption de l'alumine n'est pas proportionnelle à l'augmentation de la hauteur de lit d'alumine. L'évolution du pH en sortie de colonne, pour les 3 hauteurs, met en évidence un phénomène d'échange d'ions. Des modèles permettant de décrire la dynamique d'adsorption en colonne ont été appliqués aux résultats expérimentaux afin d'identifier le mécanisme régissant le processus d'adsorption du phosphore (transfert de masse, complexation de surface). Ces résultats montrent que le transfert externe ne limite pas l'adsorption du phosphore mais plutôt la diffusion interne. La caractérisation au microscope électronique à balayage des particules d'alumines saturées montre une distribution homogène du phosphore à l'intérieur et à la surface de la particule. Une étude comparative de désorption a été réalisée à l'échelle laboratoire et à l'échelle pilote. Différents désorbants (solution : saline, acide et basique) ont été testés à l'échelle laboratoire afin de choisir le désorbant le plus efficace. Cette étude a été complétée par un travail de modélisation de la cinétique des processus mis en œuvre. Les résultats montrent que la base forte est le désorbant le plus efficace. Les expériences de désorption à l'échelle laboratoire (0,05 L) ont permis de fixer les conditions opératoires pour les essais à l'échelle pilote (20 L). Les expériences à l'échelle pilote ont permis d'identifier un compromis entre efficacité de désorption et coût. Ainsi 67% du phosphore peut être désorbés avec 0,5 mol/L de NaOH pour un rapport solide-liquide de 40 et un temps de contact de 6h. Une deuxième réutilisation de cette solution de NaOH (0,5 mol/L), a permis de désorber 50% du phosphore pour un rapport solide-liquide de 40 et un temps de contact de 6h. Une estimation économique préliminaire a également été réalisée. Des expériences préliminaires de régénération des alumines à l'échelle laboratoire montrent un rétablissement de 85% la capacité d'adsorption de l'alumine et 45% de la capacité d'adsorption de l'alumine dopée.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
---|