Optimisation des paramètres de traitement des émulsions

Proceedings of International Symposium on Environmental Pollution Control and Waste Management
7-10 January 2002, Tunis (EPCOWM’2002), p.672-682.
Optimisation des paramètres de traitement des émulsions hydrocarbures/eau par
electroflottation
Optimisation of parameters for the treatment of hydrocarbons/water emulsions by
electroflottation
L. BEN MANSOUR1, S. GABSI2
Université de Sfax
1
Laboratoire Eaux, Energie, Environnement (L3E)
Faculté des Sciences de Sfax, B.P.802, 3018 Sfax - Tunisie
2
Laboratoire d’Analyse des Procédés
Ecole Nationale d’Ingénieurs de Gabès.
E-mail: [email protected]
Abstract:
Because of the increasingly constraining wastewater norms and the rising costs of the industrial
waste treatment, the traditional physico-chemical procedures are being pushed to their most in the
treatment of oil industry effluent which are highly rich in polluting hydrocarbons. Therefore, the
electroflotation procedure has been suggested to improve the treatment of such wastes as an alternative
technique.
The aim of this study is to present the results of an experimental investigation conducted in two
electroflotation units with insoluble electrode. One operates in a discontinuous mode the other in a
continuous mode. The purpose of this investigation was to determine the optimum values of the
intervening factors in the efficiency of the removal of hydrocarbons from model and real emulsions by
electroflotation.
The model emulsions treated in this study were mineral oil/water, gas oil/water, petrol/water and
mineral oil-water/water.
The optimized factors during the treatment in a discontinuous mode were the current density, the pH
of the medium, the addition of coagulant (Fe2(SO4)3) and the duration of the treatment. The effect of the
input flow was studied in the case of the treatment at a continuous mode. The separation efficiency
obtained in the model emulsions under optimum condition was over then 97%.
A treatment by electroflotation in optimum operational conditions was also applied successfully for
real effluents, which were rich in hydrocarbons discharged by car washing stations. The residual
concentration obtained was well in conformity with the norms ( N.T.106.002. 1989).
Keywords : Removal, hydrocarbons, emulsion, electroflotation.
Résumé:
Face aux normes des rejets de plus en plus sévères et aux coûts élevés du traitement des effluents
industriels, les procédés physico-chimiques classiques atteignent leurs limites dans la dépollution des
émulsions issues de l’industrie pétrolière à forte charge polluante d’hydrocarbures ; alors et en vue
d’améliorer les performances du traitement de ces effluents, le procédé d’électroflottation soit en régime
discontinu ou en régime continu, s’est présenté comme une technique de séparation alternative aux
procédés physico-chimiques classiques (Persin et al, 1989).
L’objectif de ce travail est de présenter les résultats d’une étude expérimentale, menée dans deux
unités d’electroflottation à électrodes insolubles l’une fonctionne en régime discontinu et l’autre en
régime continu et ce ci dans le but de mettre en évidence les valeurs optimales des paramètres influant sur
le rendement de séparation des émulsions hydrocarbures / eau par electroflottation.
Les émulsions modèles traitées dans ce travail sont : huile minérale / eau., gasoil / eau., essence / eau
et huile minérale-gasoil / eau.
Les paramètres optimisés au cours de traitement en régime discontinu sont : la densité de courant, le
pH du milieu, l’ajout de coagulant (Fe2(SO4)3) et la durée de traitement, l’effet de débit d’alimentation a
été étudié dans le cas de traitement en régime continu.
Les rendements de séparation atteints pour les
émulsions modèles dans les conditions opératoires optimales dépassent 97%.
672
Optimisation des parametres
Un traitement par electroflottation dans les conditions opératoires optimales a été aussi
appliqué
avec succès pour des effluents réels riches en hydrocarbures issus des stations de lavage des véhicules,
en effet la concentration résiduelle atteinte est bien conforme aux normes ( N.T.106.002. 1989).
Mots clés: Séparation, hydrocarbures, émulsion, electroflottation.
1. Introduction
Les eaux usées industrielles issues des stations de lavage des véhicules et de l’industrie pétrolière sont
généralement caractérisées par une teneur élevée en hydrocarbures tels que les huiles minérales, le gasoil,
l’essence et d’autres. Ces polluants toxiques dans la plupart des cas, présentent un danger certain pour
l’environnement. Pour traiter ces effluents, nous avons opté dans ce travail pour une technique
relativement récente dans le domaine de traitement des eaux usées industrielles à savoir l’électroflottation
(Srinivasan et Subbaiyan, 1989). L’électroflottation est une technique de séparation des matières
colloïdales en suspensions, destinées à produire une eau suffisamment pure pour être recyclée et des
résidus suffisamment concentrés pour être conditionnées ultérieurement (Novicova et al, 1987) .
La séparation solide-liquide peut se faire par filtration, par décantation ou flottation, cette dernière
peut être réalisée par air dissous ou par insufflation d’air. L’électroflottation est la version
électrochimique de la flottation et se distingue par le mécanisme de formation des bulles, qui sont
générées en électrolysant habituellement l’effluent à traiter. Les bulles d’hydrogène et d’oxygène
produites par électrolyse à la surface des électrodes sont très fines, uniformes et s’élèvent très doucement
en se fixant sur les particules en suspension qui sont ainsi entraînées vers la partie supérieure de l’unité
d’électroflottation. Par la suite les matières en suspension et l’eau peuvent être utilisées ou recyclées
séparément. Pour la récupération des éléments présents sous forme d’ions ou de cations en solution
aqueuse, une étape de précipitation ou de co-précipitation doit précéder le procédé d’électroflottation.
(Mallikarjunan et Vencatachalam, 1984).
Ce procédé constitue la version électrochimique de la flottation traditionnelle. Il se distingue par son
mécanisme de formation des bulles d’hydrogène et d’oxygène produites par électrolyse de l’eau en
utilisant des électrodes appropriées (Ho et Chan, 1986 ;Hosny, 1992).
L’objectif de ce travail est de présenter les résultats d’une étude expérimentale, menée dans deux unités
d’electroflottation à électrodes insolubles l’une fonctionne en régime discontinu et l’autre en régime
continu et ce ci dont le but de mettre en évidence les valeurs optimales des paramètres influant sur le
rendement de séparation des émulsions modèles hydrocarbures / eau et d’appliquer les résultats trouvés
sur des effluents réels issus des stations de lavage des véhicules.
2. Matériels et méthodes
2.1. Unité d’électroflottation
2.1.1 Régime discontinu
L’unité d’électroflottation utilisée en régime discontinu, est constituée d’une colonne de volume utile égal
à 300 ml, une cathode et une anode appropriées. Un dispositif de récupération des particules solides est
fixé en tête de la colonne. Le circuit électrique comporte un générateur de courant électrique continue, un
milliampèremètre et un voltmètre pour la lecture de la tension aux bornes de la cellule (Fig. 1).
673
Ben Mansour and Gabsi
Nomenclature :
1:
2:
3:
4:
5:
6:
7:
8:
9:
9
Voltmètre
Milliampèremètre
Générateur de tension
Anode en Titane
Cathode en acier inoxydable
Récupération d’eau traitée
Colonne d’électroflottation
Récupérateur des particules
Récupération de boue
V
mA
8
7
G
1
3
6
5
4
Fig. 1: Unité d’électroflottation en régime discontinu:
Discontinuous electroflotation unit
2.1.2 Régime continu
L’unité d’électroflottation utilisé en régime continu est constituée d’une cuve de hauteur 80 cm devisée
en deux compartiments. Chaque compartiment est muni de deux électrodes, une cathode en acier
inoxydable de surface égale à 10 cm2 et une anode de surface similaire en titane (Arinola, 1995). Les
deux compartiments sont alimentés par un générateur qui permet de délivrer des courants continus
variables et indépendants (Fig.2).
En pratique, dans le premier compartiment s’effectue un premier traitement ou le rendement de séparation
des hydrocarbures peut atteindre 80 % et on assiste à un mouvement co-courant de liquide et de flux de
bulles formées. Le liquide prétraité est ensuite véhiculé par débordement à travers une cloison vers le
deuxième compartiment où il se produit un traitement final plus poussé. Dans le deuxième compartiment
on assiste à un mouvement à contre courant entre le liquide et les bulles de gaz générées par électrolyse.
La pompe (P) permet l’alimentation de l’électroflottateur en eau polluée stockée dans le réservoir(R1).
L’eau traitée est récupérée dans le réservoir (R2), tandis que l’écume est véhiculée par débordement vers
le réservoir de boue (R3).
674
Optimisation des parametres
II
I
1
R2
P
R1
R3
I: compartiment I.
II : compartiment II.
1 : Electrodes
R1 : Réservoir de stockage
R2 :Réservoir de récupération
R3 : Réservoir de boues
P : Pompe
Fig.2: Unité d'electroflottation en régime continu:
Continuous electroflotation unity
2.2. Etude de l’électroflottation d’huile minérale, de gasoil, d’essence et d’huile minérale- gasoil.
Nous sommes intéressés à l’épuration des eaux résiduaires caractérisées par des teneurs élevées en huile
minérale, gasoil, essence et un mélange équimolaire huile minérale-gasoil par électroflottation, pour cela
et en utilisant un mélange d’émulsifiants (triphosphate de sodium + sel quaternaire d’ammonium) on a
préparé des émulsions modèles riches en ces éléments (Charpentier, 1996), afin d’optimiser les
conditions opératoires tels que : la densité de courant, la concentration de coagulant, le pH et la durée de
traitement dans le cas de travail en régime discontinu, et le débit d’alimentation dans le cas de
fonctionnement en régime continu (Ben Mansour et al., 2000).
L’électroflottation des hydrocarbures est appliquée séparément pour des émulsions ayant une
concentration initiale allant de 700 mg/l à 1200 mg/l. Cette fourchette de valeurs a été choisie sur la base
des statistiques des concentrations en hydrocarbures des effluents issus des stations de lavage des
véhicules (Rapport ANPE, 1995). le coagulant utilisé est le Fe2(SO4)3 , des solutions de soude et d’acide
chlorhydrique a été également utilisées pour l’ajustement de pH.
3. Résultats et discussions
3.1. Effet de la densité de courant
En fixant les paramètres suivants:
¾
Concentration initiale Ci = 1200 mg/l, pH=6, Ccoag=30mg/l, durée de traitement
t=30 mn pour une émulsion modèle huile minérale/eau.
¾
Concentration initiale Ci = 1000 mg/l, pH=6, Ccoag=20mg/l, durée de traitement
t=30 mn pour une émulsion modèle gasoil/eau.
¾
Concentration initiale Ci = 700 mg/l, pH=6, Ccoag=20mg/l, durée de traitement
t=30 mn pour une émulsion modèle essence/eau.
¾ Concentration initiale Ci =1200 mg/l, pH=6, Ccoag=25mg/l, durée de traitement
t=30 mn pour une émulsion modèle huile minérale-gasoil/eau .
675
Ben Mansour and Gabsi
Nous avons fait varier la densité du courant pour chaque émulsion à fin de déterminer le rendement
maximal d’élimination de ces éléments.
Le rendement est défini comme suit :
R=
C I −C F
× 100
CI
Avec:
R: rendement d’élimination (%)
Ci: la concentration initiale en hydrocarbures (en amant de traitement par electroflottation) (mg/l)
Cf : la concentration finale hydrocarbures (en aval de traitement par electroflottation) (mg/l).
Les concentrations initiales et finales en amont et en aval de traitement par électroflotation ont été
déterminées par une méthode gravimétrique (Rodier, 1976)
La densité de courant est définie comme le rapport de l’intensité de courant sur la surface active des
électrodes.
Après électroflottation des émulsions préparées, nous avons trouvé les résultats suivants ( figure
3 ):
R, %
100
95
90
85
80
75
hiule minérale
gasoil
70
essence
huile minérale-gasoil
65
60
0
100
200
300
400
500
600
Densité de courant, A/m 2
Fig. 3: Effet de la densité de courant sur le rendement d'élimination d'huile minérale, de gasoil, d'essence
et de mélange d’huile minérale - gasoil. : Effect of the direct current density on the removal efficiency of :
minerals oil, gas oil, essence and minerals oil-gas oil.
Les résultats obtenus présentés sur la figure.3, montrent que pour un meilleur rendement
d’élimination d’huile, de gasoil, d’essence et d’huile minérale-gasoil, les densités de courant optimales
sont respectivement égale à 350, 230, 180 et 300 A/m2, Pour des densités de courant supérieures aux
densités optimales, les chutes de rendement est du à la turbulence provoquée par une formation excessive
des bulles. Ce phénomène engendre une destruction des floques formés (écumes) et permet leur
dispersion de nouveau dans l’émulsion traitée.
3.2. Effet du pH
A fin de chercher les valeurs optimales de pH pour une meilleur rendement de d’élimination d’huile
minérale, de gasoil et d’essence nous avons fixé les densités du courant à leurs valeurs optimales déjà
déterminés , la concentration initiale en hydrocarbures et celle du coagulant ainsi que la durée de
676
Optimisation des parametres
traitement ont été fixées pour chaque émulsion à des valeurs similaires que celles dans le cas de l’étude de
l’effet de la densité de courant. puis nous avons varié uniquement le pH des émulsions modèles à traiter,
après électroflottation nous avons trouvé les résultats suivants (fig.4) :
100
R, %
90
80
70
60
huile minérale
gasoil
essence
50
:Effect of the pH on the metals removal efficiency ;
40
0
iron-1, zinc- 2 and cadmium-3
2
4
6
8
10
pH
12
Fig. 4 : Effet de pH sur le rendement d'élimination d’huile minérale, de gasoil et d’essence.
: Effect of the pH on the removal efficiency of : minerals oil, gas oil, essence.
Les résultats obtenus présentés sur la figure.4 montrent bien que pour des valeurs de pH supérieur à 6, le
rendement d’élimination d’huile minérale, de gasoil et d’essence chute donc on peut déduire que la
séparation de ces hydrocarbures est favorisée dans un milieu légèrement acide, on remarque aussi bien
que les rendements de séparation atteignent leurs valeurs maximales pour une valeur de pH égale à 6.
3.3. Effet de la concentration du coagulant
Pour optimiser ce paramètre on a ajusté le pH des émulsions à traiter à une valeur égale à 6 et
les densités de courant à leurs valeurs optimales
déjà déterminées, la concentration initiale en
hydrocarbures et la durée de traitement ont été fixées pour chaque émulsions comme précédemment, et
on a varié seulement la concentration de coagulant( Fe2(SO4)3 ).
Après électroflottation des émulsions préparées nous avons trouvé les résultats suivants (fig.5) .
677
Ben Mansour and Gabsi
R, %
100
98
96
94
92
huile minérale
90
gasoil
essence
88
86
84
82
0
10
20
30
40
50
60
70
Ccoag, mg/l
Fig. 5 : Effet de la concentration de coagulant sur le rendement d'élimination d'huile minérale, de gasoil
et d'essence. : Effect of the coagulant concentration on the removal efficiency of : minerals oil, gas oil and
essence.
Les résultats obtenus présentés sur la figure.5, montrent bien que les rendements maximaux
soient obtenus avec des concentrations de coagulant égale à 20mg/l pour la séparation de gasoil et
d’essence et 30 mg/l pour la séparation d’huile minérale, au-delà de ces valeurs on obtient des floques de
tailles assez grandes, ce qui favorise leur décantation au lieu de leur flottation, mais pour des valeurs
inférieures à l’optimale le rendement reste encore faible ce ci est du au faible taille des floques formés qui
diminue la probabilité de coalescence entre les bulles de gaz et les floques.
3.4. Effet de la durée de traitement et conditions optimales d’électroflottation
Dans les conditions optimales d’élimination d’huile minérale, de gasoil d’essence et de couple
huile minérale-gasoil déjà déterminées on a contrôlé la concentration résiduelle de ces éléments au cours
du temps. Fig.6,7.
678
Optimisation des parametres
R, %100
80
60
40
gasoil
essence
20
0
0
5
10
15
20
25
30
35
t, mn
Fig.6: Effet de la durée de traitement sur le rendement d'élimination de gasoil et d'essence.
: Effect of the duration treatment on the removal efficiency of: gas oil and essence.
R, %
100
80
60
40
huile minérale
huile minérale-gasoil
20
0
0
5
10
15
20
25
30
t, mn
35
Fig.7 : Effet de la durée de traitement sur le rendement d'élimination d’huile minérale et d’huile minéralegasoil.
: Effect of the duration treatment on the removal efficiency of: minerals oil and minerals oil-gas
oil.
679
Ben Mansour and Gabsi
On constate d’après la figure 6 que les rendements maximaux d’élimination de gasoil et d’essence sont
atteints au bout de 15 minutes de traitement valeur correspondant au début de palier de la courbe de
dépendance rendement en fonction de la durée de traitement, mais pour l’huile minérale et le couple huile
minérale-gasoil (fig.7) les rendements sont maximaux seulement après 20 minutes de traitement, on
déduit alors que les conditions optimales d’électroflottation en régime discontinu d’huile minérale, de
gasoil, d’essence et de couple huile minérale- gasoil sont les suivantes :
*Cas d’huile minérale :
Densité de courant 350A/m2 ; pH= 6; Concentration de coagulant 30 mg/l, durée de traitement 20
minutes, dans ces conditions optimales le rendement d’élimination d’huile minérale atteint est R=98.5 %.
*Cas de gasoil :
Densité de courant 230 A/m2 ; pH =6; Concentration de coagulant 20 mg/l, durée de traitement 15
minutes, dans ces conditions optimales le rendement d’élimination de gasoil atteint est R= 97 %.
*Cas d’essence :
Densité de courant 180 A/m2 ; pH=6 ; Concentration de coagulant 20 mg/l, durée de traitement
15 minutes, dans ces conditions optimales le rendement d’élimination d’essence atteint est R= 96.5 %.
*Cas du couple huile minérale-gasoil :
Densité de courant 300 A/m2 ; pH=6 ; Concentration de coagulant 30 mg/l, durée de traitement
20 minutes, dans ces conditions optimales le rendement d’élimination du couple huile minérale-gasoil
atteint est R= 97.5 %.
3.5. Effet de débit d’alimentation
Dans cette partie du travail, nous nous sommes servis des conditions de traitement optimales déjà
déterminées antérieurement en régime discontinu, et ceci afin d’évaluer l’influence du débit
d’alimentation sur le rendement d’élimination du couple huile minérale-gasoil par électroflottation en
régime continu à partir d’une émulsion saturée de concentration initiale C0 = 1200 mg/l, de composition
50% en gasoil et 50% en huile minérale. Pour cela, on a fixé les paramètres opératoires suivant :
− Densité de courant, I1=300 A/m2,
− pH=6,
− Concentration en coagulant Fe 3+ = 30 mg/l,
− Temps de séjour, t= 20 mn,
et on a varié seulement le débit d’alimentation, après électroflottation d’émulsion préparée on a trouvé les
résultats présentés par la figure.8.
Les variations du rendement d’élimination des hydrocarbures (couple huile minérale-gasoil) en
fonction du débit d’alimentation, nous avons permis de déduire qu’à partir d’un débit optimal de l’ordre
de 4 l/h, on remarque que le rendement d’électroflottation chute, ceci peut être expliqué par le fait que le
flux des floques à flotter est prédominent relativement au flux des bulles générées, d’où une quantité
résiduelle d’hydrocarbure quitte l’unité d’électroflottation avant de subir le traitement nécessaire.
R, %
97
96
95
94
93
92
91
90
huile minérale- gasoil
89
0
2
4
6
8
10
Q , l/h
Fig.8: Effet de débit d'alimentation sur le rendement d'élimination d'huile minérale-gasoil
: Effect of the alimentation flow on the removal efficiency of minerals oil-gas oil.
680
Optimisation des parametres
3.6. Application du procédé d’électroflottation pour le traitement d’un rejet réel riche en
hydrocarbures issu d’une station de lavage des véhicules .
Dans le but d’orienter notre étude à l’échelle industrielle, nous avons appliqué le procédé
d’électroflottation en régime continu, pour le traitement d’un effluent riche en hydrocarbures issu d’une
station de lavage des véhicules .
Pour se faire, nous nous sommes servis des paramètres opératoires optimaux déjà trouvés
antérieurement en régime discontinu et en régime continu pour déterminer le rendement d’élimination des
hydrocarbures.
Conditions opératoires :
− Densité de courant , I=300 A/m2,
− pH=6,
− Concentration en coagulant Fe 3+ = 30 mg/l,
− Débit d’alimentation Q= 4 l/h.
Dans ces conditions de travail et en deux passages sur l’unité d’électoflottation en régime continu on a
pu réduire la teneur des hydrocarbures de Ci = 2800 mg/l à Cf =4 mg/l (fig.9) valeur bien conforme au
norme ( N.T.106.002., 1989), donc le rendement d’élimination des hydrocarbures en deux passage atteint
est de 99,85 % .
3000
[HC] (mg/l) 2500
2000
1500
1000
500
0
Fig.9: Efficacité du procédé d'electroflottation.
: Efficiency of the electroflotation process
4 . Conclusion
les résultats des essais réalisés sur les différentes émulsions, permettent de déduire que l’application
du procédé d’électroflottation donne des rendements d’élimination des hydrocarbures très satisfaisants.
En effet, en régime discontinu, et pratiquement pour toutes les émulsions qu’on a étudié (huile
minérale/eau, gasoil/eau, essence/eau et huile minérale-gasoil/-eau), les rendements de séparation atteints
sont de l’ordre de 97 %.
Ces résultats encourageants, nous ont orienté à poursuivre cette étude en régime continu, afin de
prévoir par la suite l’extrapolation à l’échelle industrielle .
Un traitement en régime continu par électroflottation a été réalisée avec succès sur un effluent réel
(eau usée riche en hydrocarbures issue d’une station de lavage des véhicules), permet de confirmer
l’efficacité de ce procédé, en effet le rendement de séparation atteint après deux passages est de l’ordre
de 99,85 % ce qui correspond à une concentration résiduelle d’hydrocarbures conforme au
norme( N.T.106.002., 1989).
681
Ben Mansour and Gabsi
5. Références Bibliographiques
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