Technologie de traitement chimique des eaux usées de teinture

1 Méthode électrochimique

La méthode électrochimique présentait auparavant des inconvénients tels qu'une consommation d'énergie élevée, un coût élevé et des réactions secondaires d'évolution d'oxygène et d'hydrogène au niveau des électrodes. Ces dernières années, les chercheurs ont développé de nombreux nouveaux matériaux d'électrodes, et de nouvelles électrodes à haute surtension d'évolution d'oxygène et à haute surtension d'évolution d'hydrogène sont apparues dans les domaines de l'électro-oxydation et de l'électro-réduction, améliorant l'effet de traitement et offrant une autre option raisonnable pour le processus de traitement des eaux usées de colorants.eaux uséesLe traitement électrochimique peut être divisé en réduction électrochimique, oxydation électrochimique, électrocoagulation et flottation électrique, etc., d'un point de vue principiel.

1.1 Réduction électrochimique et oxydation électrochimique

La réduction électrochimique est le processus d'élimination des polluants environnementaux par réduction cathodique, qui peut être divisée en réduction électrochimique directe et indirecte ; l'oxydation électrochimique est le processus d'élimination des polluants par l'anode ou des substances fortement oxydantes générées par l'anode (radicaux superoxydes (·O2), H2O2, radicaux hydroxyles (·OH), etc.), qui peut être divisée en oxydation électrochimique directe et indirecte. Pendant le processus d'oxydation électrochimique, la principale réaction secondaire est la réaction de dégagement d'oxygène à l'anode due à la décomposition de l'eau par décharge ; pendant le processus de réduction électrochimique, la principale réaction secondaire est la réaction de dégagement d'hydrogène due à la décomposition de l'eau par décharge. Pour l'ensemble du système électrochimique, le matériau de l'électrode est le cœur de la technologie de traitement électrochimique de l'eau et constitue également un point chaud de recherche appliqué aux procédés de traitement des eaux usées de teinture ces dernières années.

Ali et al. ont utilisé une éponge de carbone (carbon sponge, CS) comme matériau d'électrode négative pour traiter les eaux usées de bleu alcalin 3. L'étude a montré que par rapport à l'électrode négative traditionnelle en feutre de carbone (carbon felt, CF), la quantité de peroxyde d'hydrogène produite par l'électrode CS était 3 fois supérieure à celle de l'électrode CF. L'étude a également examiné l'influence du courant appliqué, du type d'électrolyte, du débit d'oxygène, du pH et de la température sur la production de peroxyde d'hydrogène. Les résultats ont montré que lorsque le courant appliqué était de 100 mA (5,6 mA·cm-2), la production de peroxyde d'hydrogène était maximale. Parmi ceux-ci, le courant appliqué, le débit d'oxygène, le pH et la température avaient un impact significatif sur la production de peroxyde d'hydrogène. Après 8 heures de traitement, le taux d'élimination du carbone organique total (COT) du bleu alcalin 3 était de 91,6 % (électrode CS) et de 50,8 % (électrode CF). L'efficacité du courant de minéralisation de l'électrode CS était 4 fois supérieure à celle de l'électrode CF.

Zhou et al. ont mené une étude comparative sur la dégradation du colorant azoïque orange de méthyle en utilisant des électrodes à oxydes métalliques mixtes et des électrodes dopées au bore. L'expérience a examiné l'influence de la densité de courant, du type d'électrolyte, du pH et de la concentration initiale du polluant sur l'effet d'élimination de la couleur, du COD et du COT des eaux usées de colorant. Les résultats expérimentaux ont montré qu'il existait des différences dans le comportement de dégradation des polluants sur les deux types d'électrodes. Les électrodes dopées au bore avaient une gamme d'applications de procédé plus large pour les eaux usées de colorant que les électrodes à oxydes métalliques mixtes. D'un point de vue économique, les électrodes dopées au bore sont un meilleur choix pour la minéralisation des colorants.

Yao et al. ont utilisé un réacteur photoélectrochimique (PEC) à film mince incliné à base de TiO2 pour traiter les eaux usées de colorant. L'expérience a examiné le traitement des eaux usées de rhodamine B par une électrode à nanotubes de TiO2. L'efficacité du réacteur PEC a été comparée à celle d'un réacteur photo-catalytique traditionnel. Simultanément, les effets de traitement de l'électrode à nanotubes de TiO2 pré-traitée par anodisation et de l'électrode à sol-gel de TiO2 sur la rhodamine B ont été comparés. Les résultats ont montré qu'après 180 minutes de traitement de 20 mg·L-1 de rhodamine B, l'effet de traitement de l'électrode à nanotubes de TiO2 anodisée était supérieur de 30 % à celui de l'électrode à sol-gel de TiO2. Des recherches supplémentaires ont montré que le réacteur PEC à film mince incliné avait un meilleur effet de traitement des eaux usées de colorant que l'électrode à sol-gel de TiO2 en raison de l'amélioration de l'efficacité du transfert de masse.

　　Xu et al. ont également développé un réacteur photoélectrocatalytique (PEC) à disque rotatif TiO2/Ti pour traiter les eaux usées de colorant R-B. Dans ce réacteur PEC à film mince et à haute efficacité, la partie supérieure du disque est constituée d'une anode photoélectrode revêtue, où les eaux usées forment un film mince à la surface de l'électrode, exposée à l'air. Les eaux usées sont irradiées par des rayons ultraviolets, tandis que le reste du disque est immergé dans l'eau. L'électrode à disque tourne à une vitesse constante, renouvelant continuellement le film liquide à la surface de la photoanode, améliorant ainsi le transfert de masse et la dégradation des polluants dans la partie supérieure et dans l'eau. Pour des concentrations de R-B de 20 à 150 mg·L-1, la décoloration a été éliminée de 27 % à 84 % et le taux d'élimination du COT a été de 7 % à 48 % en 1 heure. Le réacteur photoélectrocatalytique à disque rotatif offre une nouvelle option de procédé pour le traitement des eaux usées de colorant.

　　1.2 Electrocoagulation-Dissolved Air Flotation (EC-DAF)

　　Under an external voltage, a large number of cations are generated using soluble anodes (iron or aluminum) to coagulate colloidal wastewater. Simultaneously, a large number of hydrogen microbubbles are released at the cathode, which adhere to the flocs and float up. This method is called electrocoagulation-dissolved air flotation. In the water treatment process, the bubbles adhere well to suspended particles, thereby improving the treatment efficiency for dye wastewater. Furthermore, under the action of electric current, some dyes in the wastewater may be directly oxidized to CO2 and H2O. Partially oxidized organic matter, along with suspended solid particles, can be adsorbed and coagulated by Fe(OH)3 or Al(OH)3 and separated by flotation driven by hydrogen and oxygen. The electrocoagulation-dissolved air flotation method for wastewater treatment is a synergistic effect of multiple processes.

　　Balla et al. applied the electrocoagulation-dissolved air flotation process (aluminum/iron electrodes) to treat synthetic dyes and actual textile wastewater. Three disperse dyes, three reactive dyes, and mixtures of these two dye classes were selected as target pollutants. The research results showed that for disperse dyes, the aluminum electrode had a better treatment effect than the iron electrode; while the iron electrode was more suitable for treating reductive dyes and mixed synthetic dyes. 20 minutes was the optimal electrolysis time, and the optimal current density was 40mA·cm-2. For reactive dye and mixed dye wastewater, the optimal pH for treatment was 7.5, and for disperse dyes, it was 6.2. The decolorization rate of the electrocoagulation-dissolved air flotation method for all three types of model pollutants was above 90%. At the same time, Balla et al. also conducted an energy consumption analysis of the process: the energy consumption for treating reductive dyes, disperse dyes, and mixed synthetic dyes were 170, 120, and 50 kW·h·(kg dye)-1, respectively.

　　2 Advanced Oxidation Processes (AOPs)

　　Advanced oxidation technology is an emerging water treatment technology in recent years. Due to the generation of highly oxidizing hydroxyl radicals (·HO) during the treatment process, this technology can convert many stable or even difficult-to-biodegrade organic molecules into non-toxic, harmless, and biodegradable low-molecular-weight substances. The final reaction products are mostly carbon dioxide, water, and inorganic ions, with no residual sludge or concentrate produced. Therefore, this technology has become a research hotspot for treating dye wastewater in recent years.

　　2.1 Photocatalytic Oxidation

La technologie d'oxydation photocatalytique s'est développée à partir de l'oxydation photochimique. Comparée à la méthode photochimique, elle possède une capacité d'oxydation plus forte et peut dégrader plus complètement les polluants organiques. Ces dernières années, la technologie d'oxydation photocatalytique utilisant le TiO2 comme catalyseur est devenue un sujet de recherche brûlant. Les catalyseurs couramment utilisés dans la technologie d'oxydation photocatalytique comprennent le TiO2, le ZnO, le WO3, le CdS, le ZnS, le SnO2 et le Fe3O4, etc.

Sun et al. ont synthétisé du ZnO microcristallin par méthode hydrothermale comme agent d'oxydation photocatalytique pour dégrader les eaux usées de trois colorants : le cristal violet, le violet de méthyle et le bleu de méthylène. Après 75 minutes, le taux de décoloration a atteint 68,0 %, 99,0 % et 98,5 %. Les taux d'élimination du COT étaient respectivement de 43,2 %, 59,4 % et 70,6 %, soit une amélioration de 16 % à 22 % par rapport à l'effet catalytique du ZnO commercial. Aber et al. ont utilisé la méthode d'oxydation catalytique par nanocristaux de sulfure de zinc induits par UV (UV-ZnS) pour dégrader les eaux usées de bleu acide 9. L'expérience a étudié l'influence de l'intensité des rayons ultraviolets, de S2O82- et de IO4- sur le processus d'oxydation photocatalytique. Les résultats expérimentaux ont montré que l'effet de traitement du système UV-ZnS sur le bleu acide 9 augmentait avec l'augmentation de l'intensité des rayons ultraviolets, de la concentration de S2O82- et de IO4-. Joshi et al. ont synthétisé du WO3 nanocristallin par la méthode sol-gel et ont effectué des expériences de décoloration sur des eaux usées de méthyl orange induites par la lumière visible. Les eaux usées de méthyl orange ont été complètement décolorées après 4 heures.

Sema et al. ont préparé du dioxyde de titane par méthode hydrothermale. Sous l'induction de la lumière visible, ils ont étudié la dégradation des eaux usées de rouge Congo. Les eaux usées de rouge Congo à 20 mg·L-1 ont été facilement dégradées en 30 minutes d'éclairage dans un système contenant 0,25 % (en masse) de dioxyde de titane nanométrique.

Muhammad et al. ont préparé un catalyseur Cr-TiO2 contenant du Cr3+ par la méthode sol-gel. Avec l'induction par rayons ultraviolets, ils ont traité des eaux usées de bleu de méthylène. Les résultats expérimentaux ont montré qu'à pH=7, 70 % du bleu de méthylène pouvaient être dégradés, et la réaction suivait une cinétique pseudo-d'ordre deux.

　　2.2 Méthodes d'oxydation Fenton et de type Fenton

　　La méthode Fenton utilise des sels de fer (Fe2+ ou Fe3+) comme catalyseur, produisant des radicaux ·HO fortement oxydants en présence de H2O2, qui oxydent les molécules dans les eaux usées de colorant. La réaction peut être effectuée à température et pression ambiantes.

　　Sun et al. ont étudié l'influence de la concentration de peroxyde d'hydrogène et de son rapport avec Fe2+, de la température de réaction, du pH de la solution, de la concentration d'ions chlorure et de la concentration de colorant sur le traitement de l'Orange G par le système Fenton. Les résultats expérimentaux ont montré que l'effet de traitement était meilleur à un pH initial de 4,0, une concentration de H2O2 de 1,0 × 10-2 mol·L-1 et un rapport peroxyde d'hydrogène : Fe2+ de 286:1. Le taux de décoloration de l'Orange G pouvait atteindre 94,6 % en 60 minutes. Le processus de décoloration suivait une équation cinétique du second ordre.

　　Le traitement des eaux usées par la méthode Fenton présente des problèmes tels qu'un long temps de réaction, une grande quantité de réactifs utilisés, et le Fe2+ en excès qui augmente la DCO des eaux usées et provoque une pollution secondaire. Les chercheurs ont introduit la lumière ultraviolette, la lumière visible, etc. dans le système Fenton et ont utilisé d'autres métaux de transition pour remplacer Fe2+. Ces méthodes peuvent améliorer la capacité d'oxydation et de dégradation des matières organiques, réduire la quantité de réactifs utilisés, et ainsi diminuer les coûts de traitement. Elles sont collectivement appelées réactions de type Fenton.

　　Hsieh et al. ont étudié l'influence de facteurs tels que le rapport peroxyde d'hydrogène/Fe2+ dans le système Fenton, la quantité de fer nanostructuré ajoutée, le temps de réaction et le pH initial sur le taux d'élimination de la DCO et l'efficacité de décoloration. À une concentration de colorant azoïque soluble dans l'eau de 500 mg·L-1, un temps de réaction de 60 minutes, une quantité de fer nanostructuré ajoutée de 1 g·L-1, et un rapport colorant : peroxyde d'hydrogène : Fe2+ de 1:3,6:2,4, le taux de décoloration et le taux d'élimination de la DCO étaient respectivement de 99,91 % et 63,36 %.

　　Kasiri et al. ont utilisé la zéolithe Fe-ZSM5 comme catalyseur pour dégrader le colorant indigotique Bleu Acide 74 dans un système combinant lumière ultraviolette et peroxyde d'hydrogène. Dans ce système photo-Fenton, sous des conditions de réaction de 120 minutes, une concentration de peroxyde d'hydrogène de 21,4 mmol·L-1, une quantité de catalyseur ajoutée de 0,5 g·L-1 et un pH de 5, le taux d'élimination du carbone organique total (COT) des eaux usées de Bleu Acide 74 était de 57 %.

　　2.3 Méthode d'oxydation à l'ozone et méthode combinée ultrasons-ozone

　　L'O3, en raison de sa forte capacité d'oxydation (potentiel d'oxydoréduction atteignant 2,07 V en solution acide), est l'oxydant de choix pour de nombreux procédés de traitement des eaux usées industrielles difficiles à dégrader. Khadhraoui et al. ont découvert dans leurs recherches sur le traitement du Rouge Congo par l'ozone qu'au début de l'oxydation, l'ozone lui-même pouvait complètement oxyder et décolorer le Rouge Congo, et que les résultats de cette expérience suivaient un modèle de cinétique de réaction du premier ordre. Cependant, l'ajout d'ozone seul ne pouvait pas minéraliser complètement le Rouge Congo, le taux d'élimination de la DCO n'étant que de 54 %. L'utilisation de l'O3 seul pour traiter les eaux usées de colorants présente des inconvénients tels que l'oxydation sélective et un traitement incomplet.

　　Pour améliorer la méthode d'oxydation à l'O3, certains chercheurs ont introduit la technologie des ultrasons pour renforcer la décoloration et la dégradation des colorants par oxydation à l'O3. La décoloration ou la dégradation complète des colorants par la chaleur et la pression élevées générées par la cavitation instantanée des ultrasons est devenue une option de procédé viable.

　　He et al. used ozone, ultrasound, and combined ultrasound-ozone techniques to degrade anthraquinone dye Vat Blue 19. Experimental results showed that the combined ultrasound-ozone technique had a better decolorization effect on wastewater than the other two methods.

　　Zhang et al. used a combination of 20kHz ultrasound and ozone to study the degradation of Acid Orange 7. The experiment investigated the effects of power density, airflow rate, initial pH, radical scavengers, and dye concentration on the decolorization rate. Experimental results showed that the decolorization kinetics of Acid Orange 7 followed a pseudo-0.5 order kinetic equation. The thermal radiation effect of ultrasound significantly promoted the degradation of Acid Orange 7.