Review on the Removal of Metal Ions from Effluents Using Seaweeds, Alginate Derivatives and Other Sorbents Revue sur l’enlèvenement des ions métalliques des effluents par l’utilisation des macro-algues, des dérivés d’alginate et autres sorbants

Abstract

Biosorbents, especially those derived from seaweed (macroscopic algae) and alginate derivatives, exhibit high affinity for many metal ions. Because biosorbents are widely abundant (usually biodegradable) and less expensive than industrial synthetic adsorbents, they hold great potential for the removal of toxic metals from industrial effluents. Various studies have demonstrated the efficiency of living and non-living micro-organisms, such as bacteria, yeasts, moulds, micro-algae, cyanobacteria and biomass from water treatment sewage to remove metals from solution. Several types of organic and inorganic biomass have also been used as sorbent materials. In addition, by-products from the forestry industry, as well as agriculture waste and natural sorbents, have also been studied. This paper reviews and summarizes some key recent developments in these areas and it describes and discusses some specific applications of selected natural sorbents.

Key Words:

• Metal,
• removal,
• adsorption,
• alginate,
• seaweed,
• natural sorbent,
• wastewater,
• effluent,
• treatment

Résumé

Les biosorbants, particulièrement ceux préparés à partir des algues macroscopiques et des dérivés d’alginate, démontrent une très bonne capacité d’adsorption des ions métalliques toxiques. Ces biosorbants étant facilement disponibles (biodégradable) et moins coûteux que les adsorbants (industriels) synthétiques, ils présentent un grand potentiel d’utilisation pour l’enlèvement des métaux toxiques des effluents industriels. Les récents développements dans ce domaine ont été revus et font l’objet de la présente synthèse. Des applications spécifiques sont décrites et discutées.

Diverses technologies sont disponibles pour enlever les métaux des effluents industriels tels que la précipitation (sous forme d’hydroxydes ou de sulfures), la coprécipitation, l’adsorption, l’extraction par solvant, la cémentation, l’électrodéposition, l’électrocoagulation, l’échange d’ions et les technologies de séparation membranaire. Néanmoins, la plupart de ces techniques présentent des coûts d’exploitation élevés et, dans certains cas, sont limitées en terme de rendement d’élimination des métaux. Dans ce contexte, l’utilisation d’adsorbants naturels (dérivés de matière organique ou inorganique) constitue une alternative intéressante aux produits synthétiques. De nombreux articles ont d’ailleurs été publiés au cours des dernières années faisant état de la performance d’une grande variété d’adsorbants naturels pour enlever les métaux des effluents.

Plusieurs espèces d’algues marines ont aussi démontré des propriétés pour adsorber les métaux, mais les algues marines brunes, telles que Sargassum et Ascophyllum semblent avoir la plus grande capacité de rétention des métaux, à cause de leur grande concentration en polysaccharides. L’intégrité physique des algues est également importante, ceci afin de prévenir leur désintégration pendant les processus d’adsorption. Afin d’améliorer la stabilité et les propriétés mécaniques des algues fraîches, diverses méthodes ont été suggérées : i) greffage dans des polymères synthétiques; ii) incorporation dans des matériaux inorganiques; iii) liaison sur un support adéquat; et iv) séquestration par un agent de liaison.

L’acide alginique est un polymère naturel se trouvant dans les algues brunes. Ce polymère est extrait en traitant les algues avec une solution de carbonate de sodium, puis l’acide alginique est précipité, ou converti en sel d’alginate de calcium. Lorsque l’acide alginique réagit avec des ions polyvalents, tel que le calcium, une séquestration se produit procurant un gel d’alginate ayant des forces structurales significatives. L’alginate de calcium peut être préparé sous plusieurs formes, telles que des billes, de la poudre, des membranes, des fibres ou des supports d’immobilisation cellulaire. Les billes sont particulièrement intéressantes du point de vue de leur application et de leur réutilisation.

L’utilisation des algues marines en tant que procédé d’enlèvement des métaux doit tenir compte de plusieurs considérations techniques. Les systèmes de biosorption utilisent les biomasses sous forme solide en un procédé conventionnel de contact solide-liquide et, dans certains cas, les systèmes comprennent plusieurs étapes de biosorption et de désorption. L’effluent à traiter peut entrer en contact avec la biomasse selon un procédé en mode discontinu, semi-continu ou continu. Une fois saturés en métaux lourds, les adsorbants peuvent être disposés de façon sécuritaire, ou être réutilisés après élution des métaux. Dans ce cas, la plupart des métaux lourds (Cd, Co, Cu, Mn, Pb, Zn) peuvent être élués à l’aide d’acides dilués (chlorhydrique, sulfurique, nitrique) ou de solutions salines concentrées. Certains métaux qui sont moins dépendants du pH d’adsorption (Au, Ag, Hg) ne peuvent être élués en utilisant un acide dilué. Des solutions de thiourée ou de mercaptol peuvent être utilisées pour l’or et l’acétate de sodium pour la récupération de l’argent. La combustion des algues est également possible, néanmoins, elle n’est envisageable que si l’adsorbant est peu dispendieux et grandement disponible.

Plusieurs types de biomasses organiques ou inorganiques peuvent être utilisés comme matériaux adsorbants. Des études ont démontré l’efficacité des microorganismes vivants ou morts incluant les bactéries, les levures, les moisissures, les microalgues, les cyanobactéries et les biomasses issues du traitement des eaux usées (boues d’épuration). Les rejets de l’industrie forestière, incluant les sciures et les écorces de bois riches en lignine et en tannins, ont été également étudiés de façon intensive. Certaines plantes aquatiques (Ceratophyllum demersum, Lemna minor, Myriophyllum spicatum) ont également été évaluées pour leur capacité en phytofiltration et phytoassainissement. D’autres études ont été effectuées sur la performance de fixation des métaux de la chitine, cette dernière étant un biopolymère naturel très abondant, lequel est classé second après la cellulose en terme d’abondance. Ce biopolymère se retrouve largement dans l’exosquelette des crustacés et des coquillages. Le chitosan est produit en effectuant la dé-acétylation de la chitine en milieu alcalin. La mousse de tourbe, les déchets d’agriculture (résidus de thé et de café, pelures de certains légumes, écailles de noix, d’arachides, de cacao) et divers autres adsorbants de nature inorganique (sable, argile, oxyde, zéolites) ont également été étudiés pour la récupération des métaux en solution.

D’un point de vue économique, plusieurs méthodes existent pour traiter les eaux usées. La sélection d’une méthode dépend de plusieurs critères, tels que la compatibilité avec les opérations existantes, les coûts d’exploitation, la flexibilité des procédés afin de pouvoir traiter des variations de charges hydrauliques et de concentrations de contaminants. La méthode doit être aussi fiable, robuste et simple d’utilisation. Dans certains cas, des économies substantielles peuvent être réalisées en faisant appel à l’adsorption des métaux sur des biomasses, comparativement aux procédés conventionnels, tel que la précipitation des métaux.

Mots clés:

• métal,
• enlèvement,
• adsorption,
• alginate,
• algue,
• eau usée,
• sorbant naturel,
• effluent,
• traitement