arsenic removal in drinking water production: chemical oxidation and adsorption on new solid supports
Elimination de l'Arsenic pour la production d'eau potable :
oxydation chimique et adsorption sur des substrats solides innovants
Abstract
Arsenic is a toxic trace element occurring in natural waters in a variety of forms including soluble, particulate and organicbound,
but mainly as inorganic trivalent As(III) and pentavalent As(V) oxidation states. In many parts of the world,
groundwater is polluted with arsenic. This pollution can be caused by human activities (mining, pesticides...) but usually, the
main source of arsenic is geogenic. Epidemiological studies have demonstrated a significant increase in the risks of cancers
associated with high levels of arsenic in drinking water. Consequently, in the case of arsenic, the European standard level in
drinking water has been lowered to 10 µg/L and similar reductions in arsenic levels have been adopted elsewhere, including
the USA. The aim of this study was to develop new and reliable methods to analyse arsenic even at low concentrations, and
simple removal techniques, easy to handle and to apply to low-flow drinking production plants (flow rate < 10 m3/h).
As(III) and As(V) adsorption was studied, first on iron (oxy)hydroxides then on pillared clays : a montmorillonite modified
with iron, titanium and aluminium polycations. Adsorption was carried out under various experimental conditions. It appeared
that arsenic was better adsorbed on iron (oxy)hydroxide. Yet, iron pillared clay was the only media which could be
regenerated.
Speciation being a preponderant factor in adsorption, As(III) oxidation study is of great importance. Different common
reagents used for As(III) oxidation were studied: H2O2, NaOCl, FeCl3, KMnO4 and MnO2(s). In order to test their efficiencies
through As(V) determination, a colorimetric method was developed, based on phosphate measurement. The results showed
that the oxidants which could easily be applied to low-flow drinking production plants were FeCl3 and KMnO4. Thereafter, a
polystyrene resin loaded with manganese oxide was synthesised. This solid presents simultaneous oxidation and adsorption
behaviour, and its adsorption capacities towards As(III) and As(V) were above many studied adsorbents.
The last part of this study allowed us to work closer to natural conditions, through the preparation of an artificial water of
granitic type, such are waters usually polluted with arsenic. The compilation of major ions common concentrations led to the
preparation of a model water, spiked with As(III) or As(V), and used to validate our analysis methods and removal
mechanisms. The results proved that the major ions did not have any influence on these processes, showing their possible use
in a low-flow drinking production plant.
but mainly as inorganic trivalent As(III) and pentavalent As(V) oxidation states. In many parts of the world,
groundwater is polluted with arsenic. This pollution can be caused by human activities (mining, pesticides...) but usually, the
main source of arsenic is geogenic. Epidemiological studies have demonstrated a significant increase in the risks of cancers
associated with high levels of arsenic in drinking water. Consequently, in the case of arsenic, the European standard level in
drinking water has been lowered to 10 µg/L and similar reductions in arsenic levels have been adopted elsewhere, including
the USA. The aim of this study was to develop new and reliable methods to analyse arsenic even at low concentrations, and
simple removal techniques, easy to handle and to apply to low-flow drinking production plants (flow rate < 10 m3/h).
As(III) and As(V) adsorption was studied, first on iron (oxy)hydroxides then on pillared clays : a montmorillonite modified
with iron, titanium and aluminium polycations. Adsorption was carried out under various experimental conditions. It appeared
that arsenic was better adsorbed on iron (oxy)hydroxide. Yet, iron pillared clay was the only media which could be
regenerated.
Speciation being a preponderant factor in adsorption, As(III) oxidation study is of great importance. Different common
reagents used for As(III) oxidation were studied: H2O2, NaOCl, FeCl3, KMnO4 and MnO2(s). In order to test their efficiencies
through As(V) determination, a colorimetric method was developed, based on phosphate measurement. The results showed
that the oxidants which could easily be applied to low-flow drinking production plants were FeCl3 and KMnO4. Thereafter, a
polystyrene resin loaded with manganese oxide was synthesised. This solid presents simultaneous oxidation and adsorption
behaviour, and its adsorption capacities towards As(III) and As(V) were above many studied adsorbents.
The last part of this study allowed us to work closer to natural conditions, through the preparation of an artificial water of
granitic type, such are waters usually polluted with arsenic. The compilation of major ions common concentrations led to the
preparation of a model water, spiked with As(III) or As(V), and used to validate our analysis methods and removal
mechanisms. The results proved that the major ions did not have any influence on these processes, showing their possible use
in a low-flow drinking production plant.
L'arsenic est un métalloïde se rencontrant naturellement sous forme de trace dans de nombreux sols. Les activités anthropiques
(agriculture, extraction et exploitation de minerais principalement) ont conduit à son accumulation dans l'environnement.
L'abaissement à 10 µg/L de la limite de qualité pour l'arsenic dans l'eau de consommation pose la question de l'efficacité des
traitements existants. De nouvelles techniques plus performantes d'élimination de l'arsenic sont donc de plus en plus
nécessaires. L'objectif de ce travail est de développer de nouvelles méthodes d'analyses de l'arsenic, fiables et utilisables sur le
terrain, ainsi que des méthodes simples d'élimination de l'arsenic, de mise en œuvre facile et applicables à de petites unités de
traitement comme celles rencontrées en zones à habitat dispersé (débit < 10 m3/h).
L'adsorption de As(III) et As(V), méthode répondant aux critères précédemment définis, a été étudiée. Tout d'abord des
supports classiques ont été considérés : des (oxy)hydroxydes de fer; puis des supports innovants : des argiles pontées dérivées
d'une montmorillonite. Celle-ci a été modifiée par différents polycations (fer, titane et aluminium) de façon à créer des sites
favorables à l'adsorption. L'adsorption a été réalisée selon différentes conditions, et dans des milieux plus ou moins complexes.
Il s'avère que les (oxy)hydroxydes de fer fixent plus d'arsenic que les argiles pontées, tant sous la forme As(III) que As(V).
Néanmoins, l'étude de la désorption a montré que l'argile pontée au fer était le seul support régénérable quasiment à 100%.
Connaissant les différences de comportement selon la nature des espèces de l'arsenic inorganique As(III) et As(V), l'oxydation
de As(III) par différents oxydants usuels a été l'objet d'une partie de l'étude. Les oxydants testés sont H2O2, NaOCl, FeCl3,
KMnO4 et MnO2(s), couramment employés dans les traitements. De façon à quantifier la capacité oxydante de ces réactifs, une
méthode colorimétrique a été développée. Celle-ci, facilement transposable sur le terrain, peut être appliquée aux eaux peu
chargées en phosphate avec une limite de quantification de 20 µg As/L. Il s'avère que les oxydants les plus facilement
utilisables dans une unité de potabilisation sont KMnO4 et FeCl3. A la suite de cette étude, un support à base d'une résine de
polystyrène recouverte d'oxyde de manganèse a été synthétisé. Ce solide combine des propriétés d'oxydation et d'adsorption
simultanées. Les capacités d'adsorption de ce solide vis-à-vis de As(V) et de As(III) sont remarquables et supérieures à une
majorité des adsorbants étudiés récemment.
La dernière partie a consisté en l'étude de la faisabilité des procédés mis au point sur un milieu plus proche des conditions
naturelles. Pour cela, une eau artificielle représentative des eaux de type granitique, habituellement concernées par la pollution
arséniée, a été préparée à partir de la compilation des compositions d'eaux souterraines destinées à la production d'eau potable.
Ainsi, les concentrations en ions majeurs communes à ces eaux ont pu être déterminées. Cette eau artificielle a ensuite été
utilisée après dopage en As(III) et As(V) dans diverses expériences d'oxydation et d'adsorption de façon à appréhender les
mécanismes mis en jeu dans le milieu naturel. Il apparaît que les ions majeurs ont peu d'influence sur ces procédés, démontrant
leur applicabilité au sein d'une filière de traitement.
(agriculture, extraction et exploitation de minerais principalement) ont conduit à son accumulation dans l'environnement.
L'abaissement à 10 µg/L de la limite de qualité pour l'arsenic dans l'eau de consommation pose la question de l'efficacité des
traitements existants. De nouvelles techniques plus performantes d'élimination de l'arsenic sont donc de plus en plus
nécessaires. L'objectif de ce travail est de développer de nouvelles méthodes d'analyses de l'arsenic, fiables et utilisables sur le
terrain, ainsi que des méthodes simples d'élimination de l'arsenic, de mise en œuvre facile et applicables à de petites unités de
traitement comme celles rencontrées en zones à habitat dispersé (débit < 10 m3/h).
L'adsorption de As(III) et As(V), méthode répondant aux critères précédemment définis, a été étudiée. Tout d'abord des
supports classiques ont été considérés : des (oxy)hydroxydes de fer; puis des supports innovants : des argiles pontées dérivées
d'une montmorillonite. Celle-ci a été modifiée par différents polycations (fer, titane et aluminium) de façon à créer des sites
favorables à l'adsorption. L'adsorption a été réalisée selon différentes conditions, et dans des milieux plus ou moins complexes.
Il s'avère que les (oxy)hydroxydes de fer fixent plus d'arsenic que les argiles pontées, tant sous la forme As(III) que As(V).
Néanmoins, l'étude de la désorption a montré que l'argile pontée au fer était le seul support régénérable quasiment à 100%.
Connaissant les différences de comportement selon la nature des espèces de l'arsenic inorganique As(III) et As(V), l'oxydation
de As(III) par différents oxydants usuels a été l'objet d'une partie de l'étude. Les oxydants testés sont H2O2, NaOCl, FeCl3,
KMnO4 et MnO2(s), couramment employés dans les traitements. De façon à quantifier la capacité oxydante de ces réactifs, une
méthode colorimétrique a été développée. Celle-ci, facilement transposable sur le terrain, peut être appliquée aux eaux peu
chargées en phosphate avec une limite de quantification de 20 µg As/L. Il s'avère que les oxydants les plus facilement
utilisables dans une unité de potabilisation sont KMnO4 et FeCl3. A la suite de cette étude, un support à base d'une résine de
polystyrène recouverte d'oxyde de manganèse a été synthétisé. Ce solide combine des propriétés d'oxydation et d'adsorption
simultanées. Les capacités d'adsorption de ce solide vis-à-vis de As(V) et de As(III) sont remarquables et supérieures à une
majorité des adsorbants étudiés récemment.
La dernière partie a consisté en l'étude de la faisabilité des procédés mis au point sur un milieu plus proche des conditions
naturelles. Pour cela, une eau artificielle représentative des eaux de type granitique, habituellement concernées par la pollution
arséniée, a été préparée à partir de la compilation des compositions d'eaux souterraines destinées à la production d'eau potable.
Ainsi, les concentrations en ions majeurs communes à ces eaux ont pu être déterminées. Cette eau artificielle a ensuite été
utilisée après dopage en As(III) et As(V) dans diverses expériences d'oxydation et d'adsorption de façon à appréhender les
mécanismes mis en jeu dans le milieu naturel. Il apparaît que les ions majeurs ont peu d'influence sur ces procédés, démontrant
leur applicabilité au sein d'une filière de traitement.
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