Modélisation et Optimisation de l`adsorption des polluants organiques par les plans de surface de réponse

Abstract

Cette étude traite de la décontamination des systèmes aquatiques pollués par des colorants synthétiques récalcitrants, en ciblant le bleu de méthylène (BM) comme polluant organique modèle. La démarche repose sur la valorisation de déchets agricoles locaux, en l'occurrence les coques d'arachide (Arachis hypogaea L.), transformées en un biosorbant performant. Ce matériau a été soumis à une activation chimique double et séquentielle à l'aide d'acide chlorhydrique HCl, et d'hydroxyde de sodium NaOH, afin de développer sa porosité et de libérer ses sites actifs d'adsorption, sans recourir à un traitement thermique intensif. Les résultats de la caractérisation structurale par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) ont mis en évidence le succès de la modification de surface et l'apparition des groupements fonctionnels responsables de la fixation du colorant. Parallèlement, la diffraction des rayons X (DRX) a confirmé la préservation de la structure semi-cristalline du matériau tout en améliorant l'intensité de ses pics. Les essais d'adsorption ont été menés en mode discontinu (Batch) et le suivi de la concentration du colorant a été réalisé par spectroscopie UV-Visible. Les résultats indiquent que les conditions optimales d'adsorption sont atteintes au pH naturel du colorant (pH = 6,4). La cinétique expérimentale suit rigoureusement le modèle de pseudo-second ordre, tandis que les données d'équilibre s'ajustent parfaitement au modèle de Langmuir, révélant une capacité maximale d'adsorption de 118 mg/g. De plus, l'énergie d'adsorption calculée à partir du modèle de Dubinin-Radushkevich (DR) indique un mécanisme de physisorption. Les données expérimentales ont été couplées à une modélisation statistique par la méthodologie des surfaces de réponse (MSR) via un plan de Box-Behnken afin d'évaluer les interactions entre trois facteurs clés (pH, masse m et concentration C). L'analyse de la variance (ANOVA) a validé la fiabilité du modèle mathématique et a confirmé le rôle déterminant du pH en tant que facteur linéaire principal. Enfin, l'optimisation numérique par la fonction de désirabilité a défini les conditions théoriques optimales suivantes : pH = 9,11, concentration en colorant de 500 mg/L et masse de biosorbant de 107,57 mg. Ces conclusions démontrent l'efficacité de ce composite naturel activé chimiquement comme alternative économique et écologique prometteuse pour les technologies de traitement des eaux. تتناول هذه الدراسة معالجة مشكلة تلوث المنظومات المائية بالأصباغ الاصطناعية المستعصية، بالتركيز على صباغ ازرق ميثيلين (BM) كملوث عضوي نموذجى، وذلك عبر تثمين نفايات زراعية محلية متمثلة في قشور الفول السوداني وتحويلها إلى مسترجع حيوي بإخضاعها لتنشيط كيميائي مزدوج ومتسلسل باستخدام حمض الهيدروكلوريك (HCl, 1M) وهيدروكسيد الصوديوم (NaOH , 2M) لتطوير مساميتها وتحرير مواقع الامتزاز النشطة دون الحاجة لمعالجة حرارية مكثفة. أثبتت نتائج التوصيف البنيوي بواسطة مطيافية الأشعة تحت الحمراء (FTIR) نجاح التعديل السطحي وظهور المجموعات الوظيفية المسؤولة عن تثبيت الصباغ، في حين أكد حيود الأشعة السينية (DRX) المحافظة على البنية شبه البلورية للمادة مع تحسين شدة قممها. أُجريت تجارب الامتزاز بنظام (Batch)، وتم تتبع تركيز الصباغ باستعمال مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية (Uv-Vis). أظهرت النتائج أن الظروف المثلى للامتزاز تتحقق عند الرقم الهيدروجيني الطبيعي للصباغ (pH=6.4)، حيث خضعت الحركية التجريبية لنموذج الرتبة الكاذبة الثانية (Pseudo-second ordre)، وتطابقت بيانات التوازن بشكل دقيق مع نموذج لانغموير (Langmuir)، محققة سعة امتزاز قصوى بلغتmg/g 118، بينما أشارت طاقة الامتزاز المستخلصة من نموذج دوبينين-رادوشكيفيتش (DRK) إلى أن الآلية هي امتزاز فيزيائي (Physisorption). تم دمج البيانات التجريبية مع النمذجة الإحصائية عبر تطبيق منهجية أسطح الاستجابة (MSR) باستخدام تصميم ""بوكس-بينكن"" (Box-Behnken) لتقييم التفاعلات المتبادلة بين ثلاثة عوامل رئيسية (الـ pH، الكتلة m، والتركيز C)، حيث أكد تحليل التباين (ANOVA) موثوقية النموذج الرياضي وتأثير الـ pH الحاسم كعامل خطي رئيسي، لتُحدد الشروط المثلى النظرية عبر دالة الرغبة عند: pH =9.11، وتركيز صباغ mg/L500، وكتلة مسترجع قدرها 107.57mg، مما يثبت نجاعة هذا المركب الطبيعي المنشط كيميائيا كبديل اقتصادي وبيئي واعد في تقنيات معالجة المياه.