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Analyse multivariée et optimisation par la méthode des surfaces de réponses (MSR) de l’électro-conversion de l’azote ammoniacal en condition saline

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Cisse, Moussa (2020). Analyse multivariée et optimisation par la méthode des surfaces de réponses (MSR) de l’électro-conversion de l’azote ammoniacal en condition saline. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les concentrations élevées d’azote ammoniacal dans le lieu naturel liées aux activités anthropiques, affectent de façon néfaste les qualités physiques et biologiques de l’environnement. Les techniques de traitement physique, biologique et géochimique de ce polluant sont contraignantes sur le plan opérationnel, économique et parfois environnemental. La méthode électrochimique est de plus en plus prospectée dans un contexte d’amélioration du procédé pour un meilleur impact environnemental et économique. L’objectif de cette étude consiste à évaluer la performance d’une combinaison du dispositif électrochimique monopolaire avec la chabazite en milieu salin pour l’électro-conversion de l’azote ammoniacal. Après des essais préliminaires qui ont permis de choisir les sels MgCl2·6H2O et NaCl, des essais électrochimiques à 3 V ont offert une performance supérieure en présence de 3 g Cl-/L de NaCl avec 49,6% de rendement et moins de 1% de nitrate et de nitrite. L’analyse des paramètres électrochimiques et chimiques et l’Analyse en Composantes Principales (ACP) ont mis en évidence les effets négatifs de la variation du pH et ceux des réactions d’acidification et de complexation en présence du sel MgCl2·6H2O sur le rendement d’électro-conversion de N-NH4+. L’ACP a identifié la salinité et l’énergie comme étant les facteurs prépondérants à cette électro-conversion. Sur cette base, l’analyse factorielle avec la méthode de rotation par VARIMAX a permis de sélectionner la Tension Électrique (TE), la Concentration en ions Chlorures (CC) et la concentration Finale en ions Hydrogènes (HF) pour la construction du modèle de Rendement Électro-conversion de N-NH4+ (RE). L’analyse des variances (ANOVA) a par la suite montré que la concentration Finale en ions Hydrogènes (HF) n’est pas significative à la réponse du modèle. Ce modèle d’optimisation par la Méthode des Surfaces de Réponses (MSR) a donc été construit à l’aide d’un plan factoriel à trois niveaux par facteur avec les variables Tension Électrique (TE) et Concentration en ions Chlorures (CC). Le modèle de rendement d’électro-conversion de N-NH4+ obtenu, avec 94 % de coefficient de détermination, indique un rendement de 68 % dans les conditions optimales de 12 V et de 3,97 g Cl-/L. L’analyse économique a permis d’évaluer un coût de 5,6 $/kg de N-NH4+ traité. Ce coût pourrait être diminué en évaluant les conditions de réutilisation de la solution de régénération et de la zéolite ainsi que, de remplacement des électrodes.

Titre traduit

Multivariate analysis and optimization by the response surface methodology (RSM) of the electro-conversion of ammonia nitrogen in saline conditions

Résumé traduit

High concentrations of ammoniacal nitrogen in the natural area related to human activities adversely affect the physical and biological quality of the environment. The physical, biological and geochemical treatment techniques for this pollutant are operational, economic and sometimes environmental. The electrochemical method is increasingly being explored in a context of process improvement for a better environmental and economic impact. The objective of this study is to evaluate the performance of a combination of the monopolar electrochemical device with chabazite in a saline environment for the electro-conversion of ammoniacal nitrogen. After the preliminary tests which made it possible to select the salts MgCl2 6H2O and NaCl, the electrochemical tests at 3 V give a superior performance in the presence of 3 g Cl-/L of NaCl 49.6% of yield and less than 1% of nitrate and nitrite. The analysis of the electrochemical and chemical parameters and the Principal Component Analysis (PCA) highlighted the negative effects of pH variation and of acidification and complexation reactions in the presence of the salt MgCl2 6H2O on the electro-conversion efficiency of N-NH4+. PCA identified salinity and energy as the primary factors in this electro-conversion. On this basis, the factor analysis with the rotation method by VARIMAX made it possible to select the Electrical Voltage (TE), the Chloride Ion Concentration (CC) and the Final Hydrogen Ion Concentration (HF) for the construction of the Electro-conversion yield model of N-NH4+ (RE). The analysis of variances (ANOVA) subsequently showed that the final concentration of hydrogen ions (HF) is not significant to the model response. This optimization model using the Response Surfaces Method (MSR) was therefore constructed using a three-level factor-by-factor design with the variables Electrical Voltage (TE) and Chloride Ion Concentration (CC). The electro-conversion efficiency model of N-NH4+ obtained with 94% determination coefficient indicates a yield of 68 % in optimal conditions of 12 V and 4 g Cl-/L. The economic analysis estimated a cost of $5.6/kg of N-NH4+ processed. This cost can be reduced by assessing the conditions for reuse of the regeneration solution and zeolite, and electrode replacement.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie de l'environnement". Comprend des références bibliographiques (pages 131-145).
Mots-clés libres: azote ammoniacal, électrochimie, zéolite, ACP, rendement, optimisation, MSR, modélisation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Monette, Frédéric
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de l'environnement
Date de dépôt: 29 juin 2020 20:35
Dernière modification: 29 juin 2020 20:35
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2489

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