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Évaluation du potentiel de réutilisation successive de la chabazite et de la solution de régénération dans un processus d'électro-conversion de l'azote ammoniacal fixé sur un milieu zéolitique

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Yousfi, Amir (2020). Évaluation du potentiel de réutilisation successive de la chabazite et de la solution de régénération dans un processus d'électro-conversion de l'azote ammoniacal fixé sur un milieu zéolitique. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La production continue d’azote ammoniacal par les activités anthropiques ainsi que les limites opérationnelles et économiques des techniques actuelles de traitement disponibles engendrent une pollution azotée dans l’environnement avec des conséquences diverses, dont la toxicité des milieux aqueux récepteurs et l’eutrophisation des cours d’eau et des lacs. La présente étude aborde le processus d’électro-conversion de l’azote ammoniacal présent dans l’eau comme une alternative propre envers l’environnement et adaptable à l’industrie. L’objectif général consiste à évaluer la régénération successive d’une zéolite (chabazite) ainsi que la réutilisation de la solution de régénération employée dans un procédé hybride qui combine à la fois la fixation de l’azote ammoniacal sur une zéolite et son traitement électrochimique par électroconversion. Le projet vise également à préciser l’effet des paramètres électriques et de la composition de la solution de régénération sur les rendements d’enlèvement d’azote ammoniacal de la zéolite ainsi sur sa transformation sous différentes formes. Différentes électrodes ou combinaisons d’électrodes (acier doux, acier inoxydable, titane, nickel-cuivre) et solutions électrolytiques (à bases de NaCl, KCl, LiCl, CaCl2∙2H2O, MgCl2∙6H2O, NaOCl) ont été testées en fonction de leur consommation électrique, ce qui a permis de choisir l’acier doux comme anode, l’acier inoxydable comme cathode ainsi que le NaCl et le NaOCl comme produits de bases pour les solutions électrolytiques. Des essais de régénération de la zéolite réalisés avec de différentes compositions de solutions électrolytiques ont montré que le mélange NaOCl-NaCl dans la solution de régénération dégrade les rendements d’électroconversion. L’eau potable et la solution de NaCl (13 mg Cl-/L) avec une intensité surfacique de courant de 3,68 mA/cm2 ont par ailleurs conduit à des taux respectifs d’enlèvement d’azote de la zéolite de 29 % (dont 75 % transformée en N2) et de 25 % (dont 61% produit dans la solution). Des essais de régénération successive de la zéolite (en conservant la zéolite mais en renouvelant la solution de régénération) et de réutilisation de la solution de régénération (en conservant la solution de régénération mais en renouvelant la zéolite) ont ensuite été réalisés. Les résultats ont montré que la réutilisation successive de la chabazite n’interfère pas dans le processus d’électro-conversion et que la chabazite conserve sa capacité de fixation de l’azote ammoniacal (près de 98 %) après neuf cycles. Les essais de réutilisation successive de la solution de régénération ont quant à eux démontré une amélioration du processus d’électroconversion de l’azote ammoniacal avec des rendements respectifs de près de 40 % et 35 % pour l’eau potable et la solution de NaCl (13 mg Cl-/L). Les concentrations d’azote ammoniacal, de nitrites et de nitrates dans la solution varient au cours des cycles de traitement, sans toutefois dépasser les valeurs seuils de 80 mg N-NH4+/L, 2,73 mg N-NO2-/L et 1,58 mg N- NO3-/L. La réutilisation successive de la solution de régénération à base de NaCl permet d’améliorer le taux de conversion de l’azote jusqu’à l’atteinte de valeurs variant entre 81 % à 92 %, dont près de 10 % serait évaporés dans l’air par processus de strippage. Cette perte pourrait toutefois être évitée par l’amélioration de la circulation de la solution dans le réacteur de telle sorte que la phase liquide et la phase gazeuse demeurent séparées.

Titre traduit

Evaluation of the potential for successive reuse of chabazite and of the regeneration solution in an electro- conversion process of ammoniacal nitrogen fixed on a zeolite environment

Résumé traduit

The continuous production of ammoniacal nitrogen by anthropogenic activities as well as the operational and economic limits of the current available treatment techniques generate nitrogen pollution in the environment with various consequences, including the toxicity of the receiving aqueous media and the eutrophication of water courses, water and lakes. This study addresses the process of electro-conversion of ammoniacal nitrogen present in water as an environmentally friendly alternative that is adaptable to industry. The general objective is to evaluate the successive regeneration of a zeolite (chabazite) as well as the reuse of the regeneration solution used in a hybrid process which combines both the fixation of ammoniacal nitrogen on a zeolite and its electrochemical treatment by electro-conversion. The present study also aims to clarify the effect of the electrical parameters and the composition of the regeneration solution on the ammoniacal nitrogen removal yields of the zeolite as well as on its transformation into different forms. Different electrodes or combinations of electrodes (mild steel, stainless steel, titanium, nickel-copper) and electrolytic solutions (based on NaCl, KCl, LiCl, CaCl2∙2H2O, MgCl2∙6H2O, NaOCl) were tested according to their electrical consumption, which made it possible to choose mild steel as an anode, stainless steel as cathode as well as NaCl and NaOCl as base products for electrolytic solutions. Zeolite regeneration tests carried out with different compositions of electrolytic solutions showed that the NaOCl-NaCl mixture in the regeneration solution degraded the electro-conversion yields. Drinking water and the NaCl solution (13 mg Cl- / L) with a current surface intensity of 3,68 mA/cm2 also led to respective rates of nitrogen removal from the zeolite of 29 % (of which 75 % transformed into N2) and 25 % (of which 61 % produced in solution). Successive zeolite regeneration tests (retaining the zeolite but renewing the regeneration solution) and reuse of the regeneration solution (retaining the regeneration solution but renewing the zeolite) were then carried out. The results showed that the successive reuse of chabazite does not interfere with the electro-conversion process and that the chabazite retains its ammoniacal nitrogen fixation capacity (nearly 98 %) after nine cycles. The successive reuse tests of the regeneration solution have shown an improvement in the electro-conversion process of ammoniacal nitrogen with respective yields of nearly 40 % and 35 % for tap water and the solution of NaCl (13 mg Cl-/L). The concentrations of ammoniacal nitrogen, nitrites and nitrates in the solution vary during the treatment cycles, without however exceeding the threshold values of 80 mg N- NH4+/L, 2,73 mg N-NO2-/L and 1,58 mg N-NO3-/L. The successive reuse of the NaCl regeneration solution makes it possible to improve the rate of nitrogen conversion until values ranging between 81 % to 92 % are reached, of which nearly 10 % would be evaporated in the air by stripping process. This loss could however be avoided by improving the circulation of the solution in the reactor so that the liquid phase and the gas phase remain separate.

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 115-125).
Mots-clés libres: azote ammoniacal, chabazite, électro-conversion, solution de régénération, réutilisation successive
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Monette, Frédéric
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de l'environnement
Date de dépôt: 07 sept. 2021 17:27
Dernière modification: 24 sept. 2021 17:59
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2682

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