Compact photocatalytic reactors for water treatment : mass and photon transfer issues

par Shuzhen Zhou

Thèse de doctorat en Catalyse

Sous la direction de Claude de Bellefon et de Dominique Richard.

Soutenue le 19-12-2014

à Lyon 1 , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire de Génie des Procédés Catalytiques (CPE) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Marc Chovelon.

Le jury était composé de Cédric Vallet.

Les rapporteurs étaient Caroline Andriantsiferana, Albin Pintar.

  • Titre traduit

    Conception, caractérisation et application d'un réacteur photocatalytique compact pour le traitement de l'eau en espace restreint


  • Résumé

    Le but de ce travail est de concevoir, opérer et caractériser un réacteur photo-catalytique compact qui opère en régime non limité par le transfert de matière et le transfert de la lumière. Plus particulièrement, il s'agit de traiter de l'eau polluée par un principe pharmaceutique, le diclofénac (DCF) dans un pilote à l'échelle du laboratoire et, essentiellement, de fournir les données quantitatives pour le dimensionnement d'un pilote industriel. La fabrication du dépôt du photocatalyseur TiO2, la désactivation, les transferts interne et externe de matière et l'extinction lumineuse dans la couche de TiO2 ont été étudiés expérimentalement. Les paramètres opératoires – débits, concentration initiale de MB et d'oxygène, intensité lumineuse, épaisseur du dépôt – ont été variés. Un modèle de simulation du réacteur a été construit qui incorpore les transferts externe et interne de matière et l'extinction lumineuse dans le cas d'une molécule modèle, le bleu de méthylène (MB). Enfin, à l'aide d'outils de résolution numérique, les paramètres du modèle ont été déterminées. Cette méthodologie a ensuite été appliquée partiellement à la molécule cible, le DCF, en combinant hydrogénation et photocatalyse. Pour le dépôt de catalyseur (TiO2-P25), la méthode de dépôt par gouttes a été sélectionnée car conduisant à une large gamme d'épaisseurs. La densité du catalyseur déposé a été déterminée ce qui a permis de mettre au point une méthode d'évaluation rapide de l'épaisseur du film par simple pesée. Le coefficient d'extinction du rayonnement UV utilisé dans ce travail à travers le film de TiO2 a été déterminé et comparé favorablement avec les données de la bibliographie. Le composé DCF a été dégradé par hydrogénation et par oxydation photocatalytique. L'hydrogénation se révèle être une méthode de choix pour l hydrodéchloration et l'hydrodéaromatisation du DCF dans l'eau en présence d'un catalyseur au ruthénium déposé sur charbon actif (5%Ru, 59.7% H2O, type H 101B Degussa) à 60°C et 25 bars. Les résultats de cette recherche peuvent potentiellement s'appliquer à d'autres secteurs industriels où des systèmes compacts sont nécessaires


  • Résumé

    In this work, we aim to overcome photon transfer limitations and mass transfer limitations to design, operate and characterize a compact photocatalytic reactor to remove the pharmaceutical pollutant diclofenac (DCF) in a laboratory pilot reactor, and further to produce metrics for the design of a full scale industrial pilot. Metrics include rate law for pollutant degradation, optimal photocatalytic film thickness, catalyst deactivation law, light distribution, geometry, etc. under process conditions. Catalyst deposition, kinetics, catalyst deactivation; external and internal mass transfer and UV light diffusion in TiO2 film, etc. were studied with a model molecule methylene blue (MB) and operation parameters - flow rate, initial concentration of MB, light intensity, thickness of catalyst film, dissolved oxygen, etc - on MB photocatalytic degradation were investigated. A reactor model was built considering the mass transfer and light extinction issues. Numerical integration was performed to fit the experimental data to determine the intrinsic rate constant and order of light intensity. This methodology was then applied albeit partially to the targeted DCF, combined photocatalysis together with hydrogenation technology. Drop-coating method was chosen mainly for catalyst deposition and a wide range of catalyst (TiO2 P25) film was got with this method. A method to get and use the density of the catalyst film was performed to determine the thickness of deposited catalyst film. The extinction coefficients of the Pyrex glass and TiO2-P25 film were measured experimentally and compatible with literature data. DCF was degraded by photocatalysis and hydrogenation. Hydrogenation was proved to be effective for hydrodechlorination and hydrodearomatisation of DCF in water in the presence of Ru/C catalyst (5% Ru, Type H 101B Degussa) at 60°C and around 25 bars. This research can also be applied to other industrial sectors (off-shore platforms, “inside-thecity” production units, etc.) where such compact process may be required

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