Activation of homogeneous and heterogeneous Fenton processes by ultrasound and ultraviolet/visible irradiations for the removal of ibuprofen in water

par Sandyanto Adityosulindro

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Carine Julcour-Lebigue et de Laurie Barthe.

Soutenue le 07-04-2017

à Toulouse, INPT , dans le cadre de Laboratoire de génie chimique (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire de génie chimique (Toulouse) (laboratoire) .

Le président du jury était Frank Stüber.

Le jury était composé de Carine Julcour-Lebigue, Laurie Barthe, Frank Stüber, Stéphane Baup, Henri Delmas, Dominique Wolbert.

Les rapporteurs étaient Frank Stüber, Stéphane Baup.

  • Titre traduit

    Activation du procédé Fenton (homogène et hétérogène) par irradiation ultrasonore et rayonnement ultraviolet / visible pour l'élimination de l'ibuprofène dans l'eau


  • Résumé

    Du fait de sa consommation en plein essor et d’une élimination partielle par les procédés conventionnels de traitement des eaux, l'ibuprofène, un médicament anti-inflammatoire non stéroïdien, a été détecté dans les ressources en eau, suscitant de plus en plus d'inquiétude quant à son impact possible sur l'environnement et la santé. Par ailleurs, les procédés d'oxydation avancée (POA), parmi lesquels la réaction Fenton, ont montré d’excellents résultats pour l'élimination de divers composés organiques. Traditionnellement basé sur l'utilisation du peroxyde d'hydrogène et des ions ferreux en solution, l'application à grande échelle de ce POA est encore limitée par une fenêtre de pH étroite (2 à 4) et une récupération difficile du catalyseur à base de fer. Ce travail a étudié l'oxydation Fenton de l'ibuprofène et l'activation de la réaction par irradiation ultrasonore (US) et rayonnement ultraviolet/visible (UV/Vis) et de manière à abaisser la concentration de fer dissous ou à améliorer l'activité de catalyseurs hétérogènes. A cet effet, on a d'abord évalué l'efficacité des POA individuels homogènes (sonolyse, photolyse, sono- et photo-oxydation avec H2O2, oxydation Fenton), en fonction de paramètres opératoires tels que la longueur d'onde lumineuse et la fréquence ultrasonore. Ensuite, on a examiné leurs combinaisons deux-par-deux et globale (sonophotolyse, oxydation sono-, photo- et sono-photo- Fenton) en mettant l'accent sur l'identification d'effets synergiques. En particulier, les oxydations US/Fenton et Vis/Fenton se sont révélées plus efficaces que la somme des procédés individuels grâce à la sono- et photo-régénération des ions ferreux. Ces résultats ont également servi de référence pour l'évaluation des systèmes hétérogènes. Parmi les solides testés, on a montré qu’une zéolite dopée au fer (de type Fe/ZSM5) était un catalyseur prometteur pour l'oxydation de l'ibuprofène par le peroxyde, en raison d'une efficacité élevée à pH naturel et d’une faible lixiviation du fer. Cependant, dans ce cas, on n’a observé au mieux qu'une addition d’effets des ultrasons ou de la lumière et de l'oxydation Fenton hétérogène. Outre la conversion du polluant et du carbone organique total (COT), la formation des principaux produits de dégradation a été suivie pour différents procédés et des voies possibles de dégradation ont été proposées. L’effet matrice a également été examiné en utilisant un effluent de station, qui a eu pour conséquence de réduire la performance de tous les procédés d'oxydation, en raison d'un pH tampon alcalin ou de l’atténuation de la lumière.


  • Résumé

    Due to booming consumption and only partial removal by conventional water treatment processes, ibuprofen, a non-steroidal anti-inflammatory drug, has been detected in water resources, raising increasing concerns for possible environmental and health impact. On the other hand, advanced oxidation processes (AOPs), among which Fenton reaction, have shown successful results forremoval of various organic compounds. Traditionally based on the use of hydrogen peroxide and ferrous ions in solution, large-scale application of this AOP is still limited by narrow pH window (2 to 4) and uneasy recovery of iron catalyst. This work investigated Fenton-based oxidation of ibuprofen, and reaction activation by ultrasound (US) irradiation and ultraviolet/visible light (UV/Vis) so as to lower the required concentration of dissolved iron catalyst or improve the activity of heterogeneous counterparts. To that purpose, the efficacy of individual homogeneous AOPs (sonolysis, photolysis, ultrasound/H2O2, light/H2O2, Fenton oxidation) was evaluated first, varying operating parameters such as light wavelength and ultrasound frequency. Then, their two-by-two and overall combinations (sonophotolysis, sono-Fenton, photo-Fenton and sono-photo-Fenton oxidation) were examined with emphasis on the identification of synergistic effects. In particular, combined US/Fenton and Vis/Fenton oxidation were found more effective than the sum of individualprocesses due to sono- and photo-regeneration of ferrous ions. These results also served as a reference for the assessment of heterogeneous systems. Among tested solids, iron-containing zeolite (Fe-ZSM5 type) was shown to be a promising catalyst for peroxide oxidation of ibuprofen due to high efficiency at natural pH and low iron leaching. However, in this case, no more than additive effects was observed between ultrasound/light irradiation and heterogeneous Fenton oxidation. Beside pollutant and Total Organic Carbon conversion, main degradation products were monitored for different processes and some plausible degradation pathways were proposed. Water matrix impact was also addressed using wastewater plant effluent, which resulted into hindered performance of all oxidation processes either due to alkaline buffer or light attenuation effect.


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