Carbon felt modifications for electro-Fenton process towards zero energy depollution

par Thi Xuan Huong Le

Thèse de doctorat en Chimie séparative, matériaux et procédés

Sous la direction de Marc Cretin.

Soutenue le 06-03-2017

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec Institut Européen des membranes (Montpellier) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Modifications de feutres de carbone pour le procédé électro-Fenton : application à un système de dépollution de type pile à combustible


  • Résumé

    Ce manuscrit de thèse est consacré à la modification de feutres de carbone pour la préparation de matériaux d’électrodes hautement performants pour le procédé électro-Fenton (EF), appliqué aux traitements des eaux chargées en polluants bioréfractaires. Dans un premier temps, des feutres de carbone commerciaux (CF) ont été mis en œuvre pour optimiser l'élimination de colorants (Acide Orange) et de produits pharmaceutiques (Paracétamol). Les chemins réactionnels conduisant à la minéralisation de ces polluants bioréfractaires ont été élucidés et la toxicité des sous-produits identifiés a été déterminée à différents temps d’électrolyse. Dans la suite du travail, une nouvelle cathode a été préparée par dépôt électrochimique d'oxyde de graphène réduit (rGO) sur la surface des feutres de carbone commerciaux. Divers moyens de réduction ont été étudiés et les propriétés structurales et texturales de l'électrode modifiée ont été déterminées par microscope électronique à balayage, diffraction des rayons X, Spectrométrie photoélectronique X, BET et mesure d'angle de contact. La cathode élaborée présente une bonne stabilité et une grande efficacité de traitement lorsqu'elle est appliquée pour décomposer l’Acide Orange 7 (AO7), la molécule de colorant azoïque modèle choisie. Dans une dernière partie du travail, nous avons proposé un système original de traitement électrochimique de type EF à base d’une pile à glucose. Dans ce système, l’énergie nécessaire est fournie par l’oxydation du glucose à l’anode, sur feutre de carbone décoré de nanoparticules d’or alors que la cathode est constituée du feutre modifié par un carbone microporeux dopé en azote présentant des propriétés d’électrocatalyse compatibles à la réduction de l’oxygène en peroxyde d’hydrogène dans la cellule de type pile à combustible. Le manuscrit présente la synthèse et la caractérisation de ces deux électrodes. L’originalité du travail réside en la quantité particulièrement faible d’or nécessaire à l’anode et au potentiel de réduction de l’oxygène particulièrement haut obtenus sur les carbones microporeux dopés à l’azote. Les propriétés catalytiques de l'anode et de la cathode ont induit une densité de courant de sortie stable (360,3 ± 51,5 mA.m-2 à 400 ± 50 mV) et maintenue à long terme. En conséquence, 90% de la concentration initiale du polluant (AO7) a été éliminée après une dégradation prolongée de 10 h. La puissance de la cellule est faible (170 mW.m-2) mais constante au moins pendant deux mois. Cette première preuve de concept d'un système abiotique de type pile à combustible - Fenton a démontré une efficacité élevée vis-à-vis de la dégradation des polluants bioréfractaires avec un énorme potentiel dans les domaines liés à l'énergie et la protection de l’environnement.


  • Résumé

    This thesis manuscript presented the modification and application of carbon felt material for wastewater treatment accommodating biorefractory pollutants by electro-Fenton (EF) process. First of all, the optimal condition of EF treatment for dye/pharmaceuticals removal using commercial carbon felt (CF) was investigated. From that, the degradation pathways in the relationship with the toxicity of their by-products were built and proposed. Concerning the modification for commercial CF, a new cathode was set up by electrochemical deposition of reduced Graphene Oxide (rGO) on the surface of CF via various reduction ways. The structure property of modified electrode was investigated by SEM, XRD, XPS, BET and contact angle measurement. The new cathode exhibited good stability and high treatment efficiency when it was applied to decompose Acid Orange 7 (AO7), a model azo dye molecule. The EF treatment was also developed further by contributing a new Fuel-cell Fenton system without any external power supply. In this approach, AO7 was continuously chosen to degrade by electro-Fenton process at a designed cathode (Carbon Felt (CF)/porous Carbon (pC)) supplied by direct clean electrical energy from abiotic glucose oxidation at a CF/gold anode (CF@Au). The catalytic properties of both anode and cathode induced a stable output current density of 360.3 ± 51.5 mA m−2 at 400 ± 50 mV, maintained for long-term period. As a consequence, 90 % of the initial concentration of the pollutant, identified by HPLC analysis, was eliminated upon extended EF degradation for 10 h, and the cell power output of 170 mW m-2 was stable at least for two months. Hence, this first proof of concept of an abiotic Fuel cell – Fenton system demonstrated a high efficiency towards pollutant degradation with a huge potential in both energy-related areas and environmental protection.


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