Phototransformation de polluants organiques à la surface de sol : études cinétique et analytique sur supports modèles et sur sol réel

Phototransformation of organic polluants at the surface of soil : kinetic and analytical studies at the surface of model supports and on real soil

• Auteur / Autrice : Marie Siampiringue
• Direction : Mohamed Sarakha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie-Physique
• Date : Soutenance le 21/06/2011
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de Photochimie Moléculaire et Macromoléculaire
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : (PMM) Photochimie moléculaire et macromoléculaire
• Jury : Président / Présidente : Daniel Zambon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Robert, Davide Vione, Matthieu Ménager, Pascal Wong-Wah-Chung, Sylvie Nelieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Robert, Davide Vione

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photochimie

Polluants organiques

Mots clés libres

Photochimie

Sol

Argiles

Rendement quantique

Matière organique

Irradiation solaire

Carbaryl

Phénylbenzoquinone

Phototransformation

Photochemistry

Soil

Clay

Quantum yield

Organic matter

Solar irradiation

Carbaryl

Phenylbenzoquine

Phototransformation

Résumé

Cette thèse porte sur l’étude de la transformation de polluants organiques à la surface du sol sous l’effet de la lumière. Deux principaux composés organiques ont été utilisés : une molécule modèle, la phénylbenzo-quinone (PhQ) ; et un pesticide de la famille des carbamates, le carbaryl. Nous avons travaillé sur différents supports : trois supports modèles (silice, sable de Fontainebleau et kaolinite) et sur un sol de la région d’Orange. La phototransformation a été réalisée en utilisant un dispositif qui simule le rayonnement solaire (l>300nm). L’étude des propriétés spectroscopiques de PhQ sur support solide a permis de montrer un élargissement de la bande d’absorption et des effets bathochrome et hyperchrome. Lors de l’irradiation, la concentration et l’épaisseur des films se sont avérés être des paramètres importants à considérer afin de tenir compte respectivement l’effet d’écran et le phénomène de diffusion. Une valeur limite de l’épaisseur égale à 100 μm a été déterminée afin de s’affranchir du processus de diffusion. Le mécanisme de transformation de PhQ s’est avéré être identique à celui observé dans l’eau avec la formation d’un unique produit, la 2-hydroxydibenzofuranne, et la mise en évidence de l’état excité triplet de PhQ. La présence d’eau influence la phototransformation du composé en augmentant la vitesse de transformation. Ceci s’explique par une modification des propriétés d’absorption du support humide qui favorise la pénétration de la lumière. Suite à cette première étude, un travail plus complexe a été entrepris sur la photodégradation du carbaryl à la surface de supports modèles. Le coefficient d’absorption molaire sur la kaolinite et le rendement quantique de transformation ont pu être déterminés pour le carbaryl et d’autres composés organiques. Ceci nous a permis de confirmer l’effet bathochrome, l’effet hyperchrome, ainsi que l’augmentation du rendement quantique : augmentation d’un facteur 10 pour le carbaryl. Les études cinétiques ont montré que la dégradation du carbaryl est effective sur tous les supports. A l’aide des propriétés physico-chimiques des supports, nous avons pu émettre l’hypothèse que la taille des particules contrôle la photodégradation. Celle-ci est plus efficace avec des particules de grande taille, du fait de la meilleure pénétration des photons. Enfin à l’aide d’une étude analytique poussée et de la mise en évidence de la formation de HO• et 1O2, nous avons proposé un mécanisme de photodégradation impliquant des réactions de PhotoFries, de photohydrolyse, de dimérisation et d’hydroxylation. Dans la deuxième partie des travaux sur le sol réel, un protocole original a été mis en oeuvre. Il consiste en un fractionnement préalable du sol suivi d’un traitement chimique afin d’atténuer l’impact de la matière organique. Il a été montré que la dégradation sur le sol et ses fractions est efficace et que la matière organique a un effet bénéfique, à faible concentration, et inhibiteur, à forte concentration, sur la transformation du carbaryl. De plus, le fractionnement a révélé que la photodégradation est d’autant plus importante que les fractions sont constituées de particules de grande taille. Enfin, la formation d’espèces réactives (HO• et 1O2) a été observée systématiquement et plus efficacement pour les fractions sans matière organique suggérant des processus de transformation attribuables à la partie minérale des supports.

This study focuses on the transformation of organic pollutants on soil surface under the influence of the light excitation. Two main organic compounds were used as model molecules, phenylbenzoquinone (PhQ) and a carbamate pesticide, carbaryl. We used several supports : three model supports (silica, sand of Fontainebleau and kaolinite) and a real soil of the region of Orange (France). The phototransformation was carried out using a device that simulates the solar radiation (l > 300 nm). The study of the spectroscopic features of PhQ on solid support shows a broad band of absorption that presents bathochromic and hyperchromic effects. During irradiation, the concentration and the thickness of film were found to be important parameters to be considered in order to avoid the screen as well as diffusion effect. The optimal value of the thickness was determined roughly to 100 μm in order to minimise the diffusion effect. The mechanism of transformation of PhQ is similar to that observed in aqueous solution with the formation of the unique photoproduct 2-hydroxybenzofuran. The process involves the triplet excited state of PhQ. After this work, the first studies are on the phototransformation of carbaryl and other pesticides on model supports. Furthermore, the molar absorption coefficient and quantum yield have been determined in order to confirm the bathochromic and hyperchromic effect and also the increase of the quantum yield (10 times for carbaryl). The degradation process was most effective when the particle size increases. Moreover, from the analytical studies the photodegradation mechanism was suggested involving several reactions such as photofries, photohydrolyse, dimerisation and hydroxylation. The second part of the present work was dedicated to the study on real soil. An original protocol had to be set up. It consisted on a prefractionation of soil followed by a chemical treatment to minimise the impact of organic matter. Concerning the phototransformation of carbaryl, it was shown that the degradation at the surface of soil and its fractions is effective and that the organic matter has a beneficial effect at low concentrations and inhibition effect at high concentrations. Furthermore, fractionation revealed that photodegradation is more important when the fractions are composed of large particles. Finally, the formation of reactive species (HO• and 1O2) was observed consistently and efficiently for fractions without organic matter suggesting transformation processes induced by the mineral part of the supports.