Coupling adsorption and advanced oxidation processes for the elimination of biorecalcitrant pollutants in aqueous media
Couplage adsorption-procédés d'oxydation avancée pour l'élimination de polluants biorécalcitrants en milieu aqueux
Résumé
This study is part of the development of new economically viable methods of treating water pollution that is refractory to conventional (biological) processes. Advanced oxidation technologies integrating a heterogeneous phase such as catalytic ozonation or photocatalysis are among the most effective techniques. The ozonation was coupled with a material resulting from the recycling and the valorization of waste of Côte d’Ivoire. The objective of this study was to develop hybrid methods coupling adsorption and these advanced oxidation methods to remove phenol organic micropollutants. The 2,4-dimethylphenol molecule (2,4-DMP) was chosen as a model pollutant and the tests were carried out on a synthetic aqueous solution of 2,4-DMP and on a real wastewater containing this micropollutant. The first part of the work involved the development of the innovative material, under varying operating conditions. Activated carbons were prepared from branches of rônier and bamboo stems. The textural, structural and physicochemical characterization of the adsorbents has been carried out using conventional techniques, showing excellent properties, especially BET surfaces greater than 840 m2.g-1. The materials developed were tested in a 2,4-DMP adsorption process, showing good removal abilities, both with the synthetic aqueous solution and with the actual effluent. These tests made it possible to select an activated carbon based on rônier branches (ACR) for the oxidation process tests. The effectiveness of the input of this activated carbon was tested on a treatment pilot, coupling ozonation and adsorption. Two coupling modes were tested, simultaneous ozonation/adsorption treatment and sequential ozonation treatment followed by adsorption and comparisons with a simple ozonation process were analyzed. In both cases, the addition of activated carbon had a positive effect on the overall degradation kinetics of the 2,4-dimethylphenol molecule, with, however, a TOC residual difficult to remove. This activated carbon has been shown to be a promoter of free radicals, active in both homogeneous and heterogeneous phases. Four mechanisms have thus been demonstrated in the micropollutant elimination phenomenon: adsorption, molecular oxidation and homogeneous and heterogeneous radical oxidation. Finally, photocatalytic degradation tests were conducted with a composite catalyst, TiO2/activated carbon (fibers) and with TiO2 powder and deposited on a glass plate. The irradiation was carried out with a UV lamp in a conventional batch reactor, giving good efficiencies then with a LEDs panel at 365 nm in a closed-loop reactor. Two modes of operation were tested: a simultaneous adsorption/photocatalysis mode which did not make it possible to highlight the contribution of the irradiation and a sequential mode. This second procedure made it possible to demonstrate the photocatalytic effect of the deposit for a sufficiently long duration of irradiation.
Cette étude s’inscrit dans la thématique du développement de méthodes économiquement viables de traitement de la pollution des eaux usées réfractaires aux procédés (biologiques) classiques. Les technologies d’oxydation avancée intégrant une phase hétérogène telles que l’ozonation catalytique ou la photocatalyse font partie des techniques les plus efficaces. L’ozonation a été couplée avec un matériau issu du recyclage et de la valorisation de déchets de Côte d’Ivoire. L’objectif de cette étude était d’élaborer des méthodes hybrides couplant l’adsorption et ces méthodes d’oxydation avancée pour éliminer des micropolluants organiques phénolés. La molécule de 2,4-diméthylphénol (2,4-DMP) a été choisie comme polluant modèle et les essais ont été réalisés sur une solution aqueuse synthétique de 2,4-DMP et sur une eau usée réelle contenant ce micropolluant. La première partie du travail a consisté en l’élaboration du matériau innovant, dans des conditions opératoires variables. Les charbons actifs ont été préparés à partir de branches de rônier et de tiges de bambou. La caractérisation texturale, structurale et physicochimique des adsorbants a été réalisée avec les techniques classiques, montrant d’excellentes propriétés, notamment des surfaces BET supérieures à 840 m2.g-1. Les matériaux élaborés ont été testés dans un procédé d’adsorption du 2,4-DMP, montrant de bonnes capacités d’élimination, autant avec la solution aqueuse synthétique qu’avec l’effluent réel. Ces essais ont permis de sélectionner un charbon actif à base de branches de rônier (CAR) pour les tests de procédés d’oxydation. L’efficacité de l’apport de ce charbon actif a été testée sur un pilote de traitement, couplant l’ozonation et l’adsorption. Deux modes de couplage ont été testés, un traitement simultané ozonation/adsorption et un traitement séquentiel ozonation suivie de l’adsorption et les comparaisons avec un procédé d’ozonation simple ont été analysées. Dans les deux cas, l’ajout de charbon actif a eu un effet positif sur la cinétique globale de dégradation de la molécule de 2,4- diméthylphénol avec cependant un résiduel de COT difficile à éliminer. Il a été démontré que ce charbon actif était promoteur de radicaux libres, agissant aussi bien en phase homogène qu’hétérogène. Quatre mécanismes ont ainsi pu être mis en évidence dans le phénomène d’élimination du micropolluant : l’adsorption, l’oxydation moléculaire et l’oxydation radicalaire homogène et hétérogène. Enfin, des essais de dégradation photocatalytique ont été menés avec un catalyseur composite, TiO2/charbon actif (fibres) et avec du TiO2 en poudre et déposé sur plaque de verre. L’irradiation a été effectuée avec une lampe UV dans un réacteur batch classique, donnant de bonnes efficacités puis avec un panneau de LEDs à 365 nm dans un réacteur plan fonctionnant en boucle fermée. Deux modes de fonctionnement ont été testés : un mode simultané adsorption/photocatalyse qui n’a pas permis de mettre en évidence l’apport de l’irradiation et un mode séquentiel. Ce second mode opératoire a permis de mettre en évidence l’effet photocatalytique du dépôt pour une durée d’irradiation suffisamment longue.
Origine : Version validée par le jury (STAR)