Procédé hybride couplant adsorption et photocatalyse pour le traitement de l'eau : élimination de la ciprofloxacine par des fibres de charbon actif fonctionnalisées avec du TiO2

Hybrid process coupling adsorption and photocatalysis for wastewater treatment : removal of ciprofloxacin by activated carbon fibers functionalized with TiO2

• Auteur / Autrice : Thibaut Triquet
• Direction : Caroline Andriantsiferana, Claire Tendero
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 03/02/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Karine Loubière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Andriantsiferana, Claire Tendero, Dominique Wolbert, Valérie Héquet, Julien Cambedouzou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Wolbert, Valérie Héquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Charbon actif

Adsorption

Eau -- Épuration

Photocatalyse

Mots clés libres

Adsorption

Photocatalyse

Fibres de charbon actif

TiO2

Traitement de l'eau

Catalyseur supporté

Adsorption

Photocatalysis

Activated Carbon Fibers

TiO2

Wastewater treatment

Supported catalyst

Résumé

Aujourd'hui, la présence de molécules toxiques dans les cours d'eau et le sous-sol entraîne des conséquences néfastes pour l'environnement. En effet, même à faible concentration, les expositions à long terme et les effets de mélange impliquent des risques pour la santé humaine. La persistance de ces polluants peut s'expliquer par l'inefficacité des méthodes conventionnelles de traitement des eaux industrielles. Les traitements biologiques classiques n'éliminent pas ces molécules, un traitement tertiaire final est donc nécessaire. Actuellement, les procédés d'oxydation avancée (photocatalyse, ozonation, Fenton H2O2/Fe2+, O3/UV ou O3/H2O2…) suscitent un grand intérêt. Parmi ces techniques, la photocatalyse consiste à utiliser un photocatalyseur sous irradiation UV pour oxyder les polluants présents dans l'eau. La plupart des études ont été réalisées avec de la poudre de TiO2, mais son principal inconvénient est le coût élevé de la filtration finale. Pour éviter cette opération, le catalyseur peut être déposé sur un matériau tel que le verre, le métal, les adsorbants... Un adsorbant tel que le charbon actif (CA) semble être un bon candidat pour ce procédé. En effet, le polluant peut être éliminé de l'eau, concentré à proximité du catalyseur et dégradé par photocatalyse. Malheureusement, l'irradiation des CA granulaires n'est pas facile et les fibres de charbon actif (ACF) se présentent comme une solution alternative pertinente : les ACF ont une surface spécifique élevée qui convient à l'adsorption et une forme adéquate pour l'irradiation UV. Dans cette thèse, la molécule cible choisie est la Ciprofloxacine (antibiotique) et le catalyseur TiO2 a été déposé sur un support en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur à partir d’un précurseur organométallique (MOCVD). Dans un premier temps, une étude cinétique de l'oxydation photocatalytique utilisant le verre comme support a été conduite pour montrer l'activité photocatalytique du dépôt sous irradiation UV de LED (365 nm). Ensuite, plusieurs ACF ont été comparées en termes de propriétés physiques et de cinétiques d’adsorption afin de sélectionner la plus adéquate. Enfin, un processus séquentiel impliquant l'adsorption sans UV et la photocatalyse sous UV a été mis en oeuvre en utilisant ce matériau composite avec une analyse complète des phases liquide (HPLC-MS, COT…) et solide (BET, SAXS…).

Nowadays, the presence of toxic molecules in waterways and underground involves harmful consequences for the environment. Indeed, even if their concentrations are low, long-term exposures and mixture effects imply human health hazards. The persistence of these pollutants can be explained by the inefficiency of conventional industrial water treatment methods. Classic biological treatments do not eliminate these molecules, a final tertiary treatment is therefore necessary. Currently there is a great deal of interest in Advanced Oxidation Processes (photocatalysis, ozonation, Fenton H2O2/Fe2+, O3/UV or O3/H2O2…) Among these techniques, the photocatalysis consists in using a photocatalyst under UV irradiation to oxidize pollutants present in water. Most of studies have been implemented with TiO2 powder but its principal drawback is the expensive final filtration. To prevent this operation, the catalyst can be deposited on a material such as glass, steel, adsorbent... Adsorbent such as activated carbon (AC) appears to be a good candidate. Indeed, the pollutant can be eliminated from the water, concentrated near the catalyst and degraded by photocatalysis. Unfortunately, irradiation of granular AC is not easy and activated carbon fibers (ACFs) seems to be a solution: ACFs have high specific area which is suitable for adsorption and an adequate shape for UV irradiation. In this thesis, the target molecule selected is Ciprofloxacin (antibiotic) and the TiO2 catalyst was deposited on support using Metalorganic Chemical Vapor Deposition technique (MOCVD). First, a kinetic study of photocatalytic oxidation using glass as support was investigated to show the photocatalytic activity of the deposit under UV LEDs irradiation (365 nm). Then, several ACFs were screened: adsorption kinetic rate and physical properties were compared to select the best support. Finally, a sequential process involving adsorption without UV and photocatalysis under UV was implemented using this composite material with a complete analysis of liquid phase (HPLC-MS, COT…) and solid phase (BET, SAXS…).