Développement de photocatalyseurs à base de TiO2 pour réacteur pilot solaire. Application au traitement de l’eau contaminée par Cefixime pharmaceutique

par Fatemehsadat Moosavi

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Mehrdad Nikravech et de Touraj Tavakoli Gheynani.


  • Résumé

    Ce travail est dédié à l'application de la photocatalyse solaire pour la dégradation de l'antibiotique cefixime en utilisant des films de TiO2 immobilisés sur des billes en verre. Les expériences ont été réalisées dans un réacteur CPC solaire pilote. Un dispositif plasma à lit fluidisé basse pression a été utilisé pour élaborer des couches de TiO2 et de TiO2 dopé au Mn dans différentes conditions expérimentales : oxygène plasmagène, temps de dépôt et concentration du précurseur. Les techniques de caractérisation SEM, TEM, AFM et DRX révèlent la formation de films de photocatalyseurs nanostructurés couvrant la surface des billes. Des structures polymorphes de TiO2 (anatase et rutile) ont été formées à basse température (< 450 °C). La taille des cristaux des phases anatase et rutile a été estimée à environ 9 ± 1 nm. Une forte adhérence des films de TiO2 a été mise en évidence par l'analyse XPS. Les études de photodégradation du cefixime ont été réalisées sous rayonnement solaire et sous irradiation de lampe UV. Dans les mêmes conditions d'irradiation, une meilleure efficacité de dégradation a été observée pour l'échantillon de TiO2 contenant 16% molaire de phase rutile dans la structure cristalline. Environ 80% de la concentration initiale de cefixime a été décomposée après 35 kJ/L d'énergie UV accumulée pendant 4 h d'irradiation. Un temps de dépôt plus long ou une concentration de précurseur de TiO2 plus élevés ou une quantité plus importante de billes recouvertes de TiO2 conduisent à une dégradation plus élevée de cefixime témoignant d'une activité photocatalytique plus élevée liées sans doute au nombre de sites actifs plus élevé. Les catalyseurs de TiO2, ZrTiO2 et VTiO2 élaborés sur des billes de verre par la méthode sol-gel dans un réacteur de micro-mélange rapide de T ont également été testés. Les performances photocatalytiques des films contenant les phases anatase et rutile obtenues par la technique plasma étaient supérieures à celles des films contenant la phase anatase seule obtenue par la méthode sol-gel. La cinétique d'élimination du cefixime a été évaluée dans tous les cas comme étant une réaction du premier ordre. Il a été constaté que les films perdent de leur activité après plusieurs cycles d'utilisation. Afin de réactiver les sites réactionnels, trois méthodes de régénération telles que le lavage à l'eau chaude, le traitement thermique et le lavage dans une solution alcaline ont été examinées. La méthode de l'eau chaude a présenté les meilleures performances. Enfin, le photoréacteur solaire CPC pour le traitement de l'eau a été modélisé à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics.

  • Titre traduit

    Development of TiO2 based photocatalysts for sunlight pilot reactor. Application to treatment of contaminated water with pharmaceutical Cefixime.


  • Résumé

    This work investigated the application of solar photocatalysis for the degradation of cefixime antibiotic using immobilized TiO2 films on substrates. The experiments were performed in a (CPC) solar pilot reactor. The low-pressure fluidized bed plasma device was applied to prepare TiO2 and Mn-doped TiO2 layers on glass beads under different conditions e.g. plasma oxygen, deposition time, and precursor concentration. The SEM, TEM, AFM, and XRD techniques exhibited nanostructure morphologies of photocatalysts covering the surface of the beads. Polymorph structures of TiO2 (anatase and rutile) formed together under low temperature (< 450 °C) conditions were revealed. The anatase and rutile crystallites sizes were calculated at around 9 ± 1 nm. Strong film adherence with stoichiometric ratio was evidenced under XPS analysis of TiO2 films. The cefixime photo-degradation studies were performed under natural radiation and UV lamp irradiation. Under the same irradiation conditions, better degradation efficiency was observed for the TiO2 sample containing 16 mol% of rutile phase in its crystalline structure. About 80% of the cefixime initial concentration was decomposed after 35 kJ/L of the UV accumulated energy during 4 h irradiation. Higher deposition time and titanium concentration in precursor solution resulted in higher photocatalytic activity.  The TiO2, ZrTiO2, and VTiO2 catalysts were also coated on glass beads by the sol-gel method via the micro-mixing reactor. The photocatalytic performance of coated films containing anatase and rutile phases obtained by plasma technique was higher than those of the films containing anatase phase obtained by sol-gel method. The kinetic of cefixime removal was evaluated to be a first-order reaction in all cases. In order to recover the deactivated sites, three regeneration methods like hot water, heat treatment, and washing in an alkaline solution were examined. The hot water method introduced best performances. Finally, the CPC solar photo-reactor for water treatment was modeled using COMSOL Multiphysics software.


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