Soutenance mémoire
Méthodes d’élimination des COV présents dans l’eau
Méthode biologique
Ce procédé est appliqué aux matières organiques biodégradables. Toutefois, le traitement biologique est insuffisant en dessous de 5°C, température à laquelle l’activité bactérienne s’arrête. De plus, les bactéries ne dégradent pas les polluants non biodégradables, ce procédé donne une minéralisation partielle des polluants [3] Les méthodes utilisées jusqu’à présent pour le traitement des eaux usées sont des méthodes physiques de transfert de masse : coagulation, floculation [4] . décantation, l’adsorption sur charbon actif, tamis moléculaire, la filtration sur membrane et l’osmose inverse [5].
Adsorption sur charbon actif
C’est un procédé qui permet le transfert d’une phase liquide contenant le polluant (adsorbat) vers une phase solide avec rétention des solutés à la surface du charbon actif (adsorbat). Ce procédé ne résout pas le problème de la pollution. Il reste à détruire les composés adsorbés à la surface du charbon. Un traitement du charbon dans des fours à haute température est donc nécessaire pour brûler les polluants fixés par le solide [6].
Méthodes chimiques d’oxydation
Ces méthodes ont pour but l’oxydation complète de la matière organique. C’est à dire sa transformation en dioxyde de carbone et en eau Le traitement des polluants par des réactions d’oxydation vise :
– Le traitement chimique classique : basé sur des méthodes utilisant le chlore , les composés chlorés, d’eau oxygénée etc…
– Les techniques d’oxydation avancée (TOA) parmi lesquelles on distingue .
Traitement photochimique
Le vocable « photochimie » est employé de façon relativement vague. Alors qu’une part importante de cette discipline est effectivement consacrée à l’étude des changements chimiques découlant de l’absorption de lumière par la matière, un certain nombre de processus physiques qui n’impliquent pas de changement chimique global appartiennent de fait au domaine du photochimiste. Par exemple, des processus tels que la fluorescence (dans lequel de la lumière est réémise par une espèce ayant absorbé une radiation) ou la chemiluminescence (où de la lumière est émise comme « produit » d’une réaction chimique) sont à considérer comme étant de nature photochimique. Même si une distinction arbitraire est parfois faite entre photochimie et photophysique, le caractère commun de ces domaines est la participation d’états excités d’atomes, de molécules ou d’ensembles de ceux-ci dans les processus impliqués.
Les réactions qui se déroulent sous l’action de la lumière sont appelées réactions photochimiques. Plus précisément, on peut appeler « photochimiques » toutes les réactions dans lesquelles l’énergie nécessaire à leur déclenchement ou à leur déroulement parvient au système réactif sous forme d’oscillations électromagnétiques des domaines visible, UV et plus rarement IR. Ces réactions peuvent s’effectuer entre des gaz, des liquides ou des solides et aux interfaces. On peut diviser les réactions photochimiques en deux groupes:
1- Les réactions qui peuvent se dérouler spontanément du point de vue thermodynamique, dans les conditions considérées, sans l’intervention de la lumière, comme la réaction H2 + Cl2 → 2 HCl. Dans ce cas, la lumière ne fait que déclencher la réaction en aidant à surmonter ou à abaisser une énergie d’activation élevée. Ces réactions sont parfois appelées « photocatalytiques ».
2- Les réactions qui ne peuvent s’effectuer spontanément du point de vue thermodynamique dans les conditions considérées. Leur accomplissement exige un emprunt d’énergie extérieure. Cette énergie peut leur être fournie sous forme de radiation électromagnétique. Pour ces réactions, les quantités de substance ayant réagi sont directement proportionnelles à l’énergie absorbée, en accord,avec la loi dite d’équivalence photochimique :
E = N A hv = N A hc/λ (7)
La loi fondamentale de la photochimie, connue sous le nom de Grotthus-Draper, spécifie que seule la radiation absorbée par un système peut initier une réaction photochimique. Si un flux d’intensité I0 pénètre un milieu homogène, il sera partiellement réfléchi à chacune des interfaces (Ir) et absorbé par le milieu (Ia). L’intensité du flux lumineux émergeant du milieu traversé sera en conséquence donnée par:
It = I0 – Ia – Ir (8)
La description phénoménologique de l’absorption de la lumière est donnée par une évaluation quantitative de l’atténuation de l’intensité I dans la direction x d’un faisceau lumineux parallèle, perpendiculairement incident à la surface plane d’un milieu transparent.
Le coefficient K représente la partie imaginaire de l’indice de réfraction complexe du milieu. Pour le traitement photochimique qui occupe une place importante parmi les procédés de décontamination des eaux usées, on utilise en même temps la lumière (UV ou visible) et un oxydant (H2O2). En effet, l’utilisation seule de l’irradiation dans l’ultraviolet (UV) n’est jusqu’à maintenant pas considérée comme un moyen d’oxydation efficace [15]. De même que la lumière UV seule n’est pas suffisante, un oxydant utilisé seul ne produit qu’une décontamination partielle. Il est donc nécessaire d’utiliser simultanément la lumière et l’oxydant pour arriver à une minéralisation complète. Le traitement de l’eau par UV possède de nombreux avantages. Le procédé photochimique comporte deux méthodes : une méthode photocatalytique et une méthode photolytique. Toutes les deux sont basées sur une source de rayonnement UV.Le principe de la méthode photolytique consiste en l’addition d’énergie sous forme de rayonnement, lequel sera absorbé par la molécule, provoquant ainsi son excitation et sa décomposition. Quant aux méthodes photocatalytiques, l’action du rayonnement est complète avec l’ajout d’un intermédiaire, plus précisément d’un catalyseur (un métal ou un semi conducteur). L’irradiation de ce dernier permet la production des radicaux hydroxyles. Pour le traitement des eaux usées on distingue trois pôles importants :
● La méthode UV-ozone,
● La méthode UV peroxyde d’hydrogène,
● La photocatalyse.
De plus, il existe des combinaisons de ces différents systèmes. peroxyde d’hydrogène / ozone et peroxyde d’hydrogène / catalyseur.
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Table des matières
Introduction Générale
Partie théorique
I – Contamination des eaux
I-1 Composés organiques volatils (COV)
I-2 Méthodes d’élimination des COV présents dans l’eau
I-2-1 Méthode biologique
I-2-2 Adsorption sur charbon actif
I-2-3 Méthodes chimiques d’oxydation
I-2-3-1 Procédé Fenton
I-2-3-2 Procédé Photo Fenton
I-2-3-3 Ozonation
I-2-3-4 Péroxonation (H2O2/O3)
II – Traitement photochimique
II–1 Méthode UV-Ozone (UV/O3)
II–2 Méthode UV- peroxyde d’hydrogène (UV/H2O2)
III – Photocatalyse
III–1 Choix du photocatalyseur…
III–2 Matériaux semi-conducteurs
III–3 Photocatalyseur TiO2
III–4 Formation des espèces réactives en photocatalyse
III–5 Mécanismes d’oxydation
III–6 Champ d’application de TiO2
III–7 Application de la photocatalyse à la décontamination de l’eau
III–8 Facteurs influençant la photocatalyse
III–8–1 La photolyse directe
III–8–2 Influence du flux lumineux
III–8–3 Influence de l’oxygène dissous
III–8–4 Influence du pH sur les réactions photocatalytiques
III–8–5 Influence de la concentration en catalyseur
III–8–6 Influence de la concentration initiale du polluant sur la réaction photochimique
III–8-7 Influence de la température sur les réactions photochimiques
III–8–8 Influence de la concentration des ions sur la réaction Photochimique
III–8–9 Influence de la taille des grains de TiO2 sur la réaction photochimique
IV- Radicaux hydroxyles
IV-1 Constante cinétique de réaction avec les composés organiques
V- Sources d’irradiations lumineuses
V-1 Irradiation solaire
V-2 Irradiation artificielle
VI- Phénomène d’adsorption
VI-1 Modes d’adsorption
VI-1-1 Physisorption
VI-1-2 Chimisorption
VI-2 Isothermes d’adsorption
VI-3 Expressions mathématiques de quelques isothermes d’adsorption
VI-3-1 Model de Langmuir
VI-3-2 Model de Freundlich
VI-3-3 Adsorption dissociante
VI-3-4 Adsorption de multicomposés
VI-3-5 Model de Temkin Frumkin
VI-3-6 Méthode BET (Brunauer, Emmet, Teller)
VII – Dopage du photocatalyseur TiO2
Partie expérimentale
I- Introduction
II- Structure des dérivés benzéniques
III- Techniques d’analyse
IV- Dégradation des dérives benzéniques en présence TiO2
IV-1 Toluène
IV-2 Phénol
IV-3 Benzène
IV-4 Chlorobenzène
IV-5 Récapitulatif
IV-6 Calcul des vitesses moyennes de photodégradation
V- Dégradation des dérives benzéniques en présence TiO2 + H2O2
V-1 Toluène
V-2 Phénol
V-3 Benzène
V-4 Chlorobenzène
V-5 Récapitulatif
V-6 Calcul des vitesses moyennes de photodégradation
V-7 Discussions des Résultats
VI- Dopage de TIO2 à l’azote TiO2-xNx
VI-1 Photodégradation en présence de TiO2-xNx calcine à 300 °C
VI-2 Photodégradation en présence de TiO2-xNx calcine à 400 °c
VI-3 Photodégradation en présence de TiO2-xNx calcine à 500 °c
VI-4 Récapitulatif
VI-5 Calculs des vitesses moyennes de photodégradation en présence de TiO2-xNx
VI-6 Discussion
VII – Mode opératoire
VII-1 Matériels et Produits chimiques utilisés
VII-2 Toluène
VII-3 Phénol
VII-4 Benzène
VII-5 Chlorobenzène
VIII- Préparation des Solutions
VIII-1 Préparation de la Solution du Toluène
VIII-2 Préparation de la Solution du phénol
VIII-3 Préparation de la Solution du Benzène
VIII-4 Préparation de la Solution du Chlorobenzène
IX- Préparation du catalyseur dopé par l’azote TiO2-xNx
IX–1 Traitement Thermique
IX-2 Photodégradation des dérivées benzéniques par TiO2-xNx
Conclusion Générale
