Soutenance mémoire
Au cours des siècles passés, l’eau, l’élément naturel précieux pour l’homme et l’environnement, a été utilisée d’une manière prudente et durable. Cependant, les ressources en eau douce s’amoindrissent en raison d’une augmentation importante de la consommation du fait du progrès technologique conjugué à un accroissement démographique. Le temps où la capacité d’autoépuration de la nature est révolu à cause d’importantes sources de pollution, liées à l’activité anthropique, principalement produites par les rejets agricoles, domestiques et industriels. Bien que la surface de la Terre soit constituée majoritairement d’eau, la partie infinitésimale disponible et utilisable par l’homme, englobant les eaux souterraines et de surface (2,5 % d’eau douce), ne cesse d’être surexploitée et dégradée. Les eaux usées rejetées contiennent généralement des microorganismes (virus, protozoaires, helminthes et bactéries), des polluants inorganiques (Mercure, Chrome, Arsenic, Titane, Cuivre, Cobalt, Nickel, Plomb et Zinc), mais également des polluants organiques (polychlorobiphényles, hydrocarbures aromatiques polycycliques, colorants, composés phénoliques et pesticides). Ces eaux usées, utilisées comme telles, sont impropres à la consommation et constituent un risque sanitaire pour l’homme et l’environnement. La dépollution de ces eaux représente dès lors un sujet extrêmement préoccupant.
Pour limiter ces risques, les eaux usées polluées sont acheminées via les réseaux d’assainissement des eaux résiduaires urbaines vers les stations d’épuration (STEP) afin d’être traitées à des fins de consommation humaine ou de rejet dans le milieu naturel. Les STEP classiques, constituées d’un traitement primaire et secondaire, ont été conçues pour traiter biologiquement les eaux chargées d’effluents. Les stations actuelles peuvent atteindre un rendement de λ0 % d’abattement des substances totales. Cependant, ces traitements classiques ne sont pas suffisants pour traiter certaines substances qualifiées de récalcitrantes au vu des normes de rejet direct des effluents secondaires dans le milieu naturel et la réutilisation des eaux usées traitées (REUT). Ainsi, il est primordial d’intégrer aux traitements classiques de nouveaux procédés tertiaires permettant d’éliminer efficacement les micropolluants biorécalcitrants afin de répondre à la Directive Cadre sur l’Eau (DCE β000/60/CE). Parmi les techniques existantes, des procédés dits d’oxydation avancée (POA) ont vu le jour. Certains POA comme l’ozonation ont atteint un niveau de développement à l’échelle industrielle tandis que d’autres sont en plein essor dans le domaine de la recherche.
Ces procédés permettent d’obtenir la dégradation de polluants organiques en produisant, à température ambiante et pression atmosphérique, des espèces radicalaires extrêmement oxydantes et réactives capables de dégrader une grande variété de molécules. À terme, ils mènent à la minéralisation complète des polluants.
L’un des procédés extrêmement étudié, environnementalement compatible et avéré efficace pour la dégradation d’un grand nombre de polluants non biodégradables en utilisant la ressource solaire est la photocatalyse hétérogène solaire [Sakthivel 2003; Bahnemann 2004; Fernández 2005; Malato 2009; Janin 2013]. Ce procédé est basé sur la photoexcitation d’un catalyseur solide par le rayonnement solaire afin de produire des espèces radicalaires non sélectives. L’utilisation d’une source d’énergie solaire rentable et économique pour conduire à des réactions photochimiques constitue un enjeu majeur en vue d’une gestion autonome, de la non-présence d’une source de pollution extérieure et de la stratégie du développement durable. Cependant, l’usage de l’énergie solaire pose une contrainte importante. En effet, les catalyseurs les plus couramment utilisés tels que le TiO2 et le ZnO, développent des efficacités relativement faibles ce qui limite le développement d’un procédé industrialisable [Augugliaro 1995; Serpone 1997; Plantard 2011]. La raison principale provient de la photosensibilité de ces catalyseurs restreinte au rayonnement UV. Par ailleurs, ce dernier ne représente que 5 %, soit 50 W.m-2 du flux solaire total disponible reçu à la surface de la Terre dans les conditions d’ensoleillement les plus favorables. Cette restriction de domaine spectral est un inconvénient majeur dans le développement d’applications photocatalytiques sous rayonnement solaire. Dès lors, l’utilisation du rayonnement visible représentant près de 40 % de la ressource solaire engendrerait des gains importants au niveau des performances photocatalytiques des catalyseurs. Des recherches intensives sont donc consacrées au développement de nouveaux catalyseurs innovants, photosensibles sur un domaine plus large, afin d’exploiter un grand nombre de photons issus du domaine du visible [Daghrir 2013; Banerjee 2014; Benhebal 2014; Hamilton 2014]. Cependant, l’utilisation de certains catalyseurs tels que le CdS et le ZnS présente respectivement des contraintes de toxicité ou de stabilité. Le dopage des catalyseurs est une solution envisagée. Sous certaines conditions (dopant et nature du polluant), l’efficacité photocatalytique des catalyseurs usuels est améliorée par rapport à leur homologue non dopé [Daghrir 2013; Samadi 2015]. Toutefois, le catalyseur ZnO non dopé développe des performances de dégradation plus efficaces que celles du TiO2 sous rayonnement solaire [Dindar 2001; Khodja 2001; Sakthivel 2003].
L’eau indispensable à la vie est évidemment une préoccupation importante. C’est la substance la plus présente sur Terre. Elle est constituée majoritairement d’eau salée et seulement de 2,5 % d’eau douce. La majorité de cette eau douce se retrouve non pas dans les rivières et les lacs, mais elle est stockée abondamment sous Terre dans les aquifères. En effet, l’eau des nappes souterraines représente 97 % des réserves mondiales en eau douce disponible sur les continents. Environ 40 % de cette eau prélevée dans les nappes souterraines est utilisée dans le secteur de l’agriculture pour l’irrigation [Siebert 2010]. Entre 25 et 40 % de cette eau douce approvisionne le secteur domestique en eau potable [Morris 2003]. Le reste est utilisé dans le secteur de l’industrie.
Une grande partie des réserves d’eaux sont généralement utilisées et gérées de manières inappropriées. Elles doivent être impérativement protégées contre leurs exploitations excessives dues à l’accroissement de la population et contre les sources potentielles de pollution diffuse à la surface de la Terre. L’origine de la pollution de ces eaux est principalement liée à l’activité anthropique causée par les rejets agricoles, domestiques, industriels, pharmaceutiques ou autres. Ces eaux altérées peuvent contenir des pollutions carbonées, azotées, phosphorées, des microorganismes et des micropolluants tels que des pesticides, des colorants, des composés phénoliques, des composés organiques volatils (COV) et des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs). La composition de ces eaux usées est très complexe et extrêmement variable suivant l’origine de pollution. Ces eaux doivent être traitées pour éliminer ces polluants ubiquitaires et réduire ainsi leurs toxicités qui impactent l’environnement sur le plan sanitaire, écologique et économique.
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Table des matières
Introduction
1.1. Contexte environnemental
1.1.1. Des réserves d’eau à leur traitement
1.1.1.1. Polluants en sortie de STEP
1.1.2. Procédés de traitement classiques des eaux
1.1.2.1. Procédés de traitement primaires et secondaires
1.1.2.2. Procédés de traitement tertiaires
1.2. Photocatalyse hétérogène solaire
1.2.1. Généralités
1.2.2. Principe de la photocatalyse hétérogène
1.2.2.1. Principe de la photoexcitation
1.2.2.2. Production de radicaux
1.2.3. Photocatalyse solaire
1.2.3.1. Propriétés du rayonnement solaire
1.2.3.2. Procédé photocatalytique solaire
1.3. Évaluation de la capacité photocatalytique
1.3.1. Grandeurs clés
1.3.1.1. Concentration en catalyseur et sa mise en forme
1.3.1.2. Flux photonique incident
1.3.1.3. Concentration en polluant
1.3.2. Modèle cinétique
1.3.3. Efficacité photonique
1.4. Photocatalyseurs
1.4.1. Généralités sur l’oxyde de zinc
1.4.2. Propriétés de l’oxyde de zinc
1.4.2.1. Propriétés structurales
1.4.2.2. Propriétés optoélectriques
1.4.2.3. Propriétés chimiques et catalytiques
1.4.3. Comparaison ZnO et TiO2 : catalyseurs de référence
1.4.4. Applications de nanoparticules de ZnO
1.5. Moyens d’élaboration
1.5.1. Généralités sur les méthodes d’élaboration
1.5.1.1. Méthodes physiques
1.5.1.2. Méthodes chimiques
1.5.2. Élaboration par procédé sol-gel
1.5.2.1. Généralités sur le sol-gel
1.5.2.2. Principe sol-gel
1.5.2.3. Mécanismes réactionnels
1.5.2.4. Cas du ZnO
1.5.2.5. Facteurs réactionnels
1.5.3. Mise en forme par procédé sol-gel : Les voies de séchage
1.5.3.1. Séchage par évaporation
1.5.3.2. Séchage par sublimation
1.5.3.3. Séchage supercritique
1.5.3.4. Recuit thermique des nanoparticules
Conclusion
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