Développement d'un procédé électrochimique et de capteurs associés pour le traitement de perturbateurs endocriniens phénoliques dans les eaux

Development of an electrochemical process and associated sensors for the treatment of phenolic endocrine disruptors in water

• Auteur / Autrice : Ayman Chmayssem
• Direction : Didier Hauchard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2016
• Etablissement(s) : Rennes, Ecole nationale supérieure de chimie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Chimiques de Rennes
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université Bretagne Loire (2016-2019)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse électrochimique

Électrochimie industrielle

Polluants organiques de l'eau

Eau -- Épuration

Bisphénol A

Mots clés libres

Capteurs électrochimiques

Alkylphénols

Électrode à pâte de carbone

Microélectrode à cavité

Électrode sérigraphiée

Procédé électro-Fenton

Cathode volumique à lit fixe

Résumé

Depuis quelques années, des perturbateurs endocriniens phénoliques sont détectés à la sortie des stations d’épurations. Ce phénomène est lié à la résistance de ces composés aux traitements biologiques ce qui engendre leur introduction et leurs accumulation dans l’environnement. Le bisphénol A et les alkylphénols (4-NP, 4-OP et 4-tert-OP) font partie de la liste de ces substances récalcitrantes. Par conséquent, un procédé de traitement associé à des capteurs s’avère nécessaire. La première partie de la thèse s’inscrit dans le cadre du développement des capteurs électrochimiques de bisphénol A et les alkylphénols pour la détection en continu de ces polluants à l’état de traces. Deux types de capteurs électrochimiques ont été développés et intégrés dans des cellules à circulation : la microélectrode à cavité à pâte de carbone et des électrodes sérigraphiées et modifiées avec une couche de graphène. Les résultats sont probants en termes de limites de détection (10-100 nM) pour les 2 capteurs et de possibilité de mesure directement dans l’eau pour la microélectrode à cavité. La seconde partie repose sur le développement d’un procédé électrochimique d’électro-Fenton destiné au traitement de ces polluants dans les eaux avec des réacteurs électrochimiques ouvert, à cathode volumique à écoulement piston. Le fonctionnement du réacteur a été étudié à deux échelles (laboratoire et semi-pilote) ce qui a permis de déterminer les conditions optimales d’un traitement d’effluents afin d’atteindre leur biodégradabilité. Les sous-produits de dégradation ont été également suivis et caractérisés permettant de proposer un mécanisme réactionnel de dégradation du bisphénol A. L’étude de dimensionnement du réacteur a été effectuée permettant d’envisager un traitement efficace pour les faibles concentrations avec une estimation des coûts de fonctionnement du procédé. La troisième partie de la thèse porte sur l’identification et la caractérisation d’un nouveau matériau polymère contenant du fer complexé, coproduit solide obtenu lors du traitement par procédé électro-Fenton de fortes concentrations de bisphénol A.

In the recent years, phenolic endocrine disruptors are found in the outflow of wastewater treatment plants. This problem is related to the resistance of these compounds towards biological treatment which causes their input and accumulation in the environment. Bisphenol A and alkylphenols (4-NP, 4-OP and 4- tert-OP) are part of the recalcitrant substances list. Therefore, a new treatment process associated to sensors is really needed. The first part of the thesis is corresponding to the development of new electrochemical sensors of bisphenol A and alkylphenols for continuous detection of these pollutants in trace levels. Two types of electrochemical sensors have been developed and implanted in flow cells: the cavity-carbon paste-microelectrode and a screen printed electrode modified by a graphene layer. The results are conclusive regarding the detection limits (10-100 nM) pour the both sensors and concerning the possibility of measurements directly in water for the cavity microelectrode. The second part is concerned to the development of an electro- Fenton process dedicated to treat these pollutants in water with plug-flow electrochemical reactors with fixed bed threedimensional cathode. The operating of the reactors was investigated at two scales (laboratory and semi-pilot scale) in order to determinate optimal operating conditions to obtain biodegradability of the treated effluents by examining the. The metabolites by-products of degradation were also monitored and characterized allowing the proposition of a degradation mechanism of bisphenol A. The scale-up of the reactor was studied and an efficiently treatment for low concentrations considered with an estimation of treatment costs. The third part of the thesis concerns the identification and the characterization of a new polymer material containing iron, solid by-product issued from the treatment by the electro-Fenton process of high concentration of bisphenol A.