Fonctionnalisation des minéraux argileux d'origine marocaine par TiO2 en vue de l'élimination par photocatalyse de micropolluants organiques des milieux aqueux

Functionalization of clay minerals from Morocco with TiO2 for the removal by photocatalysis of organic micropollutants from aqueous media

• Auteur / Autrice : Lahcen Bouna
• Direction : Francis Maury, Benaïssa Rhouta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 02/11/2012
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT en cotutelle avec Université Cadi Ayyad (Marrakech, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)

Mots clés

Mots clés libres

Argile organophile

Stévensite

Beidellite

Palygorskite

TiO2

Surfactant cationique CTAB

Fonctionnalisation

Intercalation

Pontage

Méthode colloïdale

Méthode solvothermale

Sol-gel

Photocatalyse

Colorant orange G

Organoclay

Stevensite

Beidellite

Palygorskite

TiO2

Cationic surfactant CTAB

Functionalization

Intercalation

Pillaring

Colloidal method

Solvothermal method

Sol-gel

Photocatalysis

Orange G dye

Résumé

Ce travail est consacré à l'élaboration par voie humide (pontage, solvothermale et colloïdale) de photocatalyseur TiO2 supporté sur trois types de minéraux argileux d'origine marocaine: la stévensite, la beidellite et la palygorskite, à leurs caractérisations et finalement à l'évaluation de leurs activités photocatalytiques vis-à-vis de l'élimination en milieu aqueux du colorant anionique l'Orange G (OG) très utilisé en industrie textile. La stévensite et la beidellite sont toutes les deux des smectites de types magnésien trioctaédrique et aluminifère dioctaédrique respectivement. En revanche, la palygorskite est un minéral fibreux riche en Al doté d'un caractère dioctaédrique très marqué. Les matériaux photocatalyseurs supportés développés par le pontage de la stévensite ou de la beidellite ne révèlent pas de formation de piliers interlamellaires de TiO2, mais plutôt l'obtention dans les deux cas de matrice de TiO2 amorphe dans laquelle sont éparpillées quelques rares particules indemnes de phyllosilicates. De même, ceux à base de stévensite élaborés par la méthode solvothermale révèlent des particules du phyllosilicate désintégrées au sein d'une matrice de TiO2 toutefois cristallisée sous forme d'anatase. Néanmoins, la fonctionnalisation selon la voie colloïdale a permis d'immobiliser avec succès des nanoparticules d'anatase (10 nm) sur aussi bien des feuillets plus ou moins exfoliés de stévensite ou de beidellite que sur des fibres de palygorskite. L'anatase attachée aux particules de ces minéraux argileux demeure extraordinairement stable jusqu'à 900 °C alors que celle formée en absence de ces phyllosilicates se convertit complètement en rutile vers 650 °C. Cette stabilité remarquable de l'anatase supportée est due à l'empêchement de la croissance, par coalescence à haute température, de la taille de ses particules au-delà de la taille critique (30 nm) requise pour sa conversion en rutile relativement moins photoactive. Les essais de photocatalyse révèlent que l'activité catalytique des différents matériaux élaborés croit selon la méthode de fonctionnalisation: pontage - méthode solvothermale - voie colloïdale et aussi selon la nature du minéral argileux : stévensite - beidellite - palygorskite. En outre, les matériaux photocatalyseurs supportés, à base de beidellite ou de palygorskite, développés par la voie colloïdale, manifestent une activité deux fois supérieure à celle de la poudre commerciale TiO2 Degussa P25. Leurs particules floculent aisément, ce qui facilite leur élimination du milieu aqueux sans recourir à la microfilitration requise dans le cas de la Degussa P25.

This work was devoted to the elaboration by wet route (pillaring, solvothermal and colloidal) of TiO2 supported photocatalysts on three kinds of clay minerals (stevensite, beidellite and palygorskite) from Morocco, to their characterizations and finally to the evaluation of their photocatalytic activities towards the removal from aqueous media of anionic Orange G dye, widely used in textile industry. Stevensite and beidellite were magnesian trioctahedral and aluminiferous dioctahedral smectites respectively. Nevertheless, palygorskite was a fibrous Al-rich clay mineral with a predominant dioctahedral character. The photocatalyst materials elaborated by the pillaring of stevensite or beidellite did not reveal the formation of TiO2 interlayer pillars, but the observation of an amorphous matrix of Ti-rich phase within which were distributed some rare unaltered particles of phyllosilicates. Those based on stevensite elaborated according to solvothermal method also showed dissolved phyllosilicates particles, but within crystalline TiO2 anatase matrix. Nevertheless, the functionalized materials developed according to colloidal route exhibited successful immobilization of anatase nanoparticles (10 nm) onto as well as more or less exfoliated layers of stevensite or beidellite than on palygorskite fibers. Anatase remained remarkably stable up to 900 °C when attached to particles of clay minerals in comparison with that developed in their absence which underwent a complete transformation into rutile at around 650°C. This remarkable stability at high temperature of anatase supported on clay minerals particles was due to the hindrance of particles growth by sintering whose the sizes remained below the nucleus critical sizes (30 nm) required for its transition into less photoactive rutile. The photocatalysis tests revealed that the catalytic activity of different elaborated materials increased according to the synthesis route: pillaring process - solvothermal method - colloidal route and according to the nature of clay mineral: stevensite - beidellite - palygorskite. In addition, the supported photocatalysts based on beidellite or palygorskite prepared by colloidal route were found to be twice more active than the commercial TiO2 powder Degussa P25. Furthermore, their particles easily floculated so that they are readily removable from treated solutions without resorting to expensive microfiltration required upon the use of Degussa P25.