Immobilisation des catalyseurs sur supports textiles- cas du fer zérovalent et de l'enzyme glucose oxydase

Immobilizing catalysts on textiles- case of zerovalent iron and glucose oxidase enzyme

• Auteur / Autrice : Mohammad Neaz Morshed
• Direction : Nemeshwaree Behary Massika, Vincent Nierstrasz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 23/06/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021) en cotutelle avec Högskolan i Borås (Suède), Soochow University (Suzhou, China)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMTEX (Roubaix) - Génie et Matériaux Textiles / GEMTEX
• Jury : Président / Présidente : Georg M. Guebitz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurie Barthe, Rozenn Ravallec, Kerstin H.-Jacobsen, Jinping Guan, Zhenhui Kang
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frank Hollmann, Deepti Gupta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fonctionnalisation des surfaces (chimie)

Enzymes immobilisées

Catalyseurs au fer

Oxydoréductases

Biotechnologie appliquée à l'environnement

Eaux usées -- Épuration

Textiles et tissus à usages techniques

Mots clés libres

Traitement catalytique

Réaction de Fenton

Detoxification

Textile biotechnology

Biocatalysts

Surface modifications of textile

Résumé

Les systèmes catalytiques sont des technologies efficaces pour le traitement de l’eau en raison de leur efficacité à dégrader une large gamme de polluants. Les catalyseurs immobilisés sont réutilisables et présentent généralement une meilleure stabilité que les catalyseurs en solution. Cependant, dans de nombreux cas, la préparation du matériau de support est énergivore et plus coûteuse que les catalyseurs.Cette thèse de doctorat porte sur un concept innovant d'utilisation du textile comme matériau de support peu coûteux pour l’immobilisation robuste de deux différents catalyseurs : 1. des particules de fer zéro-valent (catalyseur inorganique Fe0) et 2- l'enzyme glucose oxydase (GOx-biocatalyseur). Le but de cette thèse est de confirmer l’utilisation potentielle de ces catalyseurs supportés au textile, pour le traitement des eaux usées, par le biais de dégradation oxydative ou réductive).Un tissu non tissé en polyester a été choisi comme matériau de support textile. Des éco-procédés et des matériaux plus écologiques (les traitements plasma, des dendrimères, des polymères biosourcés) ont été utilisés pour la modification de surface des fibres de polyesters créant ainsi des groupements fonctionnels capables de mieux fixer les catalyseurs (Fe0 et GOx), tout en préservant leurs performances inhérentes de catalyseurs en solution. Des outils d’analyse de surface permettent la caractérisation des fibres de polyester fonctionnalisées par différentes méthodes avant et après l’immobilisation des catalyseurs.La méthode de réduction d’ ions ferriques ainsi que les propriétés chimiques de surface du PF influencent sur la stabilité des particules de Fe0 immobilisés. Les groupes fonctionnels -COOH, –OH et -SH favorisent la quantité et la stabilisation de particules de Fe0. Ce catalyseur immobilisé a une propriété catalytique élevée pour l'élimination des polluants dans l'eau par le biais d'un système hétérogène de type Fenton ou d’une réduction catalytique. Il inhibe également les agents pathogènes dans l’eau. Un plan d’expériences a permis d’étudier les conditions optimales pour l'immobilisation du catalyseur Fe0 ainsi que ses performances dans un système catalytique modèle conçu pour l'élimination des colorants, des phénols ou des contaminants pathogènes dans l'eauPour les enzymes GOx immobilisées sur le polyester, les résultats montrent que le traitement par plasma CRP qui génère plus de groupes -COOH ou -NH2 à la surface PF, est plus efficace pour assurer une quantité et une stabilité suffisante de GOx. L’enzyme supportée peut être utilisée, dans un système de bio-Fenton hétérogène, pour la dégradation des polluants. Le concept d’un système bio-Fenton hétérogène pour le traitement des eaux usées, à l'aide avec d’un catalyseur inorganique (Fe0) et d’un biocatalyseur enzymatique GOx, immobilisés sur textile, est innovant. Cette thèse confirme la faisabilité de ce concept à l’échelle de laboratoire.

This doctoral thesis dealt with an innovative concept of using textile as inexpensive but robust support material for immobilizing catalysts. Here, experiment-based evidence has been gathered for the case of immobilization of zerovalent iron particle (Fe0, inorganic catalyst) and glucose oxidase enzyme (GOx, biocatalyst) on textile. The goal of this thesis is to establish the feasibility of textile as support material for immobilization of catalysts in the pursuit of fabrication of robust catalytic system (oxidative and reductive) for wastewater treatment. Polyester nonwoven fabric (PF) has been chosen as textile support material for catalyst immobilization due to both qualitative (high strength, porosity, biocompatibility and resistance to most acids, oxidizing agents & microorganisms) and commercial (availability, cheap and easily customizable) advantages. A combination of eco-friendly and resource-efficient processes (such as plasma treatment, use of hyperbranched dendrimer, bio-based polymers) has been considered for modification of PF surface with favorable surface chemical properties in the view of high and stable immobilization yield of Fe0 and GOx while preserving the inherent performance of the catalysts in solution.The thesis has three distinct parts related to immobilizing catalysts on textiles- (a) immobilization and stabilization of inorganic Fe0 on PF and optimizing their viability in either oxidative and/or reductive catalytic system; (b) immobilization of GOx on PF and optimizing their use in bio-catalytic systems; (c) Design of heterogeneous bio-Fenton system using immobilized catalysts (Fe0 and GOx) on textile. In all parts, the hydrophobic fiber surface of PF was first activated by either air atmospheric (AP) or cold removal plasma (CRP) treatment followed by chemical grafting of either hyperbranched dendrimers (polyethylene glycol-OH / polyamidoamine ethylene-diamine core) or amine/thiol functional group-rich polymers (3-aminopropyl-triethoxysilane / polyethylenimine, chitosan / 1-thioglycerol). This was followed by immobilization of either Fe0 using in-situ / ex-situ reduction methods or GOx through the physical adsorption method. A series of experiments have been carried out through systematic experiment design to study the optimum conditions for catalyst immobilization as well as practicability and performance of resultant catalysts in a model catalytic system designed for removal of dyes, phenols, or pathogenic contaminants from water.The novelty of the research presented in this doctoral thesis firstly attributed to the novelty of immobilizing two types of catalysts (inorganic catalyst and biocatalysts) on polyester nonwoven fabric for wastewater treatment application. It provides a solution to the challenge related to support material in catalyst immobilization. Secondly, sustainable approaches have been used for the preparation of support material to efficiently immobilize the catalysts using resource-efficient eco-technologies (plasma eco-technology, dendrimers, biopolymers). Thirdly, the realization of an innovative concept related to designing a heterogeneous bio-Fenton system for wastewater treatment using Fe0 and GOx immobilized textiles is a novelty. In general, this detailed study on catalytic wastewater treatment (with their kinetics and mechanism study) using immobilized catalysts through both oxidative and reductive approach contributes not only to the general knowledge of the catalytic system, Fenton and bio-Fenton processes but also to the advancement towards scaling-up of an efficient and sustainable wastewater treatment system.