Synthèse et application de la silice de la balle de riz à la décontamination des eaux usées.

Synthesis and application of silica from rice husk to wastewater decontamination.

• Auteur / Autrice : Alba Rodriguez Otero
• Direction : Brice Bouyssiere, Jan H. Christensen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance le 08/11/2024
• Etablissement(s) : Pau en cotutelle avec Københavns universitet
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (Pau)
• Jury : Président / Présidente : Florence Pannier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Brice Bouyssiere, Jan H. Christensen, Chrystelle Bancon-Montigny, Bénédicte Lebeau, Anne Galarneau, Giorgio Tomasi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chrystelle Bancon-Montigny, Bénédicte Lebeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Matrices

Effets de la qualité de l'eau

Décontamination

Mots clés libres

Caracterisation de matrices

Nanoparticules biosourcées

Décontamination de l'eau

Silica nanoparticles

Water decontamination

Matrix characterization

Résumé

Cette thèse présente le développement de la silice dérivée de la balle de riz (RH-SiO₂) en tant qu'adsorbant durable pour l'élimination de multiples polluants des effluents industriels et des eaux usées, en mettant particulièrement l'accent sur son potentiel pour des applications dans le monde réel. L'étude a cherché à optimiser le processus d'extraction de la silice à partir de la balle de riz, ce qui a permis de produire un matériau très poreux présentant des caractéristiques d'adsorption favorables. La production de RH-SiO₂ a été réalisée par lixiviation acide, pyrolyse et calcination, ce qui a permis d'obtenir une surface de 320 m²/g et des pores de taille adaptée à l'adsorption efficace des métaux et des micropolluants organiques (OMP). En outre, la pyrolyse a permis d'obtenir des sous-produits potentiellement intéressants, à savoir de la bio-huile et du gaz de synthèse.Lors d'essais pratiques sur des effluents industriels, RH-SiO₂ a montré une adsorption des métaux via une combinaison de différents mécanismes et a démontré sa capacité à conserver son efficacité au cours de plusieurs cycles de régénération. Bien que sa capacité d'adsorption soit inférieure dans les effluents réels par rapport à l'eau synthétique, elle est restée compétitive par rapport à d'autres adsorbants. En outre, la thèse propose des méthodes pour améliorer encore la durabilité, notamment l'utilisation d'acides organiques pour la régénération et la mise en œuvre d'études d'adsorption en flux continu pour optimiser les paramètres de performance.L'élimination des OMP cationiques et neutres spécifiques par le RH-SiO₂ a été démontrée lors d'expériences avec des eaux usées d'effluents secondaires, sans preuve de percée dans les études en colonne. La nature hydrophile du matériau en question a permis de minimiser l'encrassement organique, qui est un défi courant dans le contexte des traitements au charbon actif. Une nouvelle méthodologie économique et rapide utilisant des outils de criblage non ciblé a été mise au point pour évaluer la capacité d'adsorption du RH-SiO₂. Cette méthodologie a démontré les fonctionnalités de RH-SiO₂ qui ont été identifiées par la hiérarchisation des composés qui n'étaient que mieux éliminés par RH-SiO₂ par rapport à d'autres matériaux.En conclusion, RH-SiO₂ est un adsorbant prometteur et durable avec un fort potentiel pour des applications industrielles dans le traitement de l'eau. Son faible coût, ses propriétés adsorbantes élevées et son potentiel de mise à l'échelle en font un excellent candidat pour relever les défis industriels et environnementaux. Les études futures se concentreront sur l'évaluation de sa stabilité à long terme, l'amélioration des capacités d'adsorption, la régénération et la performance dans des conditions réelles.

This thesis presents the development of rice husk-derived silica (RH-SiO₂) as a sustainable adsorbent for the removal of multiple pollutants from industrial and wastewater effluents, with a particular emphasis on its potential for real-world applications. The study sought to optimise the process of extracting silica from rice husk, resulting in the production of a highly porous material with favourable adsorption characteristics. The production of RH-SiO₂ was achieved through acid leaching, pyrolysis, and calcination, resulting in a surface area of 320 m²/g and pore sizes suitable to the effective adsorption of metals and organic micropollutants (OMPs). Additionally, pyrolysis yielded potentially valuable by-products, namely bio-oil and syngas.In tests with real industrial effluent, RH-SiO₂ exhibited adsorption towards metals with a combination of different mechanisms and demonstrated the ability to retain its efficiency through multiple regeneration cycles. Although its adsorption capacity was inferior in real effluents relative to synthetic water, it remained competitive with other adsorbents. Furthermore, the thesis proposed methods to further enhance sustainability, including the utilisation of organic acids for regeneration and the implementation of continuous flow adsorption studies to optimise performance parameters.The removal of cationic and specific neutral OMPs by RH-SiO₂ was demonstrated in experiments with secondary effluent wastewater, with no evidence of breakthrough in column studies. The hydrophilic nature of the material in question served to minimise the of organic fouling, which is a common challenge in the context of activated carbon treatments. A novel cost and time-efficient methodology employing non-target screening (NTS) tools was developed to evaluate RH-SiO₂'s adsorption capacity. This methodology demonstrated the functionalities of RH-SiO₂ that were identified through the prioritisation of compounds that were only better removed by RH-SiO₂ in comparison to other materials.In conclusion, RH-SiO₂ is a promising, sustainable adsorbent with strong potential for industrial applications in water treatment. Its low cost, high adsorptive properties, and potential for scale-up make it an excellent candidate for addressing industrial and environmental challenges. Future studies will focus on evaluating its long-term stability, improving adsorption capacities, regeneration, and performance in real-world conditions.