Le sable noir Equatorien comme précurseur à bas cout de matériaux photocatalytiques pour le traitement de l'eau à partir d'énergie solaire

Photocatalytic materials for solar-driven water remediation using Ecuadorian black sand as low-cost precursor

• Auteur / Autrice : Salomé Galeas
• Direction : Vincent Goetz, Patricia Ponton, Víctor Hugo Guerrero Barragán
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan)
• Jury : Président / Présidente : Serge Chiron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benaïssa Rhouta, Andrea Landazuri, Gaël Plantard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Chiron, Benoît Cagnon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie solaire

Eau -- Épuration

Photocatalyse

Mots clés libres

Photocatalyse

Procédés d'oxydation avancés

Traitement de l'eau

Energie solaire

Photocatalysis

Advanced oxidation processes

Water rmediation

Solar energy

Résumé

Le développement des activités industrielles, la croissance de la population au cours des dernières décennies, ont entraîné ne augmentation de la pollution de l'eau. Différents contaminants peuvent être détectés dans les ressources en eau, notamment des polluants organiques, des métaux lourds, des agents pathogènes, etc., et ils peuvent provenir de diverses sources, telles que les eaux usées, les rejets domestiques, agricoles et industriels. Parmi ces contaminants, les polluants organiques ont démontré qu'ils avaient des effets néfastes sur la santé humaine et l'environnement en raison de leur toxicité élevée, de leur abondance et de leur persistance. Les techniques d'assainissement classiques ne peuvent généralement pas dégrader les polluants organiques ; l'utilisation de procédés d'oxydation avancés (POA) constitue donc une alternative viable. Les procédés d'oxydation avancés sont des processus efficaces qui consistent à générer in situ des espèces hautement réactives appelées radicaux qui réagissent avec les molécules de polluants pour les dégrader en espèces moins toxiques, idéalement jusqu'à la minéralisation par la formation de CO2, d'eau et d'ions inorganiques. Les radicaux peuvent être générés de différentes manières, telles que les ultrasons, la photoinduction, l'électricité, etc. La photocatalyse hétérogène implique l'utilisation d'un semi-conducteur appelé photocatalyseur et d'une source d'irradiation lumineuse capable d'exciter les électrons pour produire des radicaux. Lorsque les photons incidents ont une énergie égale ou supérieure à la bande interdite du photocatalyseur, l'absorption des photons produit l'excitation des électrons de la bande de valence à la bande de conduction, générant des paires électron-trou qui conduisent à la production de radicaux qui réagiront avec les polluants et les dégraderont. Les développements actuels portent sur l’élaboration de photocatalyseurs capables de fonctionner dans le domaine visible afin de tirer parti des ressources solaires, compte tenu du fait que la lumière visible occupe 47 % du spectre solaire. Il est par ailleurs également souhaitable lors de l’élaboration de ces photocatalyseurs d'utiliser des précurseurs peu coûteux, largement disponibles et des méthodes de synthèse respectueuses de l'environnement.Dans ce contexte, le sable noir équatorien dont la composition est estimée à 0,6FeTiO3-0,4Fe2O3 a été utilisé comme récurseur à faible coût pour la synthèse de l'oxalate ferreux dihydraté (α-FOD), un photocatalyseur dont l'activité se situe dans le domaine visible. Une voie hydrothermale de chimie douce dans des conditions sous-critiques a été utilisée. L'activité photocatalytique de l'α-FOD a été évaluée pour la dégradation du phénol sous lumière visible. Dans la première partie de cette thèse, le photocatalyseur a été synthétisé et caractérisé, la cinétique de la réaction de synthèse a été explorée. Ensuite, l'influence des conditions de synthèse (y compris l'utilisation de co-solvants) sur les caractéristiques des α-FOD et leur activité photocatalytique pour la dégradation du phénol sous rayonnement visible a été étudiée, démontrant leur potentiel pour des applications solaires. Dans une seconde partie, une étude détaillée sur la cinétique de la dégradation du phénol sous irradiation de lumière visible est présentée. Les conditions explorées sont la concentration initiale du polluant, le pH de la solution et le dosage de l'α-FOD. L'effet de l'ajout de peroxydisulfate (PDS) en tant qu'oxydant primaire sur la vitesse de dégradation a également été abordé. Enfin, un composite constitué d'α-FOD supporté par du charbon actif granulaire a été développé par une voie de synthèse originale et simple. Le composite a été testé au cours de cycles successifs d'adsorption et de photocatalyse, montrant un niveau raisonnable de cyclabilité et une capacité de dégradation des composés phénoliques prometteuse pour leur élimination efficace par dégradation sous l'action du soleil.

The development of industrial activities, as well as the population growth during the last decades, have resulted in an increment of the water pollution. Different contaminants can be found in waterbodies, including organic pollutants, heavy metals, pathogens, etc., and they can come from diverse sources, such as sewage, domestic, agricultural, and industrial discharges. Among these contaminants, organic pollutants have demonstrated to produce very serious effects on human health and the environment due to their high toxicity, abundance, and persistence. Typical remediation techniques usually cannot degrade organic pollutants; therefore, employing advanced oxidation processes (AOPs) presents a viable alternative. AOPs are effective and sustainable processes that consist in thegeneration in situ of highly reactive species called radicals that react with the pollutants molecules to degrade them into less toxic species, ideally reaching mineralization by the formation of CO2, water, and inorganic ions. Radicals can be generated in several ways, such as ultrasound, photoinduction, electricity, etc. Heterogeneous photocatalysis involves the use of a semiconductor called a photocatalyst and a light irradiation source able to excite the electrons to produce radicals. When the incident photons have an energy equal to or superior to the bandgap of the photocatalyst, the absorption of the photons will produce the excitation of the electrons from the valence band to the conduction band, generating electron-hole pairs, which react with electron donors and electron acceptors to produce the radicals that will react with the pollutants, degrading them. Present developments are devoted to producing photocatalysts able to work in the visible range to take advantage of the solar resource, considering that visible light occupies 47% of the solar spectrum. In addition, the use of widely available low-cost precursors and environmentally friendly synthesis routes is desirable. In this context, Ecuadorian black sand with an estimated composition of 0.6FeTiO3·0.4Fe2O3 was used as a low-cost precursor for the synthesis of α-ferrous oxalate dihydrate (α-FOD), a photocatalyst with activity in the visible range. For this purpose, a soft-chemistry hydrothermal route under subcritical conditions was developed. The photocatalytic activity of the α-FOD was evaluated for phenol degradation under visible light with the objective of being used in solar-driven water remediation. In the first part of this dissertation, the photocatalyst was synthesized and characterized, and the kinetics of the synthesis reaction was explored. Then, the influence of the synthesis conditions (including the use of co-solvents) on the characteristics of the α-FOD and their subsequent photocatalytic activity towards phenol degradation under visible light irradiation was studied, demonstrating their potential to be used in solar applications. In the next part of the work, a detailed study on the kinetics of phenol degradation under visible light irradiation is presented. The explored conditions were the initial pollutant's concentration, the solution pH, and the α-FOD dosage. Then, the effect of the addition of peroxydisulfate (PDS) as a primary oxidant on the degradation rate was addressed. Finally, a composite consisting of α-FOD supported on granular activated carbon was developed through an original and simple synthesis route. The composite was tested during successive cycles of adsorption and photocatalysis, exhibiting a reasonable level ofcyclability and showing a promising application for the effective removal of phenolic compounds by solar-driven water degradation.