Etude du couplage des procédés plasmas non thermique avec des matériaux carbonés fonctionnalisés pour le traitement des eaux

Study of the coupling of non-thermal plasma processes with functionalized activated carbon for water treatment

• Auteur / Autrice : Prisca Kandjo ngoubeyou
• Direction : Olivier Aubry, Dunpin Hong
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GREMI - Groupe de Recherches sur l'Energie des Milieux Ionisés

Mots clés

Mots clés libres

Dépollution

Procédés d'oxydation avancée

Toxicité

Matériaux

Plasma non thermiques

Traitement de l'eau

Advanced oxidation process

Water treatment

Toxicity

Materials

Non thermal plasma

Enviornement

Résumé

La qualité des eaux est une problématique environnementale majeure. De nombreuses contaminations sont observées, avec la détection de nouveaux polluants émergents dits micropolluants. Le plasma non thermique (PNT) couplé au carbone activé (CA) s'avère être une technique de procédé d'oxydation avancée prometteuse. Elle permet de dégrader des molécules organiques polluantes et d'engendrer une forte minéralisation signifiant une diminution de la quantité de matière organique dans les eaux traitées. Les PNT initiés dans l'air à pression atmosphérique, utilisés comme Procédés d'Oxydation Avancée, permettent de générer O3 mais aussi des espèces à faible durée de vie (radical OH, O atomique, …) avec des potentiels d'oxydation élevés sans ajout externe d'oxydants. Les concentrations des espèces réactives peuvent être contrôlées avec les paramètres plasmas. Le GREMI a déjà montré une amélioration de la dégradation de nombreuses molécules organiques (paracétamol, glyphosate, …) dans l'eau avec une augmentation de la minéralisation et une amélioration du rendement énergétique[1]. Une thèse effectuée au GREMI et à l'ICMN a permis de montrer la synergie du couplage plasma/carbones activés (CA) fonctionnalisés avec du fer pour le traitement d'herbicides (2,4-D, glyphosate) en termes de dégradation des molécules polluantes et de minéralisation[2]. Le matériau carboné fonctionnalisé a alors un rôle de promoteur de radiaux hydroxyles par réaction Fenton. Toutefois, il reste de nombreuses questions afin d'effectuer l'optimisation du procédé couplé et permettre son développement pour son application étendue (rôle du gaz injecté, des espèces oxydantes, effet cocktail, …) que cette thèse se proposera d'étudier. Il reste aussi difficile de tirer des conclusions définitives quant à l'efficacité des procédés au regard de la toxicité des eaux traitées. Par conséquent, dans le cadre de cette thèse, les échantillons traités par plasma seul ou plasma/CA seront analysés d'un point de vue impact biologique au laboratoire CBM à Orléans. L'objectif de la thèse est i) d'optimiser l'efficacité du traitement par PNT en le couplant à différents CA fonctionnalisés à façon sur des effluents liquides pollués avec des molécules cibles, ii) de comprendre les voies de dégradation et les mécanismes de formation des produits générés, iii) d'évaluer la toxicité des eaux traitées contenant des espèces générées. Le réacteur plasma mis en œuvre dans ce projet sera un réacteur de type Décharge à Barrière Diélectrique à pression atmosphérique [1,2]. Différents types d'alimentations électriques Haute-Tension seront testées afin de comparer leurs efficacités sur la dégradation des polluants et sur les produits générés et sur la toxicité des solutions traitées in fine. Les analyses des effluents traités par plasma et plasma/CA porteront sur la phase liquide pour suivre la dégradation du polluant et les molécules produites (uHPLC, uHPLC-MS), ainsi que le pH et le carbone organique en solution. Deux types d'effluents liquides sont envisagés dans le cadre de cette thèse en fonction des résultats aux appels à projets auxquels le GREMI a répondu : 1) traitement des effluents hospitaliers en collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire d'Orléans, et 2) traitement des per et polyfluoroalkylées (PFAS). Cette thèse s'effectuera en étroite collaboration avec deux laboratoires: l'ICMN (UMR 7374) qui fonctionnalisera et caractérisera les carbones activés et le CBM (UPR4301) pour les analyses biologiques.

The quality of water is a major environmental issue. Many contaminations are observed, especially by new detected emerging pollutants (PFAS, herbicides, pharmaceutical molecules ). Non-Thermal Plasma (NTP) coupled with Activated Carbon (AC) proved to be a promising advanced oxidation process technique. This coupled process can degrade polluting organic molecules and lead to significant mineralization, meaning a decrease in the amount of organic matter present in treated water. Non-thermal plasma initiated in air at atmospheric pressure, used as Advanced Oxidation Processes, generates O3 as well as short-lived species (such as hydroxyl radicals, atomic oxygen, etc.) with high oxidation potentials. The concentrations of reactive species can be controlled with plasma parameters. GREMI has already shown an improvement in the degradation of many organic molecules (e.g., paracetamol, glyphosate, etc.) in water with an increase in mineralization and an improvement in energy efficiency despite the use of iron-based catalysts not optimized in terms of morphology, composition, and structure. A thesis carried out at GREMI and ICMN labs demonstrated the synergy effects of plasma/functionalized activated carbon (AC) coupling for the treatment of herbicides (2,4-D, glyphosate) in terms of degradation of polluting molecules and mineralization. The functionalized carbon material acts as a promoter of hydroxyl radicals by Fenton reaction. This increases the efficiency of the process in eliminating molecules resistant to conventional processes. There are still many questions to be answered in order to optimize the coupled process and enable its development for extended application (role of injected gas, oxidizing species, cocktail effect, etc.) which this thesis will propose to investigate. It is still difficult to draw definitive conclusions regarding the effectiveness of the processes regarding the toxicity of the treated water. Therefore, within the framework of this thesis, samples treated by plasma alone or plasma/AC will be analyzed from a biological impact perspective at the CBM lab. The objective of the thesis is i) to optimize the efficiency of NTP treatment by coupling it with various custom-functionalized ACs on polluted liquid effluents containing target molecules, ii) to understand the degradation pathways and mechanisms of formation of the generated products, iii) to evaluate the toxicity of treated waters containing generated species. The plasma reactor implemented in this project will be an atmospheric pressure Dielectric Barrier Discharge reactor. Different types of high-voltage power supplies will be tested to evaluate their efficiencies in pollutant degradation, generated products and the toxicity of the treated solutions. Analyses of the effluents treated by plasma and plasma/AC will focus on the liquid phase to monitor pollutant degradation and produced molecules (uHPLC-MS...), as well as pH and organic carbon in solution. Two types of liquid effluents are envisaged in the framework of this thesis depending on the results of calls for projects to which the thesis supervisor has responded: treatment of hospital effluents in collaboration with the Hospital of Orleans or treatment of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS). This thesis will be carried out in collaboration with two laboratories: ICMN (UMR7374), which will provide and characterize the functionalized activated carbons, and CBM (UPR4301) for biological analyses. [1] Korichi N., Aubry O., Rabat H., Cagnon B., Hong D. (2020) Catalysts, 10(9), 959 [2] Mohamed Ali A. (2024), PhD thesis, University of Orleans, defended on February 13, 2024 Other References Ajo P. et al. (2018) J. Environ. Chem. Eng., doi.10.1016/j.jece.2018.02.007 Panorel I. et al. (2013) Environ. Technol., doi.10.1080/09593330.2012.722691 Magureanu M. et al. (2015) Water Res., doi.10.1016/j.watres.2015.05.037 Baloul Y. et al., (2017) Eur. Phys. J. Appl. Phys., doi.10.1051/epjap/2017160472