La qualité de l’eau et les techniques avancées de traitement 

La qualité de l’eau

La qualité de l’eau et les techniques avancées de traitement 

Cas spécifique de la photocatalyse hétérogène sur les matériaux composites CA-TiO2 D’après le rapport 2015 du programme commun OMS/UNICEF [10], il est évalué à 663 millions la population mondiale sans accès à l’eau potable, et à 2,3 milliards la population ne disposant pas d’un système d’assainissement. Ce rapport relève par ailleurs que les pays en voie de développement sont les plus touchés, avec environ 8 personnes sur 10 qui vivent en zones rurales. En effet, les zones reculées des pays pauvres ne sont en général pas couvertes par les réseaux publics d’approvisionnement en eau courante et d’assainissement, avec pour corolaire la prolifération de nombreuses maladies d’origine hydrique [1,2]. La pauvreté représente donc l’une des principales causes de cette situation regrettable et les nombreux efforts à consentir doivent tenir compte du faible niveau de revenu, mais également du potentiel local disponible. Cette Partie A présente les besoins en matière d’eau et assainissement à travers le monde, en se concentrant plus particulièrement sur les pays de l’Afrique subsaharienne, l’une des régions les plus concernées. En effet, face à un contexte de pauvreté et à la prolifération de nouvelles familles de polluants biorécalcitrants, les besoins se complexifient, notamment en matière de techniques adaptées de traitement de l’eau. Un état de l’art sera présenté sur les techniques de traitement existantes, avec pour objectif d’identifier celles qui peuvent le mieux s’adapter aux conditions socioéconomiques en régions subsahariennes.

Cela fait maintenant quelques années que les techniques de traitement basées sur les procédés d’oxydation avancée font l’objet de nombreuses études, avec pour principale cible les eaux contaminées par les polluants biorécalcitrants [20,21]. Les procédés d’oxydations avancées (POAs) s’appuient sur la forte réactivité des espèces chimiques radicalaires capables de détruire les espèces de polluants les plus résistantes, en particulier celles qui résistent aux traitements classiques de l’eau. Parmi les POAs, la technique de photocatalyse hétérogène sur du dioxyde de titane (TiO2) est très intéressante de par son caractère « durable » et sa facilité de mise en oeuvre [22,23]. Cependant, l’utilisation du TiO2 sous forme nanoparticulaire est contraignante, notamment l’étape de post séparation (procédé d’ultrafiltration) qui implique des couts de production élevés.

Face à cette situation, l’une des solutions les plus prometteuses est d’immobiliser du TiO2 sur un matériau support comme du charbon actif (CA) pour permettre une étape de séparation plus aisée. Par ailleurs, les grandes surfaces d’échange développées sur le CA confèrent au matériau CA-TiO2une bonne capacité d’adsorption vis-à-vis du polluant, ajouté aux propriétés photocatalytiques du TiO2[11]. L’utilisation des matériaux CA-TiO2 représente une option intéressante pour la dépollution de l’eau car le CA est un produit relativement peu couteux, en particulier lorsqu’il est issu de sous-produits agroindustriels [https://www.chatpfe.com/]. Par ailleurs, l’activation du TiO2par voie solaire fait des matériaux CA-TiO2 des catalyseurs innovants qui répondent aux exigences en matière de « technologie verte ». De façon plus spécifique, ces matériaux hybrides représentent un atout intéressant pour le traitement de l’eau en Afrique subsaharienne où il est enregistré un fort taux d’ensoleillement le long de l’année (2000 KWh.m2.an-1 en moyenne) [26]. Vu l’attractivité des matériaux composites CA-TiO2, leur élaboration par des voies de synthèse efficaces et peu couteuses représente un véritable challenge et un enjeu pour la recherche [13]. Les voies de synthèse détaillées dans la littérature, ainsi que les différentes contraintes liées à leur implémentation, seront passées en revue dans cette Partie. Les propriétés des matériaux composites CA-TiO2 seront également abordées, de même que les mécanismes et les théories qui gouvernent l’élimination des polluants par ces catalyseurs innovants. A l’issue de cette première partie, les objectifs de recherche liés à la présente étude seront présentés.

Pollution microbiologique

La pollution microbienne de l’eau d’origine anthropique provient principalement des fosses septiques, des décharges, des activités agropastorales et des fuites de canalisations destinées à l’écoulement de divers égouts. De nombreuses souches microbiennes sont les causes de maladies endémiques qui sévissent encore dans plusieurs pays dans le monde, pour la plupart en voie de développement. Il s’agit notamment des parasites comme les Schistosomes et le Plasmodium, à l’origine de maladies mortelles que sont la Schistosomiase et la Malaria [28]. Les bactéries pathogènes les plus connues sont les coliformes thermotolérants comme Escherichia Coli et les streptocoques fécaux des genres Enteroccus et Streptococcus. Peut également être citée la bactérie Vibrio cholerea qui est à l’origine du choléra.

La plupart de ces maladies ont considérablement régressé dans les pays développés où des techniques et des infrastructures de traitement et d’assainissement ont été mises sur pied pour les éradiquer. Par contre, dans les pays en voie de développement, le taux de prévalence de ces maladies reste assez élevé. D’après les données de l’OMS [2], la pollution microbienne est la première cause de maladie d’origine hydrique en Afrique subsaharienne où quatre maladies sur cinq sont causées par l’exposition des populations aux agents pathogènes provenant des eaux [2]. En 2012, 600.000 décès infantiles sont enregistrés à travers le monde dont la majorité en Afrique subsaharienne. Cette situation regrettable s’explique essentiellement par le manque d’infrastructures destinées au traitement de l’eau, en particulier celles adaptées aux populations défavorisées, en majorité rurales.

Pollution chimique

Il faut distinguer la pollution chimique minérale et la pollution chimique organique. Les polluants minéraux sont principalement constitués de métaux toxiques qui proviennent de l’activité anthropique et quelques fois de la géologie des sols et des aquifères en ce qui concerne les eaux souterraines [29]. Les minéraux comme l’arsenic (As), les cyanures (CN-), le Plomb (Pb), le mercure (Hg), le cadmium (Cd) et le chrome (Cr) sont des micropolluants toxiques issus de diverses industries chimiques et métallurgiques (Annexe A.1). Ces éléments sont susceptibles de provoquer des troubles gastro-intestinaux ou encore du fait de la bioaccumulation, affecter le système nerveux central pour déclencher diverses maladies graves à l’instar des maladies d’Alzheimer et de Parkinson [29]. Les éléments tels que le cuivre (Cu), le zinc (Zn), le fer (Fe), le fluor (F) les nitrates (NO3-) et les phosphates (PO43-) sont présents naturellement dans les eaux. Ils peuvent aussi être considérés comme des indicateurs de pollution d’origine anthropique lorsqu’ils sont retrouvés à des concentrations relativement élevées. Les déchets d’équipements électriques et électroniques (DEEE) représentent également un sérieux problème de pollution par les métaux nocifs comme le plomb et le mercure. Selon l’organisation des nations unies pour l’environnement (UNEP), le taux élevé de pénétration des équipements électriques et électroniques en Afrique de l’Ouest par exemple, représente un véritable danger pour les ressources en eau. Les hydrocarbures, les pesticides [3] et les produits pharmaceutiques [20] sont fortement représentés parmi les polluants chimiques d’origine organique. Les pesticides sont des insecticides, fongicides et les herbicides utilisés en agriculture pour la protection des cultures et l’augmentation des rendements agricoles. Leur présence (et celles de leurs dérivés) dans les eaux douces a connu une évolution sans précédent depuis le début de la deuxième moitié du 20ième siècle considéré comme l’âge de la révolution de l’industrie chimique [30]. Ces composés sont pour la plupart des molécules organiques de synthèse très stables (difficiles à dégrader) et sont à l’origine de nombreux troubles chez l’Homme et notamment de certaines formes de cancer ou de problèmes de fertilité [31]. Malgré les mesures prises en 2001 par plusieurs pays pour limiter l’utilisation et interdire l’utilisation d’une vingtaine de ces produits particulièrement dangereux (convention de Stockholm), les ressources en eau continuent d’être contaminées. En France par exemple, des études montrent que plus de 50% des eaux souterraines sont contaminées par les pesticides etleurs dérivés (Figure A-3).

Table des matières

Introduction Générale
Partie A. La qualité de l’eau et les techniques avancées de traitement : cas spécifique de la photocatalyse hétérogène sur les matériaux composites CA-TiO2
A.1 Introduction
A.2 Pollution des eaux et enjeux socioéconomiques et environnementales
A.2.1 L’eau : une ressource naturelle à protéger
A.2.2 Les différents types de pollution
A.2.2.1 Pollution microbiologique
A.2.2.2 Pollution chimique.
A.2.3 Les polluants biorécalcitrants émergents dans le contexte socioéconomique de l’Afrique subsaharienne
A.3 Méthodes de dépollution de l’eau : des procédés conventionnels vers les procédés d’oxydation avancée
A.3.1 Introduction
A.3.2 Elimination de la matière organique par des techniques classiques de dépollution de l’eau
A.3.2.1 Les traitements biologiques
A.3.2.2 Les traitements physiques
A.3.2.3 Les traitements chimiques
A.3.2.4 Conclusion partielle
A.3.3 Les procédés d’oxydation avancée
A.3.3.1 Procédés d’oxydation avancée par voie chimique homogène
A.3.3.2 La photocatalyse hétérogène
A.3.4 Le TiO2 en photocatalyse hétérogène
A.3.4.1 Le TiO2 : un matériau « durable » et photoréactif
A.3.4.2 Les contraintes liées à technique de photocatalyse hétérogène sur le TiO2
A.3.4.2.1 La séparation post traitement
A.3.4.2.2 Les phénomènes de recombinaison des charges
A.3.4.2.3 La source de lumière
A.3.4.3 Amélioration des propriétés du TiO2 par dopage avec des éléments chimiques
A.3.4.4 La photocatalyse solaire sur le TiO2
A.3.4.4.1 La ressource solaire
A.3.4.4.2 Les limites de la photocatalyse solaire
A.3.5 Conclusion partielle
A.4 Matériaux CA-TiO2 en photocatalyse hétérogène
A.4.1 Introduction
A.4.2 L’adsorption sur le charbon actif
A.4.2.1 Le principe de l’adsorption
A.4.2.2 Les propriétés des charbons actifs
A.4.2.2.1 La porosité des charbons actifs
A.4.2.2.2 Les fonctions de surface des charbons actifs
A.4.2.3 Synthèse des charbons actifs
A.4.2.3.1 Les matières premières utilisées pour la synthèse des charbons actifs
A.4.2.3.2 Les méthodes et mécanismes de synthèse du charbon actif
A.4.2.4 La régénération des charbons actifs
A.4.2.4.1 La régénération par voie physique
A.4.2.4.2 La régénération microbiologique :
A.4.2.4.3 La régénération par voie chimique
A.4.2.4.4 Concept d’auto-régénération des charbons actifs par photocatalyse
A.4.3 Voies de synthèse des matériaux composites CA-TiO2
A.4.3.1 Les précurseurs de TiO2utilisés pour la synthèse des matériaux CA-TiO2
A.4.3.1.1 Les précurseurs organiques de TiO2
A.4.3.1.2 Les poudres commerciales de TiO2
A.4.3.2 Voies de fixation des nanoparticules de TiO2 sur le charbon actif
A.4.3.2.1 Fixation des nanoparticules TiO2 par voie sol gel
A.4.3.2.2 Fixation des nanoparticules TiO2 par voie de dépôt en phase vapeur
A.4.3.2.3 Infiltration du charbon actif par des suspensions de nanoparticules TiO2
A.4.4 Conclusion partielle
A.5 Modélisation des mécanismes de photocatalyse sur les matériaux CA-TiO2
A.5.1 Modélisation des phénomènes d’adsorption des polluants sur les matériaux poreux
A.5.1.1 Les modèles d’isothermes d’adsorption des polluants sur les matériaux poreux
A.5.1.1.1 Le modèle d’isotherme de Langmuir
A.5.1.1.2 Modèles d’isotherme d’adsorption de Freundlich
A.5.1.2 Les modèles de cinétiques d’adsorption d’un polluant sur un matériau poreux
A.5.2 Les modèles de cinétiques de photodégradation d’un polluant en catalyse hétérogène
A.5.2.1 Le modèle cinétique de Langmuir–Hinshelwood (L-H)
A.5.2.2 Autres modèles de cinétiques de dégradation d’un polluant en catalyse hétérogène
A.5.3 Modèles de couplage des phénomènes d’adsorption et de photodégradation
A.6 Conclusion et objectifs de l’étude
Partie B. Synthèse et caractérisation physico-chimique des catalyseurs CA-TiO2
B.1 Introduction
B.2 Synthèse des charbons actifs
B.2.1 Matériel biologique : les biomasses
B.2.1.1 Les coques de noix de karité
B.2.1.2 Le bois d’eucalyptus
B.2.2 Méthodes de caractérisation des biomasses utilisées pour la synthèse des charbons actifs
B.2.3 Méthodologie expérimentale de synthèse des charbons actifs
B.2.3.1 Imprégnation des biomasses par les agents chimiques activant
B.2.3.2 Pyrolyse des biomasses imprégnées d’agents chimiques activant
B.2.3.3 Variation des paramètres expérimentaux pour la synthèse des charbons actifs : le plan d’expérience
B.2.4 Détermination de la capacité d’adsorption des charbons actifs
B.2.4.1 Détermination de l’indice d’iode des charbons actifs
B.2.4.2 Détermination de l’indice de bleu de méthylène des charbons actifs
B.2.4.3 Détermination de l’indice du phénol des charbons actifs
B.3 Elaboration des matériaux CA-TiO2
B.3.1.1 Caractéristiques du précurseur de TiO2 : le TIP
B.3.1.2 Protocole de fixation du TiO2 sur le CA
B.3.2 Synthèse des matériaux CA-TiO2 par imprégnation du CA avec le sol commercial de TiO2
B.3.2.1 Caractéristiques du précurseur de TiO2 : le sol commercial de TiO2
B.3.2.2 Protocole de fixation du TiO2 sur le CA
B.3.3 Imprégnation directe de la biomasse par le sol commercial de TiO2
B.4 Nomenclature des matériaux hybrides CA-TiO2
B.5 Techniques instrumentales et analytiques de caractérisation du CA et des matériaux hybrides CA-TiO2
B.5.1 La microscopie électronique à balayage
B.5.2 La spectroscopie X à dispersion d’énergie
B.5.3 La diffraction aux rayons X
B.5.4 La spectroscopie à photoélectrons X
B.5.5 La technique d’adsorption désorption à l’azote
B.5.6 L’analyse thermogravimétrique
B.5.7 Détermination des groupes fonctionnels acides et basiques à la surface des CA
B.6 Influence des paramètres de synthèse sur les propriétés d’adsorption des charbons actifs.
B.6.1 Introduction
B.6.2 Composition chimique des biomasses utilisées pour la synthèse des charbons actifs
B.6.3 Statistiques générales de la variation de la capacité d’adsorption dans la « population » des charbons actifs élaborés.
B.6.4 Influence des paramètres quantitatifs sur les propriétés d’adsorption des charbons actifs.
B.6.5 Influence des paramètres qualitatifs sur les propriétés d’adsorption des charbons actifs
B.6.6 Conclusion partielle et choix des charbons actifs
B.7 Caractéristiques physico-chimique des charbons actifs et des matériaux CA-TiO2
B.7.1 Introduction
B.7.2 Caractéristiques physico-chimiques des charbons actifs présélectionnés.
B.7.2.1 Morphologie des surfaces des charbons actifs
B.7.2.2 Texture poreuse des charbons actifs présélectionnés
B.7.2.3 Les fonctions chimiques de surface des charbons actifs présélectionnés
B.7.2.4 Conclusion sur les charbons actifs présélectionnés
B.7.3 Caractéristiques physico-chimiques des matériaux hybrides CA-TiO2
B.7.3.1 Teneur en TiO2 des matériaux CA-TiO2
B.7.3.2 Morphologie des surfaces développées sur les matériaux CA-TiO2
B.7.3.3 Structure cristalline des matériaux CA-TiO2
B.7.3.4 Résultats de l’analyse XPS
B.7.3.5 Structure poreuse des matériaux CA-TiO2 issus des différentes voies de synthèse
B.8 Conclusion
Partie C. Etude des performances des catalyseurs CA-TiO2 : adsorption et photodégradation du phénol en milieu aqueux
C.1 Introduction
C.2 Protocole expérimental
C.2.1 Banc d’expérimentation
C.2.2 Le polluant : le phénol
C.2.3 Mode opératoire des expériences d’adsorption et de photocatalyse.
C.2.3.1 Détermination expérimentale des vitesses d’adsorption et des cinétiques de photocatalyse
C.2.3.1.1 Procédures expérimentales
C.2.3.1.2 Expression des résultats
C.2.3.2 Détermination des isothermes d’adsorption du phénol
C.2.3.3 Evaluation de la stabilité mécanique des matériaux CA-TiO2
C.3 Isothermes d’adsorption
C.3.1 Isothermes des matériaux composites CAT.SX
C.3.1.1 Influence de la teneur en TiO2sur la capacité d’adsorption du phénol
C.3.1.2 Comparaison des capacités d’adsorption du CA et des matériaux composites CAT.SX
C.3.1.3 Modélisation des résultats expérimentaux d’isothermes d’adsorption du phénol
C.3.1.3.1 Expression de l’isotherme d’adsorption réduite à la quantité de charbon actif
C.3.1.4 Conclusion partielle sur les isothermes des matériaux CAT.SX
C.3.2 Isothermes des matériaux CAT.GX
C.3.2.1 Influence de la teneur en TiO2 des matériaux CAT.GX
C.3.2.2 Comparaison des capacités d’adsorption du CA et des matériaux CAT.GX
C.3.2.3 Modélisation des isothermes d’adsorption du phénol par les matériaux CAT.GX
C.3.3 Isothermes des matériaux CAT.SBX
C.3.4 Analyse comparative des isothermes des matériaux composites CA-TiO2de différentes familles
C.3.5 Conclusion partielle
C.4 Profils de cinétiques d’adsorption du phénol par les matériaux CA-TiO2
C.4.1 Cinétiques d’adsorption du CA et des TiO2 purs
C.4.2 Cinétiques d’adsorption des matériaux composites CA-TiO2.
C.5 Activité photocatalytique des matériaux CA-TiO2 : étude comparative
C.5.1 Introduction
C.5.2 Activité photocatalytique des matériaux TiO2 purs
C.5.3 Activité photocatalytique des matériaux CA-TiO2
C.5.3.1 Etude comparative des courbes de cinétiques d’adsorption et de photocatalyse
C.5.3.2 Performance du TiO2 et du matériau composites CA-TiO2 : étude comparative
C.5.3.3 Influence de la voie de synthèse sur l’activité photocatalytique des matériaux composites
C.5.3.4 Influence de la teneur en TiO2sur l’activité photocatalytique des matériaux composites.
C.5.4 Détermination du carbone organique total (COT)
C.5.5 Stabilité mécanique des catalyseurs CA-TiO2
C.6 Conclusion
Partie D. Modélisation de la bifonctionnalité des catalyseurs CAT.SXpourl’élimination du phénol en solution aqueuse : Recyclage et capacité d’auto régénération.
D.1 Introduction
D.2 Utilisation des catalyseurs CAT.SX sur plusieurs cycles d’utilisation
D.2.1 Protocole expérimental
D.2.2 Profil cinétique de disparition du phénol sur plusieurs cycles d’utilisation.
D.2.3 Cycles opérés sous irradiation UV alternée
D.2.4 Conclusion partielle
D.3 Modélisation de la cinétique d’élimination du phénol en solution par les catalyseursCAT.SX
D.3.1 Introduction
D.3.2 Modélisation des cinétiques d’élimination du phénol par les catalyseurs CAT.SX
D.3.2.1 Etablissement du modèle
D.3.2.1.1 Modélisation des vitesses de sorption et des conditions d’équilibre.
D.3.2.1.2 Photodégradation du polluant adsorbé
D.3.2.1.3 Détermination des coefficients du modèle kads etα
D.3.2.2 Résultats expérimentaux et simulations
D.3.2.2.1 Simulation sur des matériaux de différentes compositions.
D.3.2.2.2 Simulation des cinétiques de dégradation dans des solutions polluées à différentes concentrations initiales en phénol
D.3.2.2.3 Simulation sur plusieurs cycles
D.3.3 Illustration schématique de l’élimination du phénol par les catalyseurs CAT.SX
D.4 Evaluation technico économique des performances du catalyseur CAT.SX dans une installation de traitement par voie solaire d’une eau polluée par le phénol
D.4.1 Introduction
D.4.2 Critères technico économiques
D.4.2.1 Critères techniques
D.4.2.2 Critères économiques
D.4.3 Analyse comparative de l’utilisation du catalyseur hybride CAT.S25 par rapport aux données de littérature sur l’utilisation du TiO2 pur
D.5 Conclusion
Conclusion générale et Perspectives
Conclusion générale
Perspectives
Références
Liste des Figures
Liste des Tableaux
Abréviations

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