Soutenance mémoire
Au même titre que les enjeux énergétiques, l’accès à la ressource en eau représente l’un des défis majeurs de l’humanité au cours des prochaines décennies. L’eau est un composant essentiel de la nature, exploité de manière multiforme par l’homme pour des besoins de survie sur la planète. La célèbre expression « l’eau c’est la vie » ne saurait être un simple slogan car depuis le début de l’humanité, l’eau est le «carburant » quotidien de tout être vivant (Homme, animaux, végétaux) pour la satisfaction de besoins vitaux (croissance, alimentation, hygiène). Dans la bible, livre de référence de la religion chrétienne, l’eau est présentée comme un composant essentiel de la nature que Dieu a délibérément créé pour faciliter la vie de ses «créatures ». Dans le monde moderne, les ressources en eau représentent un pilier important de croissance économique des pays. Les activités de pêches, agriculture et industrie sont tributaires de l’accès et de la bonne gestion des ressources en eau.
Malgré l’abondance des ressources (~70% de la surface terrestre), de nombreuses populations à travers le monde connaissent des problèmes d’accès à l’eau. L’une des principales causes de cette situation est la répartition inégale de la ressource sur la planète, certaines régions du monde pouvant être 10 fois plus dotées que d’autres, en eau souterraines et de surface [1]. La forte croissance démographique et les changements climatiques contribuent à aggraver la problématique d’accès à l’eau de certaines régions du monde. Outre les aspects quantitatifs, la qualité des ressources en eau est sérieusement menacée par la pollution provenant d’activités anthropiques diverses. Les secteurs agricoles, industriels et ménagers déversent d’importantes quantités de polluants de différentes natures dans les eaux douces, les rendant impropres à l’utilisation. A ce titre, les problèmes de qualité et de quantité de la ressource en eau douce préoccupent l’opinion internationale tout entière, et de ce fait figurent parmi les défis majeurs de la planète à travers les Objectifs du Millénaire pour le Développement Durable (ODD) [2].
Pollution des eaux et enjeux socioéconomiques et environnementales
L’eau : une ressource naturelle à protéger
L’eau est un composant essentiel de l’environnement et à ce titre sa préservation représente un enjeu essentiel au regard des changements climatiques[27]. C’est une ressource sur laquelle repose en grande partie les activités économiques d’un pays. L’agriculture, l’industrie, la pèche, l’élevage et les activités des ménages dépendent directement ou indirectement des eaux de surface et des nappes souterraines. Au cours des dernières décennies , ces différentes activités anthropiques ont connues une croissance sans précédent, au rythme des activités industrielles, avec pour corolaire une pression importante sur les ressources en eau.
Face à cette situation, l’Homme est dorénavant contraint à réduire en amont la charge polluante des eaux résiduaires issues des différentes activités anthropiques, avant leur déversement dans les cours d’eau naturels. En aval, il est appelé à recourir à des techniques de traitement afin de dépolluer l’eau contaminée, destinée à l’utilisation dans les différents secteurs d’activités.
Les différents types de pollution
L’eau douce (en surface ou souterraine) présente fondamentalement une faible charge polluante qui provient des autres composants de l’environnement à savoir le sol et l’air [27]. Les contraintes exercées sur l’eau par l’Homme et ses différentes activités est à l’origine de l’augmentation du niveau de contamination de la ressource. La pollution dans les eaux peut être d’origine microbiologique ou chimique [1]. Les polluants chimiques sont soit de nature organique soit de nature minérale. La pollution peut être également classée en fonction du niveau de toxicité du polluant vis-à-vis de l’Homme et son écosystème. C’est ainsi qu’il existe des macropolluants qui sont présents naturellement dans les eaux à des niveaux de toxicité moindre. Par contre, les micropolluants sont des composés chimiques qui présentent un niveau élevé de toxicité, même à de très faibles concentrations (de l’ordre du µg/L au ng/L). Une distinction est également faite entre les polluants biodégradables et non biodégradables. Ces derniers encore appelés biorécalcitrants, nécessitent des techniques de traitements spécifiques.
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[2].
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.
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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.3.4.2.1La séparation post traitement
A.3.4.2.2Les phénomènes de recombinaison des charges
A.3.4.2.3La 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.3.4.4.1La ressource solaire
A.3.4.4.2Les 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.4.2.2.1La porosité des charbons actifs
A.4.2.2.2Les fonctions de surface des charbons actifs
A.4.2.3 Synthèse des charbons actifs
A.4.2.3.1Les matières premières utilisées pour la synthèse des charbons actifs
A.4.2.3.2Les méthodes et mécanismes de synthèse du charbon actif
A.4.2.4 La régénération des charbons actifs
A.4.2.4.1La régénération par voie physique
A.4.2.4.2La régénération microbiologique
A.4.2.4.3La régénération par voie chimique
A.4.2.4.4Concept 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.4.3.1.1Les précurseurs organiques de TiO2
A.4.3.1.2Les poudres commerciales de TiO2
A.4.3.2 Voies de fixation des nanoparticules de TiO2 sur le charbon actif
A.4.3.2.1Fixation des nanoparticules TiO2 par voie sol gel
A.4.3.2.2Fixation des nanoparticules TiO2 par voie de dépôt en phase vapeur
A.4.3.2.3Infiltration 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.5.1.1.1Le modèle d’isotherme de Langmuir
A.5.1.1.2Modèles 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
Conclusion Générale
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