Couplage des procédés d adsorption et d ozonation pour l élimination de molécules bio-récalcitrantes

Abstract

Les molécules organiques bio-récalcitrantes ou toxiques issues des eaux résiduaires industrielles ne peuvent être traitées par des procédés conventionnels tels que la dégradation biologique. Pour cela, des techniques plus poussées et coûteuses doivent être utilisées comme par exemple l incinération, l oxydation ou l adsorption. Ici, un procédé d oxydation avancé original a été étudié : un couplage utilisant à la fois l adsorption et l oxydation de la matière organique. En effet il a été montré que la présence de charbon actif ou de zéolithes hydrophobes, comme la faujasite, favorise la décomposition de l ozone en radicaux hydroxyles. Ces radicaux hydroxyles (HO : E=2,8 V) ont un pouvoir oxydant plus important que la molécule d ozone elle-même (O3 : E=2,07 V) et présentent une faible sélectivité. Ils permettent donc d augmenter l efficacité de l oxydation. La première partie de ce travail est consacrée à la compréhension des interactions entre l ozone et les adsorbants. La décomposition de l ozone est favorisée en présence de charbon actif mésoporeux mais au prix de la dégradation de la structure poreuse. En revanche, la structure de la faujasite n est pas modifiée sous l action de l ozone mais l effet sur la formation de radicaux hydroxyles est très faible. Le nitrobenzène et le 2,4-dichlorophénol ont ensuite été utilisés comme molécules modèles pour tester le procédé. Les essais d adsorption ont mis en évidence que les charbons actifs sont de meilleurs adsorbants que la faujasite. Le couplage ozone/adsorbant s avère être efficace avec les charbons actifs pour traiter les molécules difficilement ozonables comme le nitrobenzène. En revanche, il est peu efficace pour éliminer des molécules facilement ozonable comme le 2,4 dichlorophénol ou lorsque la faujasite est utilisée comme matériau. Enfin, une utilisation en mode séquentiel, adsorption puis régénération à l ozone, permet d augmenter la durée de vie des charbons actifs d un facteur 2,1 à 2,7 selon le charbon actif utilisé. Dans une dernière partie, une application avec un effluent industriel a été réalisée. L adsorption des matières organiques contenues dans cet effluent est compromise car la taille des espèces est trop importante par rapport à celle des pores des charbons actifs : l adsorption n a donc lieu que sur la surface externe. De plus, le couplage simultané ozone/charbon actif n améliore pas les rendements d élimination. Par contre, l utilisation du procédé en mode séquentiel permet d augmenter la durée de vie du charbon actif par rapport à une simple adsorptionIndustrial wastewaters often contain bio-recalcitrant compounds which cannot be removed with conventional processes such as biological treatments. Thus sophisticated and expensive techniques have to be used, such as incineration, adsorption or oxidation. In this study, an original advanced oxidation process is studied: a hybrid process that combines the performances of adsorption and oxidation. Indeed, previous studies have showed that activated carbons or hydrophobic zeolites, like faujasite, improve ozone decomposition into hydroxyl radicals. These hydroxyl radicals (E = 2.8 V) have a higher oxidation capacity than the ozone molecule (E = 2.07 V) and thus increase the oxidation efficiency. First the interaction between the ozone molecules and the adsorbents is analysed. Ozone decomposition is mostly favoured when a mesoporous activated carbon is used but the degradation of the material s structure is important. On the other hand, the faujasite structure is not modified by ozone oxidation but the ability of this medium to decompose ozone is weak. Nitrobenzene and 2,4-dichlorophenol are then used as model target molecules. It appears that the adsorption capacity is higher for activated carbons than for faujasite. The hybrid process, which simultaneously combines activated carbon and ozone, is efficient to remove the compounds that are weakly oxidized by ozone alone, such as nitrobenzene, but it is not efficient for 2,4-dichlorophenol oxidation because this molecule is too easily removed by single ozone. Moreover, the sequential mode (adsorption followed by regeneration with ozone) allows increasing 2 to 3 fold the activated carbon lifetime. Finally, an industrial effluent was studied. Organic matter is not well adsorbed onto activated carbon since the molecules sizes are larger than the media micropores. Thus, the adsorption phenomenon only occurs onto the external surface. Moreover, the simultaneous ozone/activated carbon process does not improve the treatment yield but the sequential application allows increasing the activated carbon lifetime compared to a classical adsorption stepTOULOUSE-INSA (315552106) / SudocSudocFranceF