Développement d'un photocatalyseur à base d'oxyde de titane pour l'élimination de polluants et de bactéries en milieu aqueux

Abstract

Dans le cadre de la réutilisation des eaux usées et de l’accès limité à l’eau potable dans certaines régions du globe, de nouvelles techniques d’épuration nécessitant de faibles consommations d’énergie sont étudiées. Parmi ces nouvelles techniques, la photocatalyse hétérogène utilise des réactions d’oxydation et de réduction pour la dégradation de polluants organiques et de micro-organismes. Le photocatalyseur le plus employé est le TiO2. Lorsqu’il est illuminé par un rayonnement UV, des paires électron/trou sont générées et réagissent avec l’eau et l’oxygène pour former des radicaux libres qui vont dégrader les polluants. Le procédé sol-gel permet de contrôler facilement la texture, la cristallinité, l’introduction de dopants et la mise en forme de matériaux. Il a été utilisé dans ce travail pour la synthèse de photocatalyseurs à base de TiO2, (xérogels). À partir de sols en cours de gélification, des films de TiO2 ont été déposés par spin-coating. Après calcination, ces films sont actifs pour la dégradation du bleu de méthylène sous UV-A. Afin d’améliorer l’activité photocatalytique de xérogels de TiO2, des particules d’argent ont été introduites dans la matrice par cogélification. Ces particules d’argent améliorent l’activité du TiO2 pour la dégradation du bleu de méthylène sous UV-A. En plus de l’amélioration de l’activité photocatalytique, l’extension de l’activation du TiO2 au domaine visible du spectre solaire a été étudiée par sensibilisation avec des porphyrines. Ces porphyrines sont introduites d’une part, par greffage sur le catalyseur Degussa P25 et d’autre part, in situ dans la matrice de xérogels de TiO2. Le greffage des porphyrines ne permet pas l’activation du catalyseur Degussa P25 sous lumière halogène. Par contre, l’introduction in situ des porphyrines permet l’activation du TiO2 avec des longueurs d’onde du domaine visible et améliore ainsi l’activité des xérogels sous lumière halogène pour la dégradation du p-nitrophénol. L’activité antibactérienne de plusieurs catalyseurs préparés au cours de la thèse a également été évaluée pour la dégradation de deux espèces de bactéries : Escherichia coli et Lactobacillus rhamnosus. Cette activité antibactérienne est corrélée à l’activité dépolluante des photocatalyseurs. L’étude cinétique de la dégradation du p-nitrophénol sur un xérogel de TiO2 dopé in situ avec une porphyrine a été réalisée. Cette étude montre que la dégradation implique un type de site actif correspondant aux trous h+ créés lorsque le TiO2 est exposé à la lumière. L’étape limitante correspond à la réaction de surface entre le p-nitrophénol adsorbé et les radicaux OH• adsorbés. Cette étude cinétique utilise une loi sigmoïdale plutôt que linéaire pour modéliser les courbes de dégradation du p-nitrophénol