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

ABG-120470 Thesis topic
2024-02-19 Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
GREMI Université d'Orléans
- Centre Val de Loire - France
Etude du couplage des procédés plasmas non thermique avec des matériaux carbonés fonctionnalisés pour le traitement des eaux
  • Process engineering
  • Chemistry
  • Engineering sciences
plasma non thermique, dépollution de l'eau, matériaux carbonés, toxicité

Topic description

La qualité des eaux est une problématique environnementale majeure. De nombreuses contaminations sont observées, avec la détection de nouveaux polluants émergents dits micropolluants (PFAS, molécules pharmaceutiques, herbicides…). Pour traiter ces polluants, différentes techniques sont étudiées. Parmi elles, 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 certaines molécules organiques polluantes et d’engendrer une forte minéralisation signifiant une diminution de la quantité de matière organique présente dans les eaux traitées. Cependant, la minéralisation peut demeurer partielle et des molécules organiques, issues de la dégradation du polluant initial, demeurant dans les eaux, peuvent se révéler néfastes pour l’environnement.
Les plasmas non thermiques 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 directement au contact du liquide à traiter 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 (diminution du carbone organique en solution), supérieure à 50 % en procédé plasma/catalyse contre 1% avec le plasma seul, et une amélioration du rendement énergétique en couplant le PNT à un catalyseur, malgré la mise en oeuvre de catalyseurs à base de fer non optimisés en termes de morphologie, composition et structuration [1]. Une thèse effectuée au GREMI et à l’ICMN [2] 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 (jusqu’à 100%). Le matériau carboné fonctionnalisé a alors un rôle de promoteur de radiaux hydroxyles par réaction Fenton au sein du procédé de couplage par l’action du plasma sur la surface du CA. Cela permet d’augmenter l’efficacité du procédé sur l’élimination de molécules récalcitrantes aux procédés conventionnels.
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, rôle des espèces oxydantes, effet cocktail, …) que cette thèse se proposera d’étudier. De même, à partir des études décrites dans la littérature, il reste encore 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 avant et après traitement dans les différentes conditions décrites ci-dessus seront analysés d’un point de vue impact biologique au laboratoire CBM à Orléans sur différentes lignées cellulaires.
Ainsi, l’objectif du projet de 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 oeuvre 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 laboratoire a répondu : 1) traitement des effluents hospitaliers en collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire d’Orléans, et 2) traitement des per et polyfluoroalkylées (PFAS), ces derniers étant dits polluants éternels.
Cette thèse s’effectuera en étroite collaboration avec deux laboratoires du campus d’Orléans : l’ICMN (UMR 7374) qui fonctionnalisera et caractérisera les carbones activés et le CBM (UPR4301) pour les analyses biologiques.
[1] Korichi N., Aubry O., Rabat H., Cagnon B., Hong D. (2020) Catalysts, 10(9), 959
[2] Mohamed Ali A. (2024), thèse de l’Université d’Orléans, en cours de publication, soutenue le 13 février 2024.
Autres Références
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

Starting date

2024-10-01

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Presentation of host institution and host laboratory

GREMI Université d'Orléans

Le laboratoire GREMI est situé sur le campus de l’université d’Orléans à proximité du campus CNRS, du BRGM et de l’INRAe. Il compte une vingtaine d’enseignants-chercheurs, une dizaine de chercheurs CNRS et université et 11 IT/BIATSS permanents ainsi qu’une vingtaine de CDD (doctorants, post-doctorants et ingénieurs).
Les recherches menées au laboratoire s’inscrivent dans le domaine des plasmas et des procédés plasmas et laser. Les approches sont bâties sur un socle pluridisciplinaire en physique, optique, chimie, matériaux, énergétique. Elles couvrent un ensemble d’applications qui relèvent principalement de l'ingénierie pour l’énergie, l’électronique, la biologie, la dépollution, la métrologie, la modification d’écoulements, la sécurité aéronautique.

PhD title

génie des procédés

Country where you obtained your PhD

France

Institution awarding doctoral degree

UNIVERSITE D'ORLEANS

Graduate school

Énergie - matériaux - sciences de la terre et de l'univers

Candidate's profile

Le(la) candidat(e) devra avoir de solides connaissances dans une ou plusieurs des thématiques suivantes : chimie environnementale et/ou chimie analytique et/ou plasma non thermique.
Le(la) candidat(e) devra avoir un goût prononcé pour le travail expérimental et un fort intérêt pour le travail en équipe.

2024-04-12
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