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Paul GRARDEL Master 1 ACCIE
Université du Littoral - Côté d’Opale
PROJET BIBLIOGRAPHIQUE
« L’OXYDATION CHIMIQUE POUR LE TRAITEMENT DES POLLUANTS
ORGANIQUES »
2
Table des Matières
INTRODUCTION ............................................................................................. 4
POLLUTION DE L’EAU ET TRAITEMENTS CONVENTIONNELS ............................ 5
1. LA POLLUTION DE L’EAU ................................................................................... 5
a) Molécules concernées ............................................................................. 5
b) Biodégradation ....................................................................................... 6
2. LES TRAITEMENTS CLASSIQUES ET LEURS LIMITES .................................................. 7
PROCEDES D’OXYDATION AVANCEE .............................................................. 8
1. INTRODUCTION ............................................................................................... 8
a) Le Radical •OH ......................................................................................... 8
b) Réactions du radical ................................................................................ 9
2. OXYDATION SONOCHIMIQUE ............................................................................ 11
3. METHODES ELECTROCHIMIQUES ....................................................................... 14
a) Oxydation anodique .............................................................................. 14
b) Electro-oxydation indirecte ................................................................... 15
c) Electro-Fenton ...................................................................................... 15
4. PROCEDES D’OXYDATION PHOTOCHIMIQUE AVANCEE ............................................. 17
a) Photo-catalyse hétérogène ..................................................................... 17
b) Photo-dégradation homogène ................................................................ 20
c) Réactions de Fenton photo-assistées ....................................................... 24
CONCLUSION ............................................................................................... 27
Bibliographie ...................................................................................................... 28
Glossaire ............................................................................................................. 29
ANNEXES ............................................................................................................ 30
3
Table des Illustrations Figure 1 - Exemples de pesticides persistants (1ère génération) ................................................. 6 Figure 2 - Le traitement de l’eau avec utilisation de POA ......................................................... 7 Figure 3 - Potentiel oxydant de divers composés [3] ................................................................. 8 Figure 4 - Traitement des eaux en fonction de la DCO [4] ...................................................... 10 Figure 5 - Principaux POA ....................................................................................................... 11
Figure 6 - Mécanisme de formation des radicaux .................................................................... 12 Figure 7 - Mécanisme de formation du peroxyde d'hydrogène ................................................ 12 Figure 8 - Série de réacteurs de 1kW pour le traitement de réactions chimiques [7] .............. 13
Figure 9 - Schéma de principe de l’oxydation anodique [8] .................................................... 14 Figure 10 - Réaction électro-Fenton à 3 électrodes .................................................................. 16 Figure 11 - Système de traitement électrochimique [11] ......................................................... 16 Figure 12 - Niveaux énergétiques du TiO2 ............................................................................... 18
Figure 13 - Mécanisme de photo-catalyse hétérogène [12] ..................................................... 19 Figure 14 - Système UV/H2O2 ................................................................................................. 21
Figure 15 - Coûts de traitement par O3/UV et H2O2/UV [14] .................................................. 22 Figure 16 - Efficacité de POA dans la décoloration d'effluents de cafés [15] ......................... 23
4
Introduction
Le cycle de l’eau a été grandement modifié par l’augmentation des
activités industrielles et agroindustrielles. Ces dernières génèrent une
multitude de produits chimiques (plus de 200 000) qui se retrouvent dans les
eaux par différentes voies. En conséquence, divers traitements sont mis en
place pour permettre de purifier l’eau de cette pollution chimique de manière
plus ou moins efficace. En effet, certains composés, notamment les grandes
molécules organiques, sont difficiles à éliminer et nécessitent la mise en place
de nouvelles méthodes de traitement.
Nous nous intéresserons donc, dans un premier temps, au système
classique de traitement de l’eau et à ses limites pour le traitement de ces
polluants organiques. Dans un second temps, nous étudierons les techniques
mises au point pour y parvenir à l’aide de méthodes d’oxydoréductions.
5
Pollution de l’Eau et Traitements Conventionnels
1. La pollution de l’eau
La pollution des eaux issues de l’industrie ou de l’agriculture se traduit,
notamment, par l’accumulation de polluants biorécalcitrants et/ ou toxiques
(Composés Organiques Persistants) qui rendent inefficaces les traitements
biologiques classiques. Cette accumulation se fait à la fois de façon directe
(pollution à la source), mais également indirecte par le transport
atmosphérique à longue distance des molécules persistantes. Au final, les eaux
nécessitent un traitement important avant de pouvoir être rejetées par les
industries ou consommées comme eau de boisson.
a) Molécules concernées
Les principales sources de polluants biorécalcitrants sont les industries
(Phtalates issus de la production de PVC, PCB, dioxines, HAP,…) et les activités
agricoles (pesticides,…) ainsi que certains procédés de combustion qui peuvent
former des HAP ou des dioxines.
Les polluants organiques sont principalement constitués de cycles
aromatiques qui les rendent particulièrement stables. On peut, par exemple,
citer les Polluants Organiques Persistants (POP) définis par le protocole
d’Aarhus en Juin 1998 [1].
chimiques.
prés
vivants pourraient être exposés.
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
permettent d’évalue
l’évolution du carbone ou de la DCO
dégradé à 60
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
organiques étudiés ici. [2]
1 OECD
2 DCO
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
chimiques.
prés
vivants pourraient être exposés.
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
permettent d’évalue
l’évolution du carbone ou de la DCO
dégradé à 60
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
organiques étudiés ici. [2]
OECD
DCO
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
chimiques.
présentes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
vivants pourraient être exposés.
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
permettent d’évalue
l’évolution du carbone ou de la DCO
dégradé à 60
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
organiques étudiés ici. [2]
OECD : Organisation de coopération et de
: Demande Chimique en oxygène.
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
chimiques.
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
vivants pourraient être exposés.
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
permettent d’évalue
l’évolution du carbone ou de la DCO
dégradé à 60
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
organiques étudiés ici. [2]
Organisation de coopération et de
: Demande Chimique en oxygène.
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
chimiques.
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
vivants pourraient être exposés.
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
permettent d’évalue
l’évolution du carbone ou de la DCO
dégradé à 60
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
organiques étudiés ici. [2]
Organisation de coopération et de
: Demande Chimique en oxygène.
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
chimiques. Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
vivants pourraient être exposés.
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
permettent d’évalue
l’évolution du carbone ou de la DCO
dégradé à 60-
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
organiques étudiés ici. [2]
Organisation de coopération et de
: Demande Chimique en oxygène.
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
vivants pourraient être exposés.
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
permettent d’évalue
l’évolution du carbone ou de la DCO
-70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
organiques étudiés ici. [2]
Organisation de coopération et de
: Demande Chimique en oxygène.
Figure
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
vivants pourraient être exposés.
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
permettent d’évalue
l’évolution du carbone ou de la DCO
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
organiques étudiés ici. [2]
Organisation de coopération et de
: Demande Chimique en oxygène.
Figure
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
vivants pourraient être exposés.
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
permettent d’évalue
l’évolution du carbone ou de la DCO
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
organiques étudiés ici. [2]
Organisation de coopération et de
: Demande Chimique en oxygène.
Figure 1
b)
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
vivants pourraient être exposés.
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
permettent d’évaluer la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
l’évolution du carbone ou de la DCO
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
organiques étudiés ici. [2]
Organisation de coopération et de
: Demande Chimique en oxygène.
1 - Exemples de pesticides persistants (1
b) Biodégradation
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
vivants pourraient être exposés.
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
l’évolution du carbone ou de la DCO
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
organiques étudiés ici. [2]
Organisation de coopération et de
: Demande Chimique en oxygène.
Exemples de pesticides persistants (1
Biodégradation
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
vivants pourraient être exposés.
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
l’évolution du carbone ou de la DCO
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
organiques étudiés ici. [2]
Organisation de coopération et de développement économiques
Exemples de pesticides persistants (1
Biodégradation
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
vivants pourraient être exposés.
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
l’évolution du carbone ou de la DCO
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
développement économiques
Exemples de pesticides persistants (1
Biodégradation
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
vivants pourraient être exposés.
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
l’évolution du carbone ou de la DCO
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
développement économiques
Exemples de pesticides persistants (1
Biodégradation
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
l’évolution du carbone ou de la DCO
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
développement économiques
Exemples de pesticides persistants (1
Biodégradation
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
l’évolution du carbone ou de la DCO
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
développement économiques
6
Exemples de pesticides persistants (1
Biodégradation
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
l’évolution du carbone ou de la DCO2 au cours de la manipulation.
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
développement économiques
Exemples de pesticides persistants (1
Biodégradation
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
au cours de la manipulation.
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
développement économiques
Exemples de pesticides persistants (1
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
au cours de la manipulation.
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
développement économiques
Exemples de pesticides persistants (1
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
au cours de la manipulation.
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
Exemples de pesticides persistants (1
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
au cours de la manipulation.
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c
Exemples de pesticides persistants (1
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
au cours de la manipulation.
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
sera considéré comme biorécalcitrant, comme c’es
Exemples de pesticides persistants (1ère
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
au cours de la manipulation.
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
est
ère génération)
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
au cours de la manipulation.
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
le
génération)
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
au cours de la manipulation.
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
le cas pour les polluants
génération)
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
au cours de la manipulation.
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
cas pour les polluants
génération)
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
au cours de la manipulation.
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
cas pour les polluants
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
au cours de la manipulation.
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
cas pour les polluants
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
au cours de la manipulation.
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
cas pour les polluants
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
au cours de la manipulation. Un produit
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
cas pour les polluants
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
Un produit
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
cas pour les polluants
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
Un produit
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
cas pour les polluants
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
Un produit
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
cas pour les polluants
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
prédiction très complexe. Cependant, des tests comme ceux de l’OECD1
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
Un produit
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
cas pour les polluants
La biodégradabilité est un paramètre important dans l’étude des risques
Elle permet en effet d’estimer les concentrations de polluants
entes dans l’environnement ainsi que celles auxquelles les organismes
De nombreux facteurs interviennent dans ce processus, rendant sa
1
r la biodégradabilité d’un composé, par mesure de
Un produit
70% après 10 jours est considéré comme biodégradable. Sinon, il
cas pour les polluants
7
2. Les Traitements Classiques et leurs Limites
Divers modes de traitements existent déjà pour la dépollution des eaux
usées.
Figure 2 - Le traitement de l’eau avec utilisation de POA
Les traitements biologiques basiques s’effectuent de la manière suivante :
Prétraitement : Dégrillage des déchets imposants (branches, plastiques,…)
Traitement Primaire : Décantation (formation de boues primaires contenant 60%
des MES3)
Traitement Secondaire : (Dé)nitrification, aération.
Traitement Tertiaire : déphosphoration, traitement bactériologique.
Cependant, les méthodes classiques dites « biologiques » ne permettent
que d’éliminer efficacement les composés biodégradables. Un problème se
pose donc pour le traitement des eaux usées non biodégradables.
3 MES : Matière en Suspension
8
Procédés d’Oxydation Avancée
1. Introduction
a) Le Radical •OH
Les procédés d’oxydation avancée (POA) sont une alternative intéressante
pour le traitement des eaux usées contenant des substances non
biodégradables ainsi que pour la purification des eaux de boisson.
Bien qu’il existe différents POA, ils ont tous pour point commun la
production de radicaux •OH. Ces derniers sont des espèces extrêmement
réactives, qui attaquent la majeure partie des molécules organiques : leur
potentiel oxydant est important. [3]
Figure 3 - Potentiel oxydant de divers composés [3]
9
b) Réactions du radical
Les réactions d’oxydation utilisant le radical •OH et les composés organiques
(RH ou PhX), en solution aqueuse, peuvent être classées selon leur caractère de
la façon suivante :
• Suppression de l’hydrogène
•OH + RH � R
• + H2O
• Réaction d’addition
•OH + PhX � HOPhX
•
� Transfert d’électron
•OH + RH � [R-H]
+ • + HO
-
Exemples d’oxydation de polluants :
Phenol
Tetrachlorure de carbone
Quinoline
10
Ces méthodes s’appliquent cependant aux milieux ayant une demande
chimique en oxygène (DCO) relativement faible (≤ 5 g/l). En effet les taux
supérieurs de DCO demandent une utilisation trop importante de réactifs
couteux. [4]
Figure 4 - Traitement des eaux en fonction de la DCO [4]
Les procédés d’oxydation avancée sont classés dans différents types,
selon la phase réactive (homogène, hétérogène) ou la méthode utilisée pour
générer les radicaux •OH (chimique, électrochimique, sonochimique ou
photochimique). Les principales méthodes utilisées sont montrées dans la
figure 5 et seront décrites dans la suite du rapport.
11
Figure 5 - Principaux POA
2. Oxydation sonochimique
Les Techniques d’Oxydation Sonochimique (TOS) utilise les ondes
ultrasoniques pour produire un milieu oxydant. Au sein de ce dernier se
retrouvent des microbulles et des régions supercritiques dans la phase aqueuse
par cavitation4.
Les ultrasons sont des ondes à des fréquences allant de 20KHz à 10Mhz,
inaudibles pour l’être humain. Lorsqu’un liquide est exposé à ces vibrations de
haute fréquence, des changements physiques et chimiques résultants de la
cavitation ont lieu. La cavitation est la formation, le grossissement et
l’effondrement soudain (implosion) de bulles de gaz microscopiques au sein du
liquide. [5]
L’effondrement de ces bulles conduit à des températures locales
étonnement hautes (2000 à 5000°C). Ces conditions extrêmes, bien que très
courtes, conduisent à la formation d’espèces réactives. En effet, la vapeur
d’eau et le dioxygène O2 présents au sein des microbulles subissent une
dissociation thermique pour devenir des radicaux •H,
•OOH et
•OH ainsi que des
atomes O. De l’eau oxygénée H2O2 est formée par recombinaison des radicaux
hydroxyles et hydroperoxyles en dehors des microbulles.
4 Cavitation : Décrit la naissance et l'oscillation radiale de bulles de gaz et de vapeur dans un liquide soumis à une dépression.
12
Figure 6 - Mécanisme de formation des radicaux
Figure 7 - Mécanisme de formation du peroxyde d'hydrogène
Il a été montré que la dégradation des polluants par oxydation
sonochimique dépendait des propriétés chimiques et physiques de ces
derniers [6] :
� Les composés hydrophiles et non volatils sont oxydés par les radicaux
formés (•OH,
•OOH,…) en pleine solution ou à l’interface liquide-bulle
en fonction de leur concentration.
� Les composés hydrophobes et volatils sont détruits majoritairement
par décomposition pyrolytique dans la région chaude entourant les
bulles ou dans la phase gazeuse résultant de l’implosion des bulles.
Les molécules d’eau H2O étant dissociées dans cette région.
13
Applications :
Les applications concrètes de la sonochimie existent déjà
(desagglomeration, accélération de réaction,…). Les réacteurs sonochimiques
existant sont cependant de petite taille, il est donc nécessaire de les utiliser en
série pour permettre le traitement d’un flux important de liquide.
Figure 8 - Série de réacteurs de 1kW pour le traitement de réactions chimiques [7]
14
3. Méthodes électrochimiques
Le développement des procédés d’oxydation électrochimique avancée
(POEA) a été important ces dernières années. Les techniques mises en place
sont l’oxydation anodique et l’électro-oxydation indirecte avec génération de
H2O2. Elles peuvent avoir lieu simultanément et permettent de terminer la
minéralisation des polluants en CO2, H2O ou ions inorganiques.
a) Oxydation anodique
Dans l’oxydation anodique, des radicaux •OH sont adsorbés à la surface
d’une anode survoltée suite à l’oxydation de l’eau :
Ce radical réagira avec les polluants de manière habituelle, comme présenté
en II.1.b). L’oxydation peut être réalisée dans une cellule à un compartiment
commun ou dans le compartiment anodique d’une cellule divisée. L’anode
utilisée est en platine Pt, dopée ou non au PbO2, SnO2 ou IrO2. Ces conditions
influent sur la minéralisation des molécules aromatiques. [8, 9]
Figure 9 - Schéma de principe de l’oxydation anodique [8]
15
b) Electro-oxydation indirecte
Les méthodes d’électro-oxydation indirecte, pour le traitement des eaux,
consistent à produire en continu un oxydant fort, comme ClO- ou H2O2, dans la
solution. Ce dernier est produit par la réduction du dioxygène O2 sur une
cathode en graphite, carbone, mercure ou à diffusion d’O2. Les cathodes à
diffusion de gaz étant plus adaptées au traitement d’effluents. [10]
En milieu acide, la réaction de formation de H2O2 est la suivante :
Le ClO- est quant à lui obtenu par oxydation du Cl
- en milieu alcalin. Ces
radicaux sont cependant peu adaptés au traitement de polluants
biorécalcitrants. Il est donc courant de coupler la génération de H2O2 par
électro-oxydation à une méthode électro-Fenton qui permettra de les
transformer en radicaux •OH très réactifs.
c) Electro-Fenton
Après génération du H2O2, son pouvoir d’oxydation peut être amélioré
par addition d’une quantité catalytique de Fe2+
suivant la réaction de Fenton :
Cette réaction est effectuée au cours de la formation de H2O2, dans une
cellule à deux ou trois électrodes. Dans le cas d’une utilisation de trois
électrodes, la solution est saturée en O2 par barbotage. L’utilisation de deux
électrodes avec une anode à diffusion d’O2 permet d’oxyder les espèces à la
fois par oxydation anodique et par électro-Fenton.
16
Figure 10 - Réaction électro-Fenton à 3 électrodes
Applications :
Figure 11 - Système de traitement électrochimique [11]
Les systèmes de traitement par électro-Fenton existent déjà. Les recherches
actuelles concernent surtout l’optimisation des conditions opératoires (pH,
flux,…) en fonction des polluants à traiter.
ELECTRODES
17
4. Procédés d’oxydation photochimique avancée
Ces procédés sont caractérisés par un mécanisme radicalaire libre initié
par l’interaction des photons issus d’une énergie lumineuse avec les molécules
présentes en solution ou avec un catalyseur. Les procédés d’oxydation
photochimique avancée les plus utilisé peuvent être divisés en 3 principaux
groupes :
(a) La photo-catalyse hétérogène,
(b) La photo-dégradation homogène,
(c) Le procédé photo-Fenton.
Ces techniques sont décrites ci-dessous.
a) Photo-catalyse hétérogène (TiO2/UV)
En 1972, Fujishima démontra le phénomène de décomposition
photocatalytique de l’eau sur une électrode de TiO2 par action de la lumière.
Depuis, le phénomène a été utilisé dans la dégradation de polluants tels que les
phénols, les PCB, les alcools ou les pesticides.
Plus généralement, la photo-catalyse hétérogène est basée sur
l’irradiation d’un catalyseur semi-conducteur qui peut être photoexcité pour
former des sites électro-donneurs (réducteurs) et électro-accepteurs
(oxydants). On le qualifie d’hétérogène à cause des 2 phases actives (solide et
liquide) qui le constituent.
Le catalyseur le plus utilisé reste le TiO2. Il est relativement stable face à
la corrosion chimique et lumineuse et peu cher.
18
La séparation entre bande de valence (VB) et bande de conduction
(CV) du TiO2 est dépassée par l’énergie des photons solaires. Les énergies de VB
et CV sont estimées à +3,1 et -0,1 Volts, ce qui correspond à une différence de
3,2 Volts et une absorption dans le proche UV (λ<387 nm).
La première étape du mécanisme consiste donc en l’absorption d’un
rayonnement UV qui génère des paires électrons/cases vides (e-CB et h
+VB) sur
les bandes de conduction et de valence.
Figure 12 - Niveaux énergétiques du TiO2
La réaction associée à ce mécanisme est la suivante :
h+
19
Elle est ensuite suivie par l’oxydation des espèces en solution (R, H2O, HO-). On
peut synthétiser le mécanisme complet de la manière suivante :
Figure 13 - Mécanisme de photo-catalyse hétérogène [12]
La dégradation d’un polluant par photo-catalyse peut être améliorée par ajout
de H2O2, qui est meilleur accepteur d’électrons qu’O2. La réaction entre H2O2 et
l’électron de la bande de conduction est la suivante :
Applications :
La photo-catalyse hétérogène est une méthode déjà utilisée dans le domaine
des surfaces autonettoyantes. Il est en effet possible de réaliser une surface en
TiO2 qui, après contact avec des composés récalcitrants, est nettoyée par
simple action de la lumière et de l’eau, les composés étant minéralisés en
substances hydrolysables.
20
b) Photo-dégradation homogène
La photo-dégradation en phase homogène pour le traitement d’effluents
aqueux concerne principalement deux méthodes : UV/H2O2 et UV/O3. La photo-
dégradation des polluants par rayonnement UV peut se passer de deux
manières. D’une part, la dégradation directe des composés par excitation du
polluant par l’UV, d’autre part, la photo-oxydation dans laquelle le
rayonnement conduit à un processus d’oxydation initié par les radicaux •OH.
Les dernières techniques mises en place, sur le principe de la photo-
oxydation, font appel à un oxydant (H2O2, O3, Fe3+
/H2O2) qui attaque le polluant
afin de le minéraliser.
UV/H2O2 :
Le système de photo-oxydation UV/H2O2 a été appliqué pour la première
fois en 1975. Le mécanisme supposé est toujours le même et suit la réaction
suivante :
La molécule de H2O2 se casse sous l’action du rayonnement UV pour former
deux radicaux •OH. Ceci se passe pour une longueur d’onde inférieure à 300nm
et des concentrations en H2O2 de l’ordre de 10-1
mol/L. Ces derniers réagissent
ensuite comme indiqué en I.1.b) Le peroxyde d’hydrogène peut également
subir une dismutation : [13]
21
Applications :
Le traitement par la technique UV/H2O2 est une solution reconnue et
déjà expérimentée. Le coût de cette méthode est à prendre en compte, du fait
de la consommation parfois importante en H2O2. De plus, le peroxyde
d’hydrogène n’absorbe qu’à une longueur d’onde inférieure à 300nm ce qui
exclu l’utilisation des rayons solaires et donc la nécessité d’utiliser des lampes
UV.
Figure 14 - Système UV/H2O2
Cependant, les concentrations en H2O2 et Fe3+
utilisées ont un impact
important sur la durée de dégradation des polluants. C’est pourquoi, il est
préférable désormais de se pencher sur les méthodes dites photo-Fenton, qui
permettent d’accélérer la réaction. [13]
22
UV/O3 :
L’ozone peut également être utilisé en tant qu’oxydant. Son avantage est
qu’il est plus écologique et son utilisation ne forme aucun résidu. En revanche,
ses réactions sont souvent plus lentes qu’avec d’autres oxydants, notamment
avec les polluants considérés comme « réfractaires à l’ozone ».
La principale utilisation de l’O3 revient en fait à le photolyser en H2O2
dans le milieu aqueux pour ensuite reprendre le fonctionnement d’un système
UV/H2O2 :
On peut également la coupler à des techniques H2O2/UV, Fe3+
/UV ou Cu(I)/UV
afin « d’activer » son potentiel oxydant. [14]
Cette technique, moins couteuse est donc obligatoirement plus lente, et
l’absorption est également limitée aux longueurs d’ondes inférieures à 300nm.
Figure 15 - Coûts de traitement par O3/UV et H2O2/UV [14]
23
Il est utile de comparer l’efficacité des méthodes en fonction de l’objectif,
comme c’est le cas dans l’exemple ci-dessous :
Figure 16 - Efficacité de POA dans la décoloration d'effluents de cafés [15]
Dans ce dernier, la technique photo-Fenton UV/Fe
3+/H2O2 est de loin la plus
efficace. Nous allons finir cet exposé en décrivant cette dernière.
24
c) Réactions de Fenton photo-assistées
Le principe est le même que celui décrit précédemment pour l’électro-
fenton. Le seul changement se situe au niveau de la source de H2O2 et de
l’amélioration de la vitesse par les rayons UV/Visibles. Le mécanisme de
réaction est repris ci-dessous : [16]
L’effet du rayonnement sur la vitesse de dégradation des polluants est dû à
la régénération photochimique des ions ferreux Fe2+
par réduction des ions
ferriques Fe3+
. Les nouveaux ions Fe2+
peuvent réagir de nouveau avec le H2O2
restant pour générer un nouveau radical •OH et ainsi de suite. Le fer est donc
un catalyseur de la réaction : [17]
25
Un autre avantage, à la différence des méthodes précédentes, est la
sensibilité aux rayonnements jusqu’à 600nm, qui constituent 35% des
radiations solaires.
Applications :
Les procédés photo-Fenton ont déjà été utilisés avec succès dans le
traitement de polluants tels que les phénols, les pesticides ou les alcènes. Les
recherches très avancées à son sujet nous permettent de connaître l’influence
de plusieurs paramètres sur la cinétique de la réaction. Il est bon de connaître
leur influence pour pouvoir maitriser la réaction ou pour savoir si la technique
est applicable dans certains milieux. Trois de ces paramètres sont décris ci-
dessous :
Effet du pH
L’activité catalytique maximum lors des réactions photo-Fenton se situe à
un pH de 2,8. Le pH influe sur la génération des radicaux •OH et donc sur
l’efficacité de l’oxydation. A des pH supérieurs à 4, le fer précipite sous forme
d’hydroxydes, ce qui diminue la part d’ions disponibles.
La nécessité d’acidifier les eaux usées à traiter est un obstacle majeur à
l’application de la méthode photo-Fenton en milieu industriel.
Effet de la concentration en H2O2
La hausse de la concentration de peroxyde d’hydrogène augmente la
quantité de radicaux •OH produits jusqu’à un certain point. Au-delà, l’auto-
décomposition du H2O2 et la recombinaison des •OH entraine une baisse de
rendement.
26
Effet de la concentration en Fer
Comme pour le H2O2, le rendement de la réaction ne suit pas linéairement
la concentration en fer. Cela est dû à la turbidité du milieu, obtenue avec de
fortes concentrations de fer, qui empêche le passage des rayonnements. Il peut
également y avoir recombinaison du Fe2+
avec les radicaux •OH, le fer agit alors
comme un poison de la réaction.
27
Conclusion
Nous avons vu plusieurs méthodes oxydatives de traitement des polluants
biorécalcitrants, ayant chacune un niveau de développement plus ou moins
poussé. La plus évoluée et efficace reste l’oxydation par réaction de Fenton
photo-assistée, mais des obstacles l’empêchent encore de devenir une
méthode applicable de manière rentable au niveau industriel. Outre la
nécessité d’un pH acide, le principal obstacle à la méthode photo-Fenton réside
dans le fait que le catalyseur (fer) doit se trouver en solution. Il est cependant
compliqué et cher de l’éliminer une fois l’oxydation des polluants terminée. En
effet, la teneur en fer dans l’eau est limitée entre 2mg/L et 20mg/L en fonction
de sa destination.
Le développement de catalyseur de Fenton sur des supports inertes est
devenu un sujet très demandé pour supprimer le problème de séparation
fer/eau après traitement. Certaines pistes sont encore en cours de
développement, comme les membranes perfluorées ou les copolymères
polyéthyléniques.
Enfin, d’autres pistes sont explorées sur des méthodes hétérogènes photo-
assistées sur le fer (fer zéro, oxydes, …) [18].
28
Bibliographie [1] Annexes du Protocole à la Convention sur la pollution atmosphérique transfrontière à longue distance,
relatif aux polluants organiques persistants. Commission Economique des Nations Unies pour l'Europe
(CEE-NU), Juin 1998. Pages 19-23.
[2] «Helio-Photo-Fenton enhancement of the biodegradability of biorécalcitrants wastewater: Physico-
chemical and technical aspects». Siméon KENFACK. Ecole polytechnique fédérale de Lausanne. Thèse n°
3550 (2006). Page 15.
[3] Handbook on Advanced Photochemical Oxidation Processes. Cincinnati, Ohio 45268, U.S. Environmental
Protection Agency. 1998. Page 1-1
(Consultable sur http://www.epa.gov/nrmrl/pubs/625r98004/625r98004.pdf )
[4] Advanced oxidation processes (AOP) for water purification and recovery, Andreozzi R, Caprio V, Insola
A,Marotta R, 1999. Catal. Today 53 (1). Pages 51-59.
[5] Application of ultrasonic irradiation for the degradation of chemical contaminants in water. Hoffmann
M.R, Hua I, Höchemer R, 1996. Ultrason. Sonochem. 3 (3).
[6] Sonochemical degradation of carbon tetrachloride in aqueous solution at two frequencies: 20 kHz and
500 kHz. Francony A, Pétrier C. 1996. Ultrason. Sonochem. 3 (2).
[7] Hielscher - Ultrasound Technology. www.hielscher.com, 20 décembre 2008.
[8] Olive mill wastewater treatment by anodic oxidation with parallel plate electrodes. Panizza M, Cerisola G.
2006. Water. Res. 40 (6).
[9] Anodic oxidation of phenol for wastewater treatment. Comniellis C, Pulgarin C. 1991. Appl. Electrochem.
21 . Pages 703-708.
[10] Aniline degradation by Electro-Fenton and peroxi-coagulation processes using a flow reactor for
wastewater treatment. Brillas E, Casado J. 2002. Chemosphere. 47 (3).
[11] Electro-Fenton as a feasible advanced treatment process to produce reclaimed water. Duràn Moreno A.
http://femisca.org/publicaciones/4thWastewater/Paper142-DuranA_MX.pdf, 21 décembre 2008.
[12] Destruction of Organic Contaminants by TiO2 Photocatalysis Progress Report. Stride A.
http://www.arenanetwork.org/Publications/LTCS/TIO2.aspx, 21 décembre 2008.
[13] Influence of H2O2 and Fe(III) in the photodegradation of nitrobenzene. Rodriguez M, Kirchner A,
Contreras S. 2000. J. Photochem. Photobiol. A. 133 (1-2).
[14] O3/H2O2 treatment of methyl-tert-butyl ether (MTBE) in contamined waters. Safarzadeh-Amiri A. 2001.
Water. Res. 35 (15).
[15] UV light assisted decolorization of dark brown colored coffee effluent by photo-Fenton reaction.
Tokumura M, Ohta A, Znad H. 2006. Water. Res. 40 (20).
[16] Degradation kinetics and mechanisms of phenol in photo-Fenton process. He F, Lei L C. 2003. J. Zhejiang
Univ. Sci. 5 (2).
[17] Photolysis of Fe (III)-hydroxy complexes as sources of OH radicals in clouds, fog and rain. Faust B, Hoigné
J. 1990. Atmos. Environ. 24A (1).
[18] Sensitized degradation of chlorophenols on iron oxides induces by visible light. Comparison with
titanium oxide. Bandara J. Mielczarski J A. 2001. Appl. Catal. B. 34 (4)
29
Glossaire
AOP / POA : Procédés d’Oxydation Avancée.
Biodégradabilité : Capacité d'une molécule à être dégradée biologiquement c'est-à-dire par
l'action d'organismes biologiques. La détermination du taux de biodégradabilité
nécessite des mesures en laboratoire ou en milieu naturel selon trois catégories de test :
- Test de Sturm : test de laboratoire en milieu liquide. Conditions bien
maîtrisées.
- Test de simulation en laboratoire, en milieu liquide ou solide. Conditions
moins bien maîtrisées.
- Test in situ sur sol et compost. Conditions non maîtrisées.
DCO : Demande chimique en oxygène. Consommation d’oxygène par les oxydants forts pour
oxyder les substances organiques.
HAP : Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques.
PCB : PolyChloro Biphényles.
PVC : Polychlorure de Vinyle.
UV : Ultra Violet. Rayonnement lumineux compris entre 10 et 400 nm.
30
Annexes
31
Annexe 1 Comparaison de l’oxydation de pesticides entre TiO2/UV et photo-Fenton
Source : Photocatalytic degradation of EU priority substances : A comparison between
TiO2 and Fenton plus photo-Fenton in a solar pilot plant. Maldanado MI. 2007. J. Photoch.
Photobio. A. 185. Pages 357-359.
32
Annexe 2 Comparaison de la vitesse d’oxydation du 4-chlorophenol entre O3/UV, H2O2/UV, TiO2/UV et
photo-Fenton
Source : UV-O3, UV-H2O2, UV-TiO2 and the photo-Fenton reaction - Comparison of
advanced oxidation processes for wastewater treatment. Ruppert G. 1994. Chemosphere.
28 (8).
Abstract
Results of the photochemical mineralization of 4-chlorophenol (4-CP) and of a wastewater from dyehouse industry by the methods UV/O3, UV/H2O2, UV/TiO2 and UV/H2O2/Fe2+ (photo-Fenton reaction) are reported and compared. Under illumination with a 150 W high pressure mercury lamp, TOC-degradation efficiency for 4-CP had the following order:
UV/H2O2/Fe2+ > UV/O3 > UV/H2O2 = UV/TiO2
Complete decolorization of the dye waste occurred within 20 minutes with ozone. A mineralization grade of approximately 75% was reached after 90 minutes with the photo-Fenton reaction and after 150 minutes with UV/ozone. The combinations UV/TiO2 and UV/H2O2 were found to be less efficient for bleaching and degradation of the dye waste. Furthermore, a novel combination for wastewater treatment, UV/Fe2+/O3, was investigated. Addition of Fe2+ to the UV/ozone process increased the mineralization rate of 4-CP while no significant effect on dye waste degradation could be observed.
33
Résumé :
Ce projet bibliographique présente un état des lieux des différentes
techniques existantes dans le domaine du traitement des polluants
persistants en phase aqueuse par procédés d’oxydations avancées.
Mots Clés :
Procédé d’oxydation avancée – Fenton – Polluant
Abstract:
This document makes the state of various techniques used in
biopersistent wastewater treatment, by advanced oxidation
processes.
Keywords:
Advanced oxidation process – Fenton - pollutant