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Destruction par voie électrochimique d'hydrocarbures aromatiques polycycliques contenus dans des matrices fortement contaminées.

Tran, Lan Huong (2009). Destruction par voie électrochimique d'hydrocarbures aromatiques polycycliques contenus dans des matrices fortement contaminées. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 301 p.

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Résumé

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La pollution de l’environnement par les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) représente un défi majeur auquel doivent inéluctablement faire face les scientifiques et les gestionnaires de l’environnement. Ces composés organiques sont, pour la plupart, réfractaires, non oxydables ou difficilement oxydables biologiquement et chimiquement. Les recherches actuelles visent donc à limiter la contamination de l’environnement par ces composés d’origine industrielle en proposant de nouvelles technologies. De ce point de vue, les techniques électrolytiques sont particulièrement intéressantes. L’intérêt de ces techniques réside surtout dans leur aspect non polluant, l’absence de produits chimiques, et leur facilité d’automatisation. L’objectif central de ce projet est d’évaluer l’efficacité d’un procédé d’électro-oxydation pour le traitement d’effluents issus de procédés de décontamination de sols et de déchets d’aluminerie contaminés par des HAP. L’action directe du courant électrique, obtenue par décharge anodique de la molécule d’eau (formation de radicaux libres) et l’action indirecte obtenue par génération in situ d’un oxydant en solution devraient permettre la transformation des grosses molécules de HAP en petites molécules non toxiques ou moins toxiques et biodégradables, ou encore, permettre l’oxydation complète de ces composés organiques en dioxyde de carbone. Dans le cadre de ce projet, différentes unités électrolytiques (cellules parallélépipédique et cylindrique) comprenant des électrodes catalytiques de formes rectangulaire, concentrique ou circulaire ont été testées. Les travaux ont premièrement consisté à évaluer l’efficacité de l’électro-oxydation pour la dégradation des HAP présents dans une solution synthétique de créosote. Lors de ces essais, les effets de différents paramètres expérimentaux sur le système électrolytique ont été évalués (type d’électrodes, intensité de courant, temps de rétention, pH, concentration en électrolyte, conductivité, etc.). L’application du procédé d’électro-oxydation avec une cellule parallélépipédique sur des solutions synthétiques de créosote a permis d’atteindre des taux d’abattement global de HAP allant jusqu’à 87% et des taux d’élimination d’hydrocarbures aliphatiques se situant autour de 84%. En outre, des rendements d’enlèvement de la demande chimique en oxygène (DCO) de 62% et plus de 65% d’élimination des huiles et graisses (H&G) ont également été obtenus. Des tests d’estimation de la toxicité de l’effluent (avant et après traitement) basés sur la létalité aiguë du crustacé Daphnia magna et sur la bactérie luminescente Vibrio fischeri ont été effectués. Des unités de toxicité (UT) relativement élevées sur le crustacé Daphnia magna et sur la bactérie luminescente Vibrio fischeri de 4 762 UT et 1 000 UT ont été respectivement mesurées dans l’effluent de créosote non traité. En comparaison, des valeurs de 453 et 200 UT ont été respectivement mesurées dans l’effluent traité par électro-oxydation, soit 91% de réduction de toxicité sur le crustacé Daphnia magna et 80% de réduction sur la bactérie luminescente Vibrio fischeri. Dans ces conditions, le coût total du traitement optimal de la solution synthétique de créosote (incluant seulement les coûts d’énergie et de réactifs) se situerait entre 1.30 et 1.50 $CAN m⁻³. Des cellules électrolytiques de forme cylindrique comprenant des électrodes concentriques ou circulaires (anode : Ti/IrO2 ou Ti/SnO2; cathode : Ti) ont également été conçues et testées en terme de la capacité de dégradation des HAP présents dans la solution de créosote. Les premiers résultats enregistrés ont indiqué des taux de dégradation allant jusqu’à 87% avec un coût de traitement se situant entre 0.33 et 1.14 $CAN m⁻³. Une série d’essais a aussi été effectuée en mode continu et a montré que des rendements d’élimination des HAP supérieurs à 80% peuvent être maintenus pendant une période de 18 h. Une baisse de l’efficacité est toutefois observée après cette période de traitement. Des essais d’oxydation avec le réactif de Fenton (Fe²⁺/H2O2) ont aussi été réalisés avec une solution synthétique de créosote, ceci afin de comparer l’efficacité de l’électro-oxydation par rapport à l’oxydation chimique. Ce procédé permet la formation en milieu aqueux de radicaux hydroxyles, entités fortement oxydantes, et donc susceptibles de dégrader des HAP en des composés qui sont moins toxiques et biodégradables. Lors de ces essais, les effets de différents paramètres expérimentaux ont été évalués (concentrations initiales de Fe et de H2O2, pH, etc.). L’application du procédé de Fenton a permis d’atteindre un taux d’abattement global de HAP totaux ([HAP]i = 342 mg L⁻¹) allant jusqu’à 48%. Les meilleurs taux de dégradation ont été enregistrés pour le NAP (75.4%), l’acénaphtylène (59.5%) et l’acénaphtène (59.6%). Le coût total du traitement optimal de la solution synthétique de créosote se situerait, dans ce cas, entre 0.96 et 1.28 $CAN m⁻³. Une partie de cette recherche visait également à évaluer les sous-produits générés lors de l’oxydation électrochimique des HAP. Des solutions contenant un surfactant (CAS) et des molécules de HAP (2 cycles : naphtalène – NAP ou 4 cycles : pyrène - PYR) ont été préparées et étudiées à la suite de leur traitement par voie électrolytique. L’identification des sous-produits de dégradation a été réalisée à l’aide de l’analyse par chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse. Le chloronaphthalène et le chloropyrène ont été formés pendant le processus d’électro-oxydation mais ils sont dégradés après 90 min de traitement. La naphthoquinone a été identifiée comme sous-produit principal de l’électro-oxydation du NAP et peut subir une transformation subséquente afin d’obtenir une ouverture de cycle aromatique. Par comparaison, le PYR est principalement transformé en chloropyrène, suivi de la ré-aromatisation et de la formation du benzo(c)cinnolin, 2-chloro. Le benzo(c)cinnolin, 2-chloro peut par la suite être oxydé pour former le sulfonyl-bis (2-nitriloxidophenyl). Enfin, l’application du procédé d’électro-dégradation a été expérimentée sur des effluents réels issus de la décontamination, par flottation à l’aide d’un surfactant (CAS), de déchets d’aluminerie et de sols contaminés par les HAP. Les conditions optimales définies en cours de projet ont permis d’atteindre des taux d’abattement totaux de HAP allant de 44 à 54% selon le type de déchet et les concentrations initiales de HAP. Le coût total de ce procédé électrochimique (incluant seulement les coûts d’énergie et de réactifs) se situerait entre 99 et 154 $CAN par tonne métrique (tm) de matériel décontaminé. Le procédé d’électro-oxydation développé présente de nombreux avantages (simplicité d’opération, facilité d’automatisation et faibles besoins en produits chimiques). Le procédé s’est avéré efficace pour dégrader les HAP dans la solution de créosote, les HAP dans les déchets d’aluminerie et les HAP dans les sols contaminés. En plus, ce procéde d’électro-oxydation a permis de diminuer la toxicité et d’éliminer d’autres composés organiques.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Blais, Jean-François
Co-directeurs de mémoire/thèse: Drogui, Patrick; Mercier, Guy
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: hydrocarbures aromatiques polycycliques; HAP; électrochimie; oxydation; décontamination; sol; déchets industriels; dégradation
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 11 févr. 2014 16:11
Dernière modification: 17 mars 2016 17:54
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1990

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