Développement de procédés d'électro-oxydation-catalytique avancé pour la dégradation des substances per et poly-fluoroalkyliques (PFAS) présentes dans les eaux usées industrielles

Rekik, Hela (2025). Développement de procédés d'électro-oxydation-catalytique avancé pour la dégradation des substances per et poly-fluoroalkyliques (PFAS) présentes dans les eaux usées industrielles Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 308 p.

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Résumé

Les eaux usées industrielles (EUI) représentent l’une des principales sources de contamination environnementale par les substances perfluoroalkylées (PFAS). Ces composés, largement utilisés dans diverses applications industrielles et domestiques, se retrouvent néanmoins dans de nombreux milieux en raison de leur grande stabilité chimique et de leur résistance à la dégradation. Face à la persistance, la toxicité et la diffusion croissante des PFAS dans les milieux aquatiques, le développement de solutions de traitement efficaces et durables est devenu un enjeu environnemental et réglementaire majeur. Cette thèse se situe dans le contexte de l’inquiétude grandissante que suscitent les composés PFAS, matières persistantes et toxiques, présentes au sein des eaux usées industrielles représentant un défi important pour la protection de l’environnement et la santé publique. Bien que les technologies classiques comme le charbon actif, la nanofiltration ou l’osmose inverse déplacent ou concentrent les PFAS sans les détruire, il est impératif de trouver des solutions capables de décomposer complètement ces substances. Ces nouvelles technologies doivent gérer et minimiser les coûts, contrôler les sous-produits générés ainsi que de respecter de nouvelles normes réglementaires sévères. Dans ce cadre précis, cette thèse vise à développer, optimiser et évaluer un procédé d’électrooxydation avancée, seul ou couplé à l’ozonation, pour la dégradation efficace des PFAS dans des matrices synthétiques et des effluents industriels réels. Elle comprend la génération et la caractérisation des espèces oxydantes, l’optimisation des paramètres opératoires et des matériaux électrodes, ainsi que l’évaluation technico-économique et environnementale du procédé en vue de son déploiement à l’échelle préindustrielle. Une technique inspirée de récentes solutions industrielles permet de concentrer efficacement les PFAS présents dans les effluents industriels, soit le prétraitement par fractionnement de mousse, comme premier axe. Des tests menés ont mis en évidence l'efficience de cette méthode pour le recouvrement des PFAS. Il permet ainsi de récupérer des PFAS dans la phase mousseuse, tout en réduisant également la matière organique dissoute et le volume à traiter. Ce traitement préalable facilite la gestion des flux résiduaires et simplifie les étapes ultérieures de destruction des PFAS. La partie suivante de la thèse élabore et détaille des anodes nanostructurées en Ti4O7 via la projection plasma. Cette technique industrielle de déposition permet d’obtenir des revêtements qui sont épais, denses et très conducteurs. De plus, elle convient aussi à une mise à l’échelle. La pureté ainsi que la structure Magnéli sans compter la porosité contrôlée des couches ont été confirmées par les caractérisations structurales (DRX, Raman, MEB), mais en plus les mesures électrochimiques ont révélé une stabilité remarquable ainsi qu'une conductivité quasi métallique (5600 ± 140 S·cm-1). L'architecture poreuse au niveau des anodes favorise la production de certaines espèces oxydantes réactives, lesquelles sont indispensables pour la destruction des PFAS. Le cœur expérimental de ce travail constitue donc l’optimisation pour le procédé d’électrooxydation. La méthodologie de surface de réponse nous a servi afin d’étudier l’influence de la densité de courant, du pH, du temps de traitement ainsi que de la configuration des anodes. Avec une consommation énergétique spécifique de 14,8 kWh/m3, l’anode PT-Ti4O7-grille à 30 mA/cm2 permet d’atteindre en 30 minutes des taux d’élimination de 99,7 % pour le PFOS et 96,6 % pour le PFOA sur solutions synthétiques. L’analyse de ces sous-produits indique bien une formation limitée de PFAS à chaîne plus courte, et ce en dessous de ces seuils réglementaires, tandis que les coefficients de transfert de masse ainsi que les constantes de vitesse de dégradation obtenues soulignent toute l’efficacité du système. Le procédé optimisé en solutions synthétiques a été validé lors des essais sur des effluents industriels réels, où on élimine jusqu’à 89 % du PFOS puis 82 % du PFOA, en dépit de la présence de co-contaminants et de matières organiques dissoutes. Une réduction significative de la demande chimique en oxygène (DCO) a aussi été observée jusqu’à 40 %. Ceci témoigne donc d’une certaine minéralisation de la matière organique. Ces résultats viennent donc confirmer le transfert potentiel de cette même technologie vers les milieux industriels complexes. Les revues de littérature mentionnent souvent cet aspect comme restriction des méthodes en laboratoire. Enfin, en couplant le procédé d’électro-oxydation à l’ozonation dans un réacteur semi-industriel (utilisant des anodes en Ti4O7 de 12 cm de diamètre), nous avons pu atteindre une décomposition quasi totale (>90 %) des PFAS en 120 minutes, tout en évitant la formation de sous-produits intermédiaires et en réduisant la consommation d’énergie. Cette tendance est confirmée par l’ensemble des études pilotes et les recommandations industrielles récentes. Un tel couplage démontre la valeur ajoutée de l’intégration de différentes technologies pour optimiser l’efficacité globale de la dégradation des PFAS tout en réduisant les coûts. En conclusion, cette thèse démontre que l’association d’un prétraitement par séparation de mousse avec un procédé d’électro-oxydation utilisant des anodes en Ti4O7 de phase Magnéli et des paramètres opératoires optimisés permet de surmonter les limites des méthodes conventionnelles de traitement. Cette combinaison permet une élimination des PFAS des eaux usées industrielles plus efficace, durable et adaptable à grande échelle. Les résultats obtenus permettront ainsi le déploiement à grande échelle de procédés de traitement modernes. Ces avancées contribuent à la protection des ressources en eau et de la santé publique, tout en répondant aux exigences réglementaires et sociétales actuelles.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Adjallé, Kokou
Co-directeurs de mémoire/thèse:	El Khakani, My Ali
Mots-clés libres:	eaux usées industrielles; fractionnement de mousse; anode Ti4O7; projection torche-plasma; électro-oxydation avancée; ozonation; optimisation des procédés; traitement de l'eau; minéralisation; application industrielle
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	19 juin 2026 15:43
Dernière modification:	19 juin 2026 15:43
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17115

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