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 Thèse |
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Directeur de mémoire/thèse: | Blais, Jean-François |
Co-directeurs de mémoire/thèse: | Drogui, Patricket 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: | 23 juill. 2024 14:28 |
URI: | https://espace.inrs.ca/id/eprint/1990 |
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