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HAL Id: tel-02634479 https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-02634479 Submitted on 27 May 2020 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Intensification du traitement de composés indésirables dans l’eau et dans l’air : complémentarité entre transferts entre phases et oxydation chimique Pierre-Francois Biard To cite this version: Pierre-Francois Biard. Intensification du traitement de composés indésirables dans l’eau et dans l’air : complémentarité entre transferts entre phases et oxydation chimique. Génie chimique. Université de Rennes 1, 2020. tel-02634479 Université de Rennes 1 Mention : Chimie Mémoire présenté par : Pierre-François BIARD Maître de conférences de l’Université de Rennes 1, Institut Universitaire de Technologie de Rennes En vue de l’obtention du diplôme d’Habilitation à Diriger les Recherches Intensification du traitement de compose s inde sirables dans l’eau et dans l’air : comple mentarite entre transferts entre phases et oxydation chimique Présentation, le 04 mars 2020, devant le jury composé de : Valérie MEILLE, Chargée de Recherche CNRS, HDR, IRCE Lyon – Rapportrice Urs VON GUNTEN, Professeur, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne – Rapporteur Laurent FALK, Directeur de Recherche CNRS, HDR, LRGP de Nancy – Rapporteur Hervé GALLARD, Professeur, Université de Poitiers – Président du jury Pierre LE CLOIREC, Professeur, ENSC de Rennes – Examinateur Annabelle COUVERT, Professeur, ENSC de Rennes – Examinatrice Anthony SZYMCZYK, Professeur, Université de Rennes 1 – Examinateur Intensification du traitement de composés indésirables dans l’eau et dans l’air : complémentarité entre transferts entre phases et oxydation chimique 1 Remerciements Bien qu’étant une réalisation plutôt personnelle, le diplôme de l’Habilitation à Diriger les Recherches permet de mettre en lumière la richesse de nombreuses interactions avec diverses personnes, à qui je tiens à exprimer ma sincère gratitude. Je remercie ainsi très chaleureusement mes trois rapporteurs, la Dr. Valérie MEILLE, le Pr. Urs Von GUNTEN et le Dr. Laurent FALK, ainsi que le Pr. Hervé GALLARD, pour me faire honneur de leur présence dans ce jury d’HDR. C’est un jury très prestigieux ! Je tiens également à remercier le Pr. Pierre LE CLOIREC pour m’avoir soutenu et aidé dans la préparation de cette HDR et pour s’en être porté garant. Jeune élève ingénieur potassant votre précieux ouvrage « Les COV dans l’environnement », je n’avais pas imaginé vous côtoyer quelques années plus tard. Je souhaite également remercier la Pr. Annabelle COUVERT, ma directrice de thèse, souvent à mes côtés pour abattre les COV et les micropolluants, qu’elle qu’en soit la technique ! Merci également au Pr. Anthony SZYMCZYK, responsable de l’équipe CIP, pour ses encouragements dans la préparation de ce diplôme. Mes plus vifs remerciements vont également vers mes collègues de bureau à l’ENSCR et l’IUT de Rennes, Catherine COURIOL et Patrick LOULERGUE, pour les heures passées ensemble, les bons moments et les nombreuses discussions professionnelles et personnelles. Vous êtes une force motrice et c’est toujours un plaisir que de vous retrouver! Je remercie également mes autres collègues de l’équipe de génie des procédés du département chimie de l’IUT : Florence BUDE, Laurence GUIHARD, Béatrice BALANNEC et Stéphane NICOLAS, pour m’avoir accueilli chaleureusement à l’IUT et dans l’équipe. Je remercie également le Pr. Abdeltif AMRANE pour m’avoir permis d’être recruté à l’IUT de Rennes et le Pr. Dominique WOLBERT pour m’avoir accueilli au sein de l’équipe CIP. Merci également à tous les étudiants de DUT, Master et Doctorat qui ont travaillé à mes côtés. J’espère que l’exigence que j’avais envers vous vous aura été bénéfique. Je tiens également à remercier tous les collègues avec qui j’ai l’occasion de collaborer ou échanger régulièrement : Audrey DENICOURT, Alain ROUCOUX, Ronan LEBULLENGER, Antoine Intensification du traitement de composés indésirables dans l’eau et dans l’air : complémentarité entre transferts entre phases et oxydation chimique 2 LEJEUNE, Audrey CABROL, la PAT Patrouille (Isabelle SOUTREL, Valérie COUROUSSE, Pierre LARGILIERE, Christelle GARDIN, Apolline DELALANDE), Khalil HANNA (merci pour ton aide sur cette HDR), Sylvain GIRAUDET, Nicolas CIMETIERE, Florence FOURCADE, Jean-Luc AUDIC, Rémi MARSAC (merci pour ton aide sur cet HDR), Alain LAPLANCHE, et j’en oublie surement. Ne m’en voulez pas ! De façon générale, merci à tous les collègues, enseignants ou autres, de l’équipe CIP et du département chimie de l’IUT. Je souhaite aussi remercier très sincèrement mes organismes de tutelle, l’Université de Rennes 1, l’ENSCR et l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes, pour leur confiance et pour l’attribution de plusieurs financements m’ayant permis d’initier plusieurs axes de recherche. Enfin, le mot de la fin sera pour les trois piliers de ma vie, mon épouse Marie et mes deux filles Clémence et Lucie. Je vous embrasse très fort. Intensification du traitement de composés indésirables dans l’eau et dans l’air : complémentarité entre transferts entre phases et oxydation chimique 3 Sommaire Glossaire ...................................................................................................................................... 6 Introduction générale ................................................................................................................. 10 Chapitre I: Curriculum Vitae détaillé .................................................................................................... 12 1 Présentation générale et formation académique ................................................................. 13 2 Synthèse des activités d’enseignement ................................................................................ 15 3 Synthèse de l’activité scientifique ........................................................................................ 16 3.1 Production scientifique ......................................................................................................... 16 3.2 Co-encadrement de thèses de doctorat et d’étudiants de Master....................................... 17 3.3 Révision d’articles .................................................................................................................. 19 3.4 Contrats et financements ...................................................................................................... 20 4 Compétences ...................................................................................................................... 21 5 Activités d’animation et responsabilités collectives .............................................................. 22 5.1 Responsabilités scientifiques................................................................................................. 22 5.2 Responsabilités administratives ............................................................................................ 22 5.3 Responsabilités pédagogiques .............................................................................................. 23 Chapitre II: Bilan des activités de recherche ........................................................................................ 24 1 Introduction........................................................................................................................ 24 2 Lavage chimique du sulfure d’hydrogène en solution aqueuse en milieu basique et basique- oxydant...................................................................................................................................... 26 2.1 La problématique H2S ............................................................................................................ 26 2.2 Intensification du lavage chimique d’H2S en conditions oxydo-basiques ............................. 28 2.2.1 Contexte ........................................................................................................................ 28 2.2.2 Garnissage structuré à haute fraction de vide : le procédé Aquilair PlusTM .................. 28 2.2.3 Principaux résultats ....................................................................................................... 30 2.2.4 Modélisation .................................................................................................................. 31 2.3 Etude cinétique de la réaction entre le sulfure d’hydrogène et l’hypochlorite de sodium .. 37 2.3.1 Contexte ........................................................................................................................ 37 2.3.2 Etude par absorption réactive ....................................................................................... 39 2.3.3 Etude par cinétique compétitive ................................................................................... 48 2.4 Modélisation du lavage chimique de composés acide ou basique en solution aqueuse – application au cas d’H2S .................................................................................................................... 53 2.4.1 Etablissement d’un état de l’art sur la détermination du facteur d’accélération pour les réactions acido-basiques en phase aqueuse. ................................................................................ 53 2.4.2 Modélisation des colonnes garnies ............................................................................... 62 2.5 Conclusions ............................................................................................................................ 69 3 Lavages physique de composés organiques volatils neutres dans des solvants organiques .... 70 3.1 Introduction ........................................................................................................................... 70 3.2 Développement d’un dispositif de mesure dynamique des coefficients de partage et des coefficients de transfert .................................................................................................................... 73 3.2.1 Introduction – Présentation de la méthode .................................................................. 73 3.2.2 Détermination des coefficients de partage ................................................................... 75 3.2.3 Détermination des coefficients de transfert volumiques globaux ................................ 76 Intensification du traitement de composés indésirables dans l’eau et dans l’air : complémentarité entre transferts entre phases et oxydation chimique 4 3.3 Développement de liquides ioniques pour l’absorption de COV neutres : mesure des coefficients de partage et des coefficients de diffusion ................................................................... 81 3.3.1 Introduction ................................................................................................................... 81 3.3.2 Détermination des coefficients de partage ................................................................... 84 3.3.3 Mesure des coefficients de diffusion dans les liquides ioniques .................................. 85 3.4 Simulation du lavage physique de COV neutres dans des solvants organiques en colonne garnie 91 3.4.1 Introduction ................................................................................................................... 91 3.4.2 Etude de l’hydrodynamique .......................................................................................... 92 3.4.3 Etude du transfert de matière : détermination de l’abattement .................................. 95 3.5 Conclusions .......................................................................................................................... 101 4 Oxydation de micropolluants émergents par le procédé peroxone ...................................... 103 4.1 Introduction- contexte ........................................................................................................ 103 4.2 Intensification du procédé peroxone par utilisation d’un réacteur tubulaire monophasique 105 4.2.1 Introduction-contexte ................................................................................................. 105 4.2.2 Procédé développé ...................................................................................................... 106 4.2.3 Résultats ...................................................................................................................... 107 4.3 Développement et application d’un réacteur à cellules agitées pour la mesure de la constante cinétique entre l’ozone et l’anion hydroperoxyde .......................................................................... 112 4.3.1 Introduction-contexte ................................................................................................. 112 4.3.2 Caractérisation du réacteur et validation de la méthode ........................................... 113 4.3.3 Détermination de la constante cinétique de réaction de l’ozone avec l’anion hydroperoxyde ............................................................................................................................ 119 5 Utilisation de nanoparticules supportées pour l’ozonation catalytique de polluants émergents 124 5.1 Introduction – contexte ....................................................................................................... 124 5.2 Méthodologie suivie en ozonation catalytique ................................................................... 125 5.3 Résultats .............................................................................................................................. 126 6 Développement et applications d’un catalyseur cellulaire basé sur l’imprégnation de nanoparticules métalliques sur des mousses de verre ................................................................ 130 6.1 Introduction- contexte ........................................................................................................ 130 6.2 Conception et étude de faisabilité ...................................................................................... 132 6.2.1 Les mousses de verre .................................................................................................. 132 6.2.2 Dépôt des nanoparticules et preuve de concept ........................................................ 134 6.2.3 Principales caractérisations du matériau catalytique ................................................. 136 6.3 Application en traitement d’air : ozonation catalytique et oxydation thermo-catalytique 138 6.3.1 Introduction ................................................................................................................. 138 6.3.2 Principaux résultats en ozonation catalytique ............................................................ 139 6.3.3 Principaux résultats en oxydation thermocatalytique ................................................ 139 6.4 Application en traitement d’eau : oxydation avancée par ozonation catalytique .............. 141 6.4.1 Introduction ................................................................................................................. 141 6.4.2 Résultats ...................................................................................................................... 142 6.5 Conclusion ........................................................................................................................... 144 uploads/Geographie/ manuscrit-hdr-pdf.pdf