Valorisation de la biomasse pour l'élaboration de carbones activés et le développement de dispositifs d'élimination et de détection de nitrates en milieu aqueux
La pollution par les nitrates est un problème environnemental important en France même si les solutions appliquées en station d'épuration permettent de satisfaire les normes actuelles de rejets. En Région Centre-Val de Loire, la pollution par les nitrates affecte principalement les nappes d...
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| 格式: | Thèse numérique |
| 语言: | Français |
| 出版: |
2020.
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Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Interfaces, Confinement, Matériaux et Nanostructures (Orléans, Loiret ; 2015-....) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Laurent Duclaux (Président du jury) ; Benoît Cagnon, Christine Vautrin-Ul, Laurent Duclaux, Roger Gadiou, Vanessa Fierro, Sylvie Bonnamy, Laurent Lejars (Membre(s) du jury) ; Laurent Duclaux (Rapporteur(s)) |
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| Variante du titre: | Valorization of biomass for the synthesis of activated carbons and the development of devices for nitrates removal and detection in aqueous medium |
| 总结: | La pollution par les nitrates est un problème environnemental important en France même si les solutions appliquées en station d'épuration permettent de satisfaire les normes actuelles de rejets. En Région Centre-Val de Loire, la pollution par les nitrates affecte principalement les nappes d'eau souterraines peu protégées naturellement, compte tenu des caractéristiques hydrogéologiques du sous-sol. Dans le cadre de cette thèse, il est proposé de valoriser l'utilisation d'agro-matériaux originaux (déchets de végétaux lignocellulosiques), issus des différentes filières de production spécialisée de la Région Centre-Val de Loire, pour l'élaboration de carbones activés (CA) biosourcés et qui serviront à développer un procédé d'adsorption pour éliminer les nitrates en sortie de station d'épuration.La démarche et les objectifs ont consisté :- dans un premier temps, à étudier l'adsorption des ions nitrates en solution aqueuse sur des CA avec pour objectif d étudier leurs capacités d adsorption. Pour ce faire, des CA commerciaux possédant des caractéristiques physico-chimiques variées en termes de porosité, de chimie de surface et de charge de surface ont été sélectionnés et analysés. Afin d optimiser les capacités d adsorption des nitrates, des cinétiques et des isothermes d adsorption de nitrates sur les CA ont été réalisées en étudiant l influence des conditions expérimentales, telles que le pH (acide, basique, neutre) et la température du milieu aqueux, la masse de CA ainsi que la concentration initiale en nitrates, en fonction des matériaux de référence. L étude des cinétiques et des isothermes d adsorption de nitrates a mis en évidence l importance du pH de la solution ainsi que l impact des ions présents dans la solution aqueuse. En effet, ces derniers peuvent entrer en compétition avec les ions nitrates à adsorber. L ensemble des résultats a permis de proposer des mécanismes d adsorption des nitrates sur CA :- dans un deuxième temps, à élaborer des carbones activés à partir de la biomasse agricole locale (plants de tomate, miscanthus et bois de peuplier) par activation chimique. Au cours de ce procédé d activation, plusieurs paramètres expérimentaux ont été analysés, tels que le ratio entre la matière première et l'agent activation et la température d'activation. L objectif de cette partie a été d'élaborer des CA efficaces et spécifiques pour l adsorption des nitrates en valorisant la biomasse locale. Cette étude a montré que les trois résidus agricoles lignocellulosiques étudiés, tous activés selon le même protocole d activation chimique à l acide phosphorique, sont potentiellement activables pour élaborer un CA permettant l adsorption des nitrates. En outre, cette étude a montré qu il était possible de prédire la contribution de chaque constituant (hémicellulose, cellulose et lignine) des résidus lignocellulosiques à la masse et aux propriétés poreuses des CA obtenus après un procédé d activation chimique à l acide phosphorique de ces matériaux lignocellulosiques. Ces résultats ont conforté et étendu l utilisation de l outil prédictif qui permet de calculer la proportion de carbone issu de l'hémicellulose, de la cellulose et de la lignine au sein du carbone activé final, et surtout d estimer les rendements d activation chimique à partir de la composition biochimique du précurseur.- dans un troisième temps, à étudier la fonctionnalisation de surface des carbones activés par des sels de diazonium, dans l objectif de corréler la chimie de surface de ces matériaux poreux et leurs propriétés d adsorption des nitrates en milieux aqueux. La fonctionnalisation des carbones activés commerciaux et élaborés au sein du laboratoire a permis le greffage de différentes fonctions chimiques sur la surface des matériaux. Ce greffage a induit des changements importants des caractéristiques physico-chimiques et des propriétés texturales des carbones activés étudiés. Nitrate pollution is a major environmental problem in France, even though current solutions in wastewater treatment plants make it possible to meet current discharge standards. In the Centre-Val de Loire Region, nitrate pollution mainly affects ground water aquifers, that are naturally poorly protected due to the hydrogeological characteristics of the subsoil. The purpose of this research is to valorize the use of original agro-materials (lignocellulosic plant wastes), issued from the various specialized production chains in the Centre-Val de Loire Region, for the synthesis of "biosourced" activated carbons. Then it has the objective to develop an adsorption process to eliminate nitrates at the outlet of a wastewater treatment plant based on activated carbons.The approach and the objectives of this research were:- firstly, to study the adsorption of nitrate ions in aqueous solution on activated carbons with a focus on their adsorption capacities. To this end, commercial activated carbons having different physico-chemical characteristics in terms of porosity, surface chemistry and surface charge were selected and analyzed. In order to optimize the nitrate adsorption capacities, kinetics and isotherms of nitrate adsorption on activated carbons were carried out by investigating the influence of experimental conditions, such as the pH (acid, basic, neutral) and temperature of the aqueous medium, the mass of activated carbon and the initial nitrate concentration. The study of the kinetics and isotherms of nitrate adsorption has highlighted the importance of the pH of the solution as well as the impact of the ions present in the aqueous solution. It is shown that the latter can compete with the adsorption of nitrate ions. All the results made it possible to propose nitrate adsorption mechanisms on activated carbon:- in a second step, to synthesize activated carbons from local agricultural biomass (tomato plants, miscanthus and poplar wood) by chemical activation. During this activation process, several experimental parameters were investigated, such as the ratio between the raw material and the activating agent and the activation temperature. The objective of this work was to develop efficient and specific activated carbons for nitrate adsorption by promoting the local biomass. For the four lignocellulosic agricultural residues which were activated according to the same chemical activation protocol using phosphoric acid, it is shown that they are potentially activable to produce activated carbon for water treatment. In addition, this study showed that it was possible to predict the contribution of each component (hemicellulose, cellulose and lignin) of lignocellulosic wastes to the mass and porous properties of activated carbons issued from a phosphoric acid chemical activation process. These results confirmed and extended the use of the simple predictive calculation that allows to calculate the proportion of carbon from hemicellulose, cellulose and lignin within the final activated carbon, and, above all, to estimate the chemical activation yields from the biochemical composition of the lignocellulosic precursor.- in a third step, to study the surface functionalization of activated carbons diazonium salts grafting. The objective of this part is to establish the correlation between the chemistry of the AC surface and the adsorption of the nitrate ions. The functionalization of commercial and home-made activated carbons allowed the grafting of different chemical functions on their surface. This grafting induced significant changes in the physico-chemical characteristics and textural properties of the activated carbons studied. |
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| Item Description: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Interfaces, Confinement, Matériaux et Nanostructures (Orléans, Loiret ; 2015-....) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Laurent Duclaux (Président du jury) ; Benoît Cagnon, Christine Vautrin-Ul, Laurent Duclaux, Roger Gadiou, Vanessa Fierro, Sylvie Bonnamy, Laurent Lejars (Membre(s) du jury) ; Laurent Duclaux (Rapporteur(s)) |