TiO₂ growth on the surface of cellulose fibers for the development of photocatalytic filters
Croissance de TiO₂ en surface de fibres de cellulose pour l'élaboration de filtres photocatalytiques
Résumé
The pollution is definitely a major issue for environmental protection and sustainable development. Membrane technologies and advanced oxidation processes play more and more a key-role in the treatment of water both for the production of drinking water and for the treatment of municipal and industrial wastewaters. Heterogeneous photocatalysis is an advanced oxidation process for generating highly oxidizing species such as OH• in the presence of water and dioxygen, under irradiation of some semiconducting solids like titania (TiO2). The targeted objective for this PhD work is the development of efficient photocatalytic filters to be implemented in hybrid processes coupling separation and photodegradation. The innovative route investigated for preparing such photocatalytic filters is based on the use of a bio-based polymer, i.e. the cellulose, both as reactant (oxygen source) and mechanical support for the growth of titania nanoparticles from titanium tetrachloride. The first part of the thesis is dedicated to a literature review mainly focused on membrane and hybrid processes, on titanium dioxide and its photocatalytic properties and on the chemical, structural, microstructural and thermal behaviour of cellulose. After a description of the experimental procedures, the second part of this manuscript is first dedicated to the presentation and the discussion of the experimental results on the preparation and characterization of pure titania powders and of TiO2-carbon composite powders. The effect of titania doping by different transition metals in order to improve its functional properties is then examined. Simplification of the synthesis process by removing any is described in the next chapter. From the previously developed know-how on synthesis and photocatalytic performance, the last chapter is devoted to preliminary work on the preparation of photocatalytic filters and on the assessment of their functional properties.
La dépollution est aujourd’hui un enjeu majeur pour la protection de l’environnement et un développement durable. Les technologies membranaires et les procédés d’oxydation avancée jouent un rôle de plus en plus important dans le traitement de l'eau que ce soit pour la production d’eau potable que pour le traitement des eaux usées urbaines ou industrielles. La photocatalyse hétérogène est un procédé d’oxydation avancée permettant la génération des espèces très oxydantes comme les radicaux OH•, en présence d’eau et de dioxygène, lors de l’irradiation de certains solides semi-conducteurs au premier rang desquels on retrouve le dioxyde de titane. L’objectif final visé dans cette thèse est le développement de filtres photocatalytiques performants mis en œuvre dans des procédés hybrides couplant séparation et photodégradation. Le mode d’élaboration envisagé pour ces filtres photocatalytiques est basé sur une voie de synthèse en rupture utilisant un polymère biosourcé, la cellulose, à la fois comme réactif (source d’oxygène) et support mécanique pour la croissance de nanoparticules de TiO2 à partir de tétrachlorure de titane. La première partie de la thèse est dédiée à une revue bibliographique qui porte principalement sur les procédés membranaires et hybrides, le dioxyde de titane et ses propriétés photocatalytiques et sur les propriétés chimiques, structurales et microstructurales et l’évolution thermique de la cellulose. Après un descriptif des matériels et méthodes mis en œuvre dans l’étude expérimentale sont d’abord présentés et discutés les résultats obtenus sur la préparation et la caractérisation de poudres purement minérales, à base de TiO2, et de poudres composites TiO2-carbone. L’effet du dopage du TiO2 par différents métaux de transition afin d’améliorer ses propriétés fonctionnelles est ensuite examiné. Une simplification du procédé de synthèse consistant à éliminer tout usage de solvant est exposée dans le chapitre suivant. S’appuyant sur le savoir-faire précédemment acquis en matière de synthèse et sur les performances photocatalytiques préalablement mesurées, le dernier chapitre est consacré aux travaux préliminaires menés sur la préparation de filtres photocatalytiques et sur l’évaluation leurs performances fonctionnelles.
Origine : Version validée par le jury (STAR)