DS0304 -

Développement de catalyseurs nanocomposites pour la dépollution photocatalytique, activée par rayonnement proche infrarouge, des eaux usées troubles – UpPhotoCat

Résumé de soumission

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des molécules constituées de plusieurs cycles benzéniques condensés. Ces molécules, produites lors de la combustion incomplète des hydrocarbures, sont aussi présentes dans les eaux de fracturation ou d’extraction lors de l’exploitation de gisements de gaz non conventionnels. Ces exploitations, non autorisées en France, sont très répandues au Canada. Ceci soulève la question du traitement des eaux usées polluées par les HAP, des molécules dont la toxicité et/ou la cancérogénicité pour l’homme et la faune sauvage a été clairement établie. En outre, l'augmentation attendue de l'extraction de gaz non conventionnels suppose une augmentation égale d'eau contaminée à dépolluer.

L'impact de ces contaminants dans l'écosystème aquatique sera, à termes, un problème majeur de santé publique, et l’urgence de trouver une solution à cette contamination est bien réelle. Malheureusement, ces polluants ne peuvent pas être éliminés par un traitement biologique car ils ne sont pas métabolisés par les bactéries et la photocatalyse "conventionnelle", qui utilise les rayonnements UV s’avère assez inefficace en raison de la faible profondeur de pénétration de la lumière UV dans des eaux usées troubles et fortement chargées en molécules organiques. D’autres technologies doivent être envisagées d’urgence, plus efficaces pour la dégradation de ces polluants et plus rentables. Parmi ces technologies, l’activation du processus photocatalytique dans le proche infrarouge (NIR) au moyen de particules d’upconversion (UCNP, des particules capables de transformer le rayonnement NIR en rayonnement UV) est amenée à jouer un rôle prépondérant.

Le projet que nous proposons s’appuie sur la collaboration entre une équipe canadienne (INRS-EMT, F. Vetrone) et deux équipes françaises : 3 chercheurs du LRS (UPMC): J. Blanchard, G. Costentin & S. Boujday et 1 chercheur du LCP (Univ. Paris Sud): C. Colbeau-Justin. Il implique également deux partenaires non financés, un partenaire industriel canadien (Avanced CERT Inc.) et un partenaire académique singapourien (MSE-NTU). Il vise à la synthèse de nanocomposites photocatalytiques innovants combinant des UCNPs avec un photocatalyseur ZnO et à leur utilisation pour la dégradation d'HAP.

Les UCNPs sont constitués de fluorures de terre rare dopés par des lanthanides. Ces derniers agissent comme des antennes vis-à-vis de la lumière proche infra-rouge (NIR) puis la convertissent en lumière UV. Dans ce procédé, l'émission de rayons UV sera produite par excitation des UCNPs dans le NIR et déclenchera l'activité du photocatalyseur ZnO pour la dégradation des polluants. Cette approche innovante permettra de dépasser les limitations liées aux méthodes actuelles puisque le problème de la pénétration limitée de la lumière UV sera résolu par la génération in situ du rayonnement UV, au contact direct du photocatalyseur, à partir de rayonnement NIR dont la profondeur de pénétration est bien supérieure dans les milieux troubles et chargés en molécules organiques. Concernant les composites, deux types de nano-architectures seront étudiés : composites cœur-coquille ou en forme de fleur. L’activité photocatalytique dépendra à la fois du rendement d’upconversion (lui même lié à la morphologie des UCNPs) et de l’activité photocatalytique de la couche de ZnO. La caractérisation détaillée de ces matériaux aura pour objectif d'établir une relation structure-propriétés et portera aussi bien sur leur morphologie, leurs propriétés électroniques et leur photoréponse que sur leurs propriétés catalytiques.

Cette approche, basée sur une compréhension des mécanismes aux différentes étapes et sur des tests catalytiques sur molécules modèles puis sur des échantillons réels, permettra de mettre au point un système plus efficace et plus rentable pour le traitement des eaux usées contaminées par les HAP.

Coordinateur du projet

Madame Juliette Blanchard (Laboratoire de Réactivité de Surface)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Advanced CERT Canada Inc.
MSE-NTU Department of Materials Science & Engineering Nanyang Technical University
INRS-EMT Institut National de la Recherche Scientifique, Énergie, Matériaux et Télécommunications, Université du Québec
LCP Laboratoire de Chimie Physique
LRS Laboratoire de Réactivité de Surface

Aide de l'ANR 381 950 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2016 - 48 Mois

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