Yes / Energy saving is an important consideration in process design for low cost sustainable production with reduced environmental impacts (carbon footprint). In our earlier laboratory scale pilot plant study of catalytic wet air oxidation (CWAO) of phenol (a typical compound found in wastewater), the energy recovery was not an issue due to small amount of energy usage. However, this cannot be ignored for a large scale reactor operating around 140–160 °C due to high total energy requirement. In this work, energy savings in a large scale CWAO process is explored. The hot and cold streams of the process are paired up using 3 heat exchangers recovering significant amount of energy from the hot streams to be re-used in the process leading to over 40% less external energy consumption. In addition, overall cost (capital and operating) savings of the proposed process is more than 20% compared to that without energy recovery option.

ABSRACT This study was to investigate the removal efficiency and kinetics in oxidation of ammonia solutions (NH3-N) in ranging from 400 mg/L to 1000 mg/L by adding Cu/La/Ce catalyst in process of Wet Air Oxidation (denoted by WAO). All experiments were conducted in semi-batch and continuous reactors in series. The major parameters included temperature, pressure, concentration and pH. In the semi-batch type of WAO experiments, the major parameters were performed at the following conditions: an initial concentration NH3-N of 400 mg/L, temperatures ranging from 423 K to 503 K, a total pressure of 4.0 Mpa, and a pH of 12.0. A removal efficiency of 32.7%was obtained in WAO process at 503 K for180 min, but it could be significantly promote to 95.1% after adding a catalyst of molar ratio 7:2:1.The kinetics of WAO with this catalyst in oxidation of NH3-N solutions, using a test of half-life, was developed nearly to a zero order. The reaction constants were 10.12 KJ/mol, 9.12 KJ/mol, and 6.57 KJ/mol at 503 K, 473 K and 423 K. In the continuous type of WAO experiments, the major parameters were performed at the following conditions: an initial concentration NH3-N of 400 mg/L, a temperature of 503 K, a total pressure of 2.0 Mpa, a pH of 12.0 and a liquid space velocity of 4.5 hr-1 (averagelyresidence time 14 min) . A removal efficiency of NH3-N of 6.5 % only was achieved in WAO process for a space velocity of 4.5 hr-1 (averagely residence time 14 min) , but after adding a catalyst of molar ratio 7:2:1 it increased to 72.3 % for a same residence time and a better efficiency of above 91 % was found for 1.5 hr-1 (averagely residence time 40 min) . For increasing the initial concentration of NH3-N into 600 mg/L, 800 mg/L, and 1000 mg/L the removal efficiency of NH3-N decreased with 85 %,75 % and 69 % for 1.5 hr-1 . Thus, the initial concentration of NH3-N in influent inhibits the removal efficiency in the oxidation process. The higher initial concentration the lower removal efficiency.

La rápida industrialización y urbanización mundial ha creado un sin número de contaminantes para los medios acuosos tóxicos y peligrosos, los cuales en su gran mayoría son difícil de degradar de forma natural. Los fenoles son algunos de estos compuestos tóxicos que se encuentran con frecuencia en muchos efluentes industriales. Revisión literaria específica que la oxidación catalítica en aire húmedo utilizando carbón activado podría ser una solución prometedora para la destrucción de estos contaminantes fenólicos. Sin embargo, parece difícil lograr la estabilidad del catalizador dentro del reactor de lecho fijo, en estado estacionario, debido a la combustión lenta de carbón activado. Dentro de este contexto, el presente trabajo se centró en tres aspectos principales para extender los conocimientos actuales sobre la oxidación catalítica del aire húmedo, los cuales son: el establecimiento de las condiciones de arranque del reactor, el estudio de la cinética de reacción y la evaluación de la operación periódica de reactores de lecho fijo. Se ha demostrado que la cinética de la reacción puede llevarse a cabo en un reactor por goteo de lecho fijo sin limitaciones de transferencia de masa y calor. Y más importante aún, el catalizador pudo mantenerse estable durante la oxidación catalítica del aire húmedo de fenol sobre carbón activo en un reactor de lecho fijo, a través de la operación de un reactor dinámico mediante la optimización de los parámetros periódicos. / The fast world industrialization and urbanization creates a large number of water pollutants that are toxic and hazardous and in most cases too hard to amend naturally. Phenols are amongst those toxic compounds frequently found in many industrial effluents. A review of the specific literature points out that catalytic wet air oxidation using activated carbon can be a promising solution for the destruction of phenolic pollutants. However, it seems unlikely to achieve stable catalyst in fixed bed reactor under steady state operation due to the slow combustion of activated carbon. Within this context, the present work focus on three main aspects to extend the current state of art of catalytic wet air oxidation: establishing reactor start-up, kinetic measurements and periodic operation of fixed bed reactors. It has been shown that kinetic measurement can be conducted in trickle bed reactor without mass and heat transfer limitations. Most importantly, stable catalyst during catalytic wet air oxidation of phenol over active carbon was achieved in fixed bed reactor through dynamic reactor operation by optimizing periodic parameters.

L’objectif de cette étude portait sur la mise en œuvre de réacteur catalytique membranaire pour une application dans le traitement d’effluents liquides contaminés par des polluants organiques. Des phases catalytiques ont été déposées au sein des structures poreuses par différentes techniques afin de bien maîtriser la localisation des phases actives. L’optimisation des conditions opératoires a ensuite été réalisée. Ces matériaux sont actifs pour l’oxydation de polluants présents dans les effluents liquides et la configuration en mode contacteur a permis d’accroître l’efficacité et la stabilité des phases catalytiques pour ces réactions de dégradation grâce à un meilleur contact entre les réactifs et les sites actifs. / The aim of this study was to evaluate catalytic membrane reactor for wet oxidation efficiencies of pollutants in waste water. In a first part, we have prepared catalytic membrane using several techniques of deposition in order to well control the position of the active phase in the porous structure. After optimisation of the experimental parameters, the study of pollutant degradation has showed that catalytic membrane reactor, in contactor configuration present highest efficiency than conventional reactor due to optimized contacts between reactants and active sites.

Les oxydes mixtes de cérium-zirconium sont au cœur de nombreux sujets de recherche. En effet, ces matériaux sont utilisés dans différents domaines d'application, et tout particulièrement en catalyse, dans les catalyseurs trois voies en automobile ou pour l'oxydation de polluants organiques. L'intérêt pour ce composé réside dans ses propriétés remarquables d'oxydoréduction, sa capacité de stockage de l'oxygène et sa résistance au frittage. En conséquence, un nombre important de méthodes de synthèse ont été mises au point et soulignent la grande sensibilité de cet oxyde mixte à la voie de préparation employée. Dans le cadre de ce travail deux grandes voies de synthèses ont été utilisées, la co-précipitation (milieu aqueux) et la dégradation des -dicétonates métalliques (milieu non aqueux). Ces synthèses ont été réalisées à l'aide de plusieurs techniques que sont (i) le chauffage à pression atmosphérique, (ii) le traitement hydrothermal, (iii) la sonolyse et (iv) la combinaison de la sonolyse et du traitement hydrothermal, de façon successive ou en simultané. Afin de pouvoir réaliser cette dernière méthode de synthèse innovante, un réacteur permettant de réaliser un traitement sonochimique en température et sous pression a été développé (réacteur sonothermal). L'activité chimique des ultrasons dans ces conditions a pu être mise en évidence lors de la sonolyse de l'eau (légère ou lourde) et de celle d'un hydrocarbure. Au cours de la préparation de (Ce,Zr)O2, des paramètres autres que le dispositif de synthèse ont été étudiés, comme la présence d'un surfactant ou la longueur de chaine du solvant. Ainsi, il a pu être démontré que, dans le cas de la voie aqueuse, l'utilisation du réacteur sonothermal a une réelle incidence sur la surface spécifique du matériau final en comparaison de la réalisation successive des traitements sonochimique et hydrothermal. Les oxydes présentant les propriétés structurales les plus intéressantes ont été sélectionnés afin d'être employé en tant que support de métal noble dans des catalyseurs de type Pt/(Ce,Zr)O2. L'évaluation de l'activité catalytique de ces matériaux, lors de l'oxydation catalytique à l'air humide de l'acide formique, a montré que celle-ci dépend non seulement du mode de synthèse de l'oxyde mixte, mais également de la voie de dépôt du platine et du couple méthode de dépôt du platine/méthode de synthèse du support. / Cerium-zirconium mixed oxides are at the heart of numerous research subjects. Indeed, these materials are used in different fields of application, and particularly in catalysis in three-way catalyst for automobile or for organic pollutant oxidation. The interest for this compound resides in its remarkable oxidoreduction properties, its oxygen storage capacity and its resistance to sintering. Consequently, numerous preparation methods have been developed and underline the high sensitivity of these oxides to the synthesis way. In the present work, two main synthesis have been employed, coprecipitation (aqueous medium) and  diketonate degradation (non-aqueous medium). These syntheses have been realized with several techniques which are (i) heating at atmospheric pressure, (ii) hydrothermal treatment, (iii) sonolysis and (iv) combination of sonolysis and hydrothermal treatments, in a successive or simultaneous way. In order to realize this last and innovative method, a reactor allowing sonochemical treatment under high temperature and pressure has been developed. Under these conditions, the ultrasounds chemical activity has been proved during light or heavy water or hydrocarbon sonolysis. During the (Ce,Zr)O2 preparation, other parameters than the synthesis technique have been studied such as the surfactant presence or the solvent chain length. Thus, it has been shown that, in the case of aqueous synthesis, the use of the sonothermal reactor has a real effect on the specific surface area of the material in comparison of successive realization of sonochemical and hydrothermal treatments. Oxides with the more interesting structural properties have been selected for being used as supports of noble metal in the Pt/(Ce,Zr)O2 catalysts. The evaluation of the catalytic activity of these materials, during the catalytic wet air oxidation of formic acid, showed that it not only depends on the synthesis method, but also on the platinum deposition method and the pair platinum deposition method/support synthesis method.

Ce travail a pour objectif de concevoir, de mettre en oeuvre et de modéliser, un petit pilote de traitement d'eau afin d'enchainer un grand nombre de cycles du procédé séquentiel AD-OX (ADsorption-OXydation) sur Charbon Actif (CA). On étudie l'évolution, au cours des cycles, de la capacité d'adsorption de différents charbons actifs (commerciaux et issus de la pyrolyse de boue de station d'épuration) sur différents effluents : modèle (phenol), colorant (tartrazine) et effluent industriel. L'étude des performances, en adsorption puis oxydation alternées, a precisé les caracteristiques fondamentales du procédé AD-OX. Après la première régénération, le charbon a perdu une grande partie de son pouvoir adsorbant (environ 80%). Ce résultat est d'ailleurs le principal point commun des divers essais (sur des charbons tres différents et sur des polluants également tres différents) : les charbons sont tres dégradés en tant qu'adsorbants et catalyseurs lors de la première oxydation, puis évoluent tres peu au cours des cycles suivants. De nombreuses mesures sur ces charbons neufs et usagés aident à mieux appréhender ce phénomène : surface BET, porosite, analyse thermogravimétrique, composition chimique globale (CHNSO, EDX, ICP/AES), fonctions de surface, pH au point de charge nulle… La désactivation de l'adsorption semble essentiellement résulter de la fixation sur le charbon d'oligomères difficilement oxydés et qui reduisent fortement la microporosité. Pour mieux interpréter ces experiences, des simulations numériques sont décrites dans cette étude. On a modélisé la premiere étape du procédé, le percage du phénol sur un charbon commercial neuf, qui montre le rôle prépondérant de la diffusion de surface, puis le percage sur CA usagé. Pour finir, on a développé un modèle de l'étape d'oxydation catalytique batch, une fois l'activité du charbon stabilisée, qui approche bien les données experimentales sans aucun ajustement de paramètre. / This study aims to design, implement and model a small fixed bed reactor so that to perform a large number of consecutive Adsorption- Xidation cycles over Activated Carbon (AC) for water treatment. The evolution of the adsorption capacity of various activated carbons (commercial and issued from sewage sludges) is investigated during the cycles treating different wastewaters: model (phenol), dye (tartrazine) and industrial effluent. The measurement of the adsorption and oxidation performances has allowed to precise the features of the AD-OX process. The activated carbon has lost most of its adsorption capacity (80%) after the first oxidative regeneration. This conclusion can be drawn for all experiments (with very different activated carbons and also different pollutants): the adsorptive and catalytic properties of the carbons are very much reduced during the first oxidation, but then remain rather stable over the subsequent cycles. Physico-chemical characterisation of fresh and aged activated carbons helps to better understand this phenomenon: BET surface area, porosity, thermogravimetry analysis, global chemical composition (CHNSO, EDX, ICP/AES), surface functional groups, pH at the point of zero charge ... The loss of adsorption capacity seems mainly to result from the chemisorption of oligomers, poorly oxidized and that significantly reduce the microporosity. To better interpret these experiments, numerical simulations are also described in this study. Breakthrough curves of phenol adsorption have been simulated first for fresh commercial activated carbon, showing the dominating role of surface diffusion, then for aged carbon. Finally, a model has been developed to describe the batch catalytic oxidation step when AC activity is stabilized, that fits the experimental data satisfactorily without any parameter adjustment

The 2,4-Dichlorophenol (2,4-DCP) solution (400 mg L¡Ð1) was treated by a wet air oxidation (WAO) process at temperatures of 393¡Ð453 K under a total pressure of 3.0 MPa using either Mn /£^-Al2O3 or Mn-Ce /£^-Al2O3 composite oxide as a catalyst. A COD reduction was found only 19.2% within 60 min if the WAO process was performed in a semi-batch type reactor without any catalyst addition; however, a higher COD removal of 69.4% or 71.4% was achieved when the Mn /£^-Al2O3 or Mn-Ce /£^-Al2O3 oxide was applied in the WAO process, respectively. A catalytic wet air oxidation (CWAO) of 2,4-DCP solution using the Mn-Ce /£^-Al2O3 oxide as a catalyst was conducted in another up-flowing fixed-bed reactor at 433 K under a pressure of 3.0 MPa in a space velocity of 4.0 hr¡Ð1. The COD reduction of the solution of 2,4-DCP was found above 61.4%. Also, both BOD5 and COD values in the effluent from the CWAO process was examined, and the BOD5/COD ratio was about 0.64. On the other hand, it is possible to treat the 2,4-DCP solution (¡Õ400 mg L¡Ð1) to meet the discharging regulation standard (COD¡Õ100 mg L¡Ð1) began in 1998 at Taiwan using a CWAO run and followed by an activated sludge treatment unit. The Ea values of the CWAO of 2,4-DCP using the Mn /£^-Al2O3 oxide as a catalyst were 20.77 KJ mol¡Ð1 and 23.99 KJ mol¡Ð1, respectively, for the first-stage and the second-stage reaction, respectively. In addition, the Ea values of the CWAO of 2,4-DCP over the Mn-Ce /£^-Al2O3 oxide were 14.77 KJ mol¡Ð1 and 23.30 KJ mol¡Ð1, respectively, for the first-stage and the second-stage reaction. Obviously, the Mn-Ce /£^-Al2O3 oxide does a better job in reducing the activation energy of the CWAO of 2,4-DCP than the Mn /£^-Al2O3 oxide does. Unfortunately, 2,4-DCP is hardly decomposed to become a low molecule weight carbon acids by the WAO run undergoing at 493 K without any catalyst addition. Several intermediates, such as 2-chlorophenol, phenol, catechol, oxalic acid, and formic acid, of the effluent from the CWAO of 2,4-DCP run over the Mn-Ce /£^-Al2O3 oxide were determined with a high-performance liquid chromatography.

En raison de la réglementation plus sévère sur la pollution de l’eau, l’oxydation chimique (CWAO et AOP) et l’hybridation adsorption / régénération par oxydation sont de plus en plus envisagées pour éliminer les polluants réfractaires. L’objectif de ce travail est d’étudier l’effet de l’imprégnation du fer ou du cuivre sur l’activité du charbon actif dans l’oxydation catalytique en voie humide (avec ou sans ajout d’H202), ainsi que sur sa durée de vie comme adsorbant / catalyseur dans le procédé séquentiel Adsorption-Oxydation (ADOX). Les catalyseurs (Fe / AC et Cu / AC) ont été préparés par imprégnation à humidité naissante d’un charbon actif commercial avec une solution contenant le sel de métal (nitrate de fer ou le nitrate de cuivre). Les matériaux sont ensuite séchés pendant une nuit à 110° C, et calcinés à 350 ° C pendant 4 heures sous azote. Les cycles d’adsorption et d’oxydation successifs ont été effectués en réacteur à lit fixe. Au cours de l’étape d’adsorption, le réacteur a été alimenté en continu avec une solution de phénol à 0,5 g / L, jusqu’à la saturation de l’adsorbant. La capacité d’adsorption du charbon actif a été calculée à partir des courbes de percée du phénol. L’étape d’oxydation s’effectue en batch durant 8 h (50 bars, 150 ° C). Dans certains cas, une faible quantité de H2O2 (20% de la quantité stœchiométrique nécessaire pour la minéralisation totale du phénol présent dans le solide et la solution) a été ajoutée à la solution de phénol. La dégradation du phénol a été suivie à l’aide de l’HPLC/UV et le taux de minéralisation est quantifié au moyen d’analyses DCO ou COT. L’addition du métal (cuivre ou fer) améliore la durabilité du procédé en réduisant la perte de surface BET du charbon actif, et, plus marginalement, la diminution progressive des capacités d’adsorption. L’ajout de H2O2 en oxydation a clairement amélioré la régénération de l’adsorbant, mais son effet ne s’ajoute cependant pas à celui des métaux. / Due to increasingly severe regulation on water pollution, waste water treatments are more and more concerned with chemical oxidation (CWAO and AOP) and hybrid adsorption/oxidative regeneration processes to remove refractory pollutants. The objective of this work is to investigate the effect of iron or copper addition on Activated Carbon (AC) activity in standard and peroxide-promoted CWAO, as well as on its lifetime as adsorbent/catalyst in the sequential Adsorption-Oxidation process (ADOX). The catalysts (Fe/AC and Cu/AC, respectively) were prepared by incipient-wetness impregnation of a commercial activated carbon (5% by weight) with a precursor solution containing the metal salt (iron nitrate or copper nitrate). After drying overnight at 110°C, they were calcinated at 350°C for 4h under nitrogen flow. The successive adsorption-oxidation cycles were performed using a small fixed bed reactor containing about 7 g of AC. During the adsorption step, the reactor was continuously fed with a 0.5 g/L phenol solution until complete bed saturation. The adsorption capacity of the AC was calculated from the breakthrough curves of phenol adsorption. The batch oxidation step (50 bar, 150°C) lasted 8h. For peroxide promoted CWAO, a low dose of H2O2 (20% of the stoichiometric amount required for phenol mineralization) was added to the recycled phenol solution. Phenol conversion was monitored by HPLC/UV and the extent of mineralization by Chemical Oxygen Demand (COD) or Total Organic Carbon (TOC). The addition of metal (copper or iron) showed a slight beneficial effect on AC regeneration by CWAO, but not as high as expected from the final BET area of the solids. Peroxide promoted CWAO clearly improved AC regeneration, nevertheless its effect was not additive with that of the metals.