Face au problème des micropolluants émergents trouvés dans l’eau, l’utilisation de carbones activés est un moyen de réduire cette pollution à la source. Le but de ce travail est de mieux comprendre les mécanismes d’adsorption de certains micropolluants sur des tissus et feutres de carbones activés.Neuf molécules ont été étudiées dont des médicaments : la carbamazépine (CBZ), le diclofénac (DFN), l’ibuprofène (IBP) et l’ofloxacine (OFX), un produit anticorrosion : le benzotriazole (BZT), un perturbateur endocrinien : le bisphénol-A (BPA), deux herbicides : le mécoprop (MCP) et le pentachlorophénol (PCP) et une molécule utilisée comme indicateur de pollution des eaux usées : la caféine (CAF). Les adsorbants ultramicroporeux (tissu KIP1200 et feutre CSV4) et l’adsorbant mésoporeux (tissu BBV 800) (fournis par Dacarb, France) ont été caractérisés par adsorption d'azote à 77K et de CO2 à 273K, titrages acido-basiques (méthode de Boehm), mesure du pHpzc (point isoélectrique). Les cinétiques et isothermes d'adsorption ont été étudiées à 25°C à pH=7,5 dans un tampon phosphate NaHPO4/KH2PO4 (à 0,04M). La concentration résiduelle est analysée par HPLC.Les cinétiques d'adsorption ont été étudiées pour les 9 molécules à différentes concentrations initiales. Le temps pour atteindre l’équilibre d’adsorption dépend du volume des molécules ainsi que de leur affinité avec l’adsorbant. La quantité maximale adsorbable dépend du volume microporeux ainsi que de la surface spécifique de l’adsorbant, la quantité adsorbable est donc plus importante sur le tissu KIP 1200 que sur le feutre CSV 4. La vitesse de diffusion est la plus lente pour les adsorbants possédant un volume microporeux important, le tissu mésoporeux BBV 800 permet donc une adsorption rapide grâce à de plus larges pores qui permettent un accès plus rapide à la porosité.Des analyses en mélanges binaires et multi composés ont alors été réalisées pour connaître les paramètres clés gouvernant les cinétiques d’adsorption. Une compétition existe entre molécules dans certains cas (BZT et MCP par exemple) avec une première phase gouvernée par la cinétique d’adsorption liée à la diffusion dans les pores et la deuxième phase gouvernée par des phénomènes thermodynamiques entre le système soluté/solvant/carbone.Les isothermes d'adsorption ont été réalisés à 3 températures différentes et modélisées par des équations de Langmuir-Freundlich pour tous les micropolluants. Des paramètres thermodynamiques (enthalpie d’adsorption et enthalpie libre) ont alors été calculés et corrélés aux propriétés physico-chimiques des molécules. Une corrélation est mise en évidence entre l’enthalpie libre et la polarisabilité des molécules ainsi que les forces de Van der Waals déterminées avec le logiciel COSMO-RS mettant en évidence l’importance des forces non polaires dans le phénomène d’adsorption. Des mesures par calorimétrie d’adsorption à très faibles quantités adsorbées ont permis de mettre en évidence que l’entropie est le paramètre thermodynamique qui contrôle l’adsorption de molécules (BZT, PCP, CAF et OFX) sur le tissu KIP 1200. De fortes énergies d’interaction ont été mis en évidence entre les molécules (BZT, CAF et OFX) et les sites d’adsorption.Une étude d’adsorption-désorption de N2 et de CO2 sur des tissus KIP 1200 chargés en PCP, BZT, CAF et OFX a permis de mieux localiser le lieu de l’adsorption dans la porosité montrant une adsorption prioritairement dans les ultramicropores puis dans les supermicropores. Il a été montré également par cette méthode et par des mesures thermiques que l’eau est fortement adsorbée dans la porosité. / A lot of studies have revealed that some organic molecules such as pharmaceutical molecules, solvents, pesticides, etc.. are frequently found in water, at concentrations below µg/L, even after treatment at the exhaust of wastewater treatment plants. These molecules are highly toxic when accumulated in environment. One of the possibility for removing these micropollutants is the adsorption on activated carbons. Thus the aim of this work is to better understand the adsorption mechanism of some micropollutants onto activated carbon (ACs) in felt or fabric form.Nine micropollutants were studied, such as some pharmaceuticals: Carbamazepine (CBZ), Diclofenac (DFN), Ibuprofen (IBP), and Ofloxacin (OFX); one anti-corrosion compound : Benzotriazol (BZT); two herbicides : Mecoprop (MCP) and Pentachlorophenol (PCP) and an endocrine disruptor : Bisphenol A (BPA). Adsorption of Caffeine (CAF) which is an anthropic indicator of pollution in waste water, was also studied. The ACs (microporous KIP1200 fabric and CSV4 felt and mesoporous BBV 800 fabric, from Dacarb, France) were characterized by N2 adsorption-desorption at 77 K and CO2 adsorption at 273 K, pHpzc (point of zero charge) measurements and acido-basic titrations (Boehm method). The adsorption kinetics and isotherms were studied at pH 7.4 at 25°C in NaHPO4/KH2PO4 buffered solutions (about 0.04 M) using UV spectrometry and HPLC for the analysis of organic molecules in the remaining solution.Kinetics have been studied for 9 molecules at different initial concentrations. Time to reach adsorption equilibrium depends of the volume of the molecule and its affinity with the activated carbon. The maximum adsorbed quantity depends of the microporous volume and the specific area of the adsorbent, the adsorbed quantity is then bigger for KIP 1200 fabric than for CSV 4 felt. The speed of diffusion is slower for the adsorbent with high microporous volume, the mesoporous BBV 800 fabric gives place to a quick adsorption kinetics thanks to its large pores that gives an easy access to porosity.Binary and multi components kinetics have been done in order to understand key processes that drive kinetics adsorption. Competition between molecules have been shown (for BZT and MCP for example). Adsorption kinetics can be divided into two phases: the first one is driven by pore diffusion and the second one by thermodynamic phenomenon between the solute, the solvent and the AC.The adsorption isotherms of the molecules were studied at 13, 25 and 40°C; and the thermodynamic parameters (isoteric enthalpies and entropies Gibbs free energies) were determined. A correlation between Gibbs free energy and polarizability of molecules as well as Van der Waals energy calculated with Cosmotherm software shows the importance of non polar forces on adsorption phenomenon. Adsorption calorimetry experiments showed that entropy is the thermodynamic parameter that drives adsorption of molecules (BZT, PCP, CAF and OFX) onto KIP 1200 fabric.The pore size distributions of the carbons loaded with micropollutants were determined by DFT simulation from CO2 and N2 adsorption isotherms, to investigate the porosity accessible to the adsorbate. The accessible pore are firstly the ultramicropores and then supermicropores. With this technique and thermal experiments, it has been shown that water is highly bonded inside the porosity.

Una parte importante del trabajo desarrollado en la presente tesis está basado en la puesta a punto y aplicación de la técnica de la microscopía electroquímica de barrido (SECM). Con esta técnica se han caracterizado electroquímicamente superficies sobre las que se han sintetizado una serie de materiales electroactivos desarrollados por nuestro grupo de investigación. Dichos materiales se sintetizan sobre diferentes substratos con el fin de disponer de electrodos de trabajo con aplicación en el contexto del tratamiento electroquímico de aguas residuales contaminadas con colorantes azoicos, provenientes de procesos de tintura en industrias textiles. Entre las superficies desarrolladas se incluyen: ¿ Ánodos dimensionalmente estables (DSAs) fabricados a partir de una superficie de Ti recubierta de SnO2 (Ti/SnO2), dopada con Sb (Ti/SnO2-Sb) y estabilizada con Pt (Ti/SnO2-Sb-Pt). ¿ Un tejido de poliéster (PES) recubierto de polipirrol (PPy) dopado con antraquinona sulfonato (PES/PPy-AQSA) o fosfotungstato (PES/PPy- PW12O403-). ¿ Un tejido de PES recubierto de polianilina (PANI) sintetizada en medios sulfúrico (PES/PANI-HSO4-) y clorhídrico (PES/PANI-Cl-). ¿ Un hilo de Pt recubierto de PANI con Pt electrodispersado (Pt/PANI-Pt). ¿ Un tejido de fibra de carbono recubierto de PANI (C/PANI) con o sin Pt electrodispersado (C/PANI-Pt). ¿ Un tejido de PES recubierto con óxido de grafeno (GO) o con su forma reducida (RGO). Los análisis locales efectuados a las superficies anteriormente descritas permitieron determinar su electroactividad frente a los pares redox Fe(CN)63-/4- y Ru(NH3)63+/2+ seleccionados como mediadores. Las curvas experimentales de aproximación obtenidas con el sistema en modo feedback, se compararon con las curvas teóricas establecidas por la teoría SECM para un substrato conductor (feedback +) y un substrato aislante (feedback -). Las imágenes SECM en 2D y 3D permitieron observar la distribución de la actividad electroquímica superficial para las diferentes muestras. Los resultados obtenidos con la microscopía SECM se utilizaron para validar los procedimientos de síntesis del material electroactivo en lo concerniente a su electroactividad y a la homogeneidad de su distribución. Las superficies textiles presentan una topografía muy irregular en comparación con la superficie metálica de un DSA. Aspecto especialmente reseñable en las muestras textiles es la influencia que ejerce la topografía del substrato textil en la imagen SECM de la electroactividad con el microelectrodo moviéndose a altura constante con respecto al substrato. En este sentido, las imágenes SECM obtenidas sobre las muestras textiles muestran como la electroactividad superficial reproduce el patrón geométrico del tejido. La influencia en la actividad electroquímica de aspectos tales como: tiempo de vida útil/corrosión en el caso de los DSAs, tipo de dopante/pH en el caso de la superficie PES/PPy, influencia del pH en las muestras de PES/PANI, el estado de oxidación de la especie electroactiva y la influencia del mediador (par redox) en el caso del grafeno, ha quedado puesta de manifiesto claramente en los estudios efectuados con la microscopía SECM. Una segunda parte importante del trabajo realizado en la presente tesis, se desarrolla como continuación a los trabajos que el grupo de investigación viene realizando dentro del contexto del tratamiento electroquímico de colorantes azoicos en disolución acuosa. Así, en el capítulo 2 de la presente tesis, se estudia el desarrollo, caracterización y aplicación de una serie de electrodos fabricados a partir de un tejido activo de fibra de carbono. El objetivo que persigue el desarrollo de estos electrodos está en su aplicación a procesos industriales tales como: la electrooxidación de moléculas relativamente sencillas como por ejemplo metanol o, de acuerdo con nuestra línea de investigación, para el tratamiento electroquímico de aguas contaminadas con colorantes azoicos provenientes de los procesos de tintura en industrias textiles. Entre los electrodos textiles de fibra de carbono desarrollados en el capítulo 2 de la presente tesis se incluyen: ¿ Electrodos textiles de carbono sin modificar. ¿ Electrodos textiles de carbono modificados con Pt disperso. ¿ Electrodos textiles de carbono recubiertos de PPy o PANI. ¿ Electrodos textiles de carbono recubiertos de PPy o PANI con Pt disperso. Dos tipos de geometrías se eligieron a la hora de fabricar los electrodos de fibra de carbono anteriormente citados. Los electrodos monodimensionales (WE1D) fueron preparados a partir de una hebra tomada del propio tejido. Los electrodos bidimensionales (WE2D) se prepararon a partir de una banda de (1 cm x 3 cm) cortada del tejido de carbono. Por medio de la voltametría cíclica (CV) y utilizando los WE1D se establecieron las condiciones de síntesis para la fabricación de los WE2D modificados. Además, por medio de la CV se estudió la respuesta electroquímica de los WE1Ds en diferentes sistemas electroquímicos tales como: una disolución de H2SO4, una disolución de CH3OH/H2SO4 y una disolución de amarante/H2SO4. Para este último sistema, además, se utilizó un electrodo de carbono vítreo (GCE) ya que proporcionaba una respuesta voltamétrica más precisa que la obtenida con los WE1Ds. En la caracterización electroquímica que se realizó a los electrodos WE2D, la microscopía SECM jugó un papel relevante. Con la configuración 2D no era posible obtener voltagramas precisos que nos permitieran observar el comportamiento electroquímico de los diferentes WE2D modificados. Con la microscopía SECM, sí se pudo medir la actividad electrocatalítica de las diferentes superficies validándose, entonces, las condiciones de síntesis utilizadas. Algunas de estas condiciones, como los rangos de potencial, se habían establecido previamente para los WE1D. Así, la microscopía SECM se muestra como alternativa a la CV para la medida de la electroactividad superficial y de la distribución del material electrocatalítico para este tipo de muestras. Además de la caracterización electroquímica, se realizó también una caracterización morfológica de las superficies electródicas mediante la toma de imágenes por medio de la microscopía electrónica de barrido (SEM) y del microscopio estereoscópico. El estudio voltamétrico efectuado para el sistema amarante/H2SO4 con los electrodos textiles WE1D y el electrodo GCE permitió el establecimiento de los potenciales de trabajo a los que realizar la electrólisis de oxidación y de reducción a potencial controlado con los electrodos WE2D, WE2D/Pt y WE2D/PANI-Pt. Con los electrodos de trabajo anteriores, se llevan a cabo diferentes electrólisis de electroreducción y electrooxidación a una disolución de amarante en medio sulfúrico utilizando una célula en forma de ¿H¿ con separación de compartimentos. El seguimiento del proceso de degradación de la molécula de amarante y por ende de la decoloración de la disolución, se efectuó por medio de la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) y las espectroscopías UV-visible, fluorescencia de emisión e infrarroja por transformada de Fourier con reflexión total atenuada (FTIR-ATR). Los resultados de eficiencia obtenidos en las electrólisis confirman la elección de los potenciales de trabajo seleccionados. El porcentaje de decoloración tanto con las electroreducciones como con las electrooxidaciones se sitúa por encima del 90 %. También se comprobó que la presencia de platino trae consigo una significativa reducción del tiempo de electrólisis para la electrooxidación a 900 mV. Los análisis de los espectros UV, de fluorescencia de emisión y FTIR-ATR permitieron establecer diferencias significativas en relación con el tipo de proceso electroquímico (electroreducción/electrooxidación), tipo de electrodo (modificado/no modificado) y la presencia/ausencia de cloruros en el medio de reacción. Con este trabajo se establece una metodología de cara a futuros estudios con otros colorantes azoicos utilizando electrodos basados en el tejido de fibra de carbono. / Fernández Sáez, J. (2014). Análisis por microscopía electroquímica de barrido de superficies electroactivas y desarrollo-caracterización de electrodos basados en un tejido de fibra de carbono [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/38239