Dans les eaux naturelles ou bien dans les eaux en cours de traitement, de nombreux processus peuvent générer des espèces réactives telles que de l'oxygène singulet, des ions superoxydes,des radicaux hydroxyles, ou bien d'autres oxydants. Dans les eaux naturelles, ces processus impliquent les substances humiques ou les ions nitrates en présence de lumière et d'oxygène. Dans les eaux en cours de traitement, les procédés d'oxydation avancée sont une source de production de radicaux hydroxyle. D'autres radicaux peuvent ensuite être formés par des réactions secondaires avec la matrice inorganique des eaux. Ces réactions aboutissent à la formation de radicaux inorganiques tels que les radicaux carbonates CO3*- et les radicaux chlores Cl* (atome de chlore). La réactivité de ces derniers est mal connue. Ce travail a pour but d'étudier la réactivité des radicaux carbonates et chlores avec des pesticides de type phénylurées, utilisés comme molécules modèles, et d'identifier les produits de dégradation. Le radical carbonate a été généré par la photolyse de [Co(NH3)5CO3]+, par photosensibilisation à partir de la 4- carboxybenzophenone, de la 1-nitronaphtalène et de la duroquinone et par l'excitation UV du peroxyde d'hydrogène. Le radical chlore a été généré par l'excitation UV du peroxyde d'hydrogène. Les constantes de vitesse de réaction des radicaux carbonates et chlores avec les pesticides étudiés, ont été déterminées, après validation d'une méthode de cinétique compétitive ou par modélisation cinétique. Ces constantes sont comprises pour le radical carbonate dans l'intervalle 0,35-3,5.107 L mol-1 s-1, et dans l'intervalle 1,2-3,9.108 L mol-1 s-1 pour le radical chlore. La comparaison de la réactivité des radicaux carbonates et chlores avec celle des radicaux hydroxyles, indique un facteur de l'ordre de 1000 pour le radical carbonate et de 100 pour le radical chlore, et ceci en faveur de la réactivité des radicaux hydroxyles. Plusieurs produits de dégradation du radical carbonate ont été identifiés. Il s'agit de produits d'hydroxylation du cycle aromatique, des produits issus d'une déméthylation, un dérivé quinone imine pour le fénuron, la cassure du pont dissulfure pour le metsulfuron méthyl. La comparaison des produits de dégradation formés avec les radicaux carbonates et hydroxyles met en évidence certains produits communs aux deux processus tandis que d'autres sont plus spécifiques. Les produits issus du radical carbonate sont moins nombreux en nombre que ceux issus du radical hydroxyle.

Les procédés dits d'oxydation avancés (POA) permettent la dégradation totale (minéralisation) en milieu aqueux des polluants organiques persistants et/ou toxiques pour l'homme et pour l'environnement. Cette étude porte sur l'application de deux POA principaux : électro-Fenton et photo-Fenton, au traitement des eaux polluées par des colorants de textile. La particularité de ces procédés tient à la génération dans le milieu d'entités oxydantes très réactives, les radicaux hydroxyles (●OH) qui sont capables d'oxyder n'importe quelle polluant organique ou organométallique jusqu'au stade ultime d'oxydation, c'est-à-dire la minéralisation (transformation en CO₂ et H₂O). Dans le cas des colorants étudiés (BB41, BR46 et BY28), il a été montré que le taux de minéralisation par le procédé électro-Fenton dépend des paramètres expérimentaux tels que la concentration du catalyseur, l'intensité du courant appliqué, le pH du milieu, etc.. Cette étude a montré que l'électrolyse du colorant suit une cinétique de pseudo premier ordre. Dans les conditions expérimentales optimales (I = 225 mA et [Fe³⁺]₀ = 0,1 mM), les taux de minéralisation obtenus pour des solutions aqueuses des trois colorants étudiés étaient de 93, 82 et 73% pour le BB41, BR46 et BY28 respectivement après 6 h de traitement. Le taux de minéralisation par le procédé photo-Fenton (UV/Fe³⁺/H₂O₂) est fonction des doses des réactifs utilisés et des rapports R = [H₂O₂]/[Fe³⁺] et R' = [Fe³⁺]/[substrat]. Ainsi, les taux de minéralisation obtenus sont de l'ordre de 93% pour le BB41, 85% pour le BR46 et de 95% pour le BY28 pour une durée de traitement de 5 heures avec des rapports R = 10 et R' = 40. L'étude de la dégradation du colorant BB41 sur une unité pilote utilisant le rayonnement solaire a montré que le procédé hélio-photo-Fenton est très efficace. Ce procédé s'inscrit dans une perspective de développement durable et son fonctionnement est basé sur une énergie renouvelable. Une comparaison des performances de minéralisation d'un mélange de colorants par les deux procédés étudiés par l'estimation de l'énergie électrique consommée a montré que les procédés photo-Fenton et électro-Fenton permettent d'atteindre des taux de minéralisation très importants et que le procédé électro-Fenton semble être favorisé avec non utilisation de réactifs chimiques et une faible consommation d'énergie électrique

Dans ce travail de thèse, les radicaux hydroxyles et sulfates, générés par les procédés électro-Fenton et électro-persulfate utilisant une anode en fer, respectivement, ont été utilisés pour la dégradation des édulcorants synthétiques et un colorant azoïque. Les études réalisées sont essentiellement concentrées sur : efficacité de dégradation, mécanismes d'oxydation, schémas de minéralisation et évolution de la toxicité lors de traitement des polluants cibles.1. Le procédé électro-Fenton a montré une grande efficacité dans la dégradation oxydative de l'Aspartame (ASP). La dégradation et la minéralisation sont essentiellement affectées par la concentration du catalyseur (Fe2+) et l'intensité du courant. La constante de vitesse absolue de la réaction d'hydroxylation de l'ASP a été déterminée comme (5,23±0,02) x 109 M-1 s-1. Les acides oxalique, oxamique et maléique ont été identifiés comme sous-produits aliphatiques. La toxicité de la solution (méthode Microtox) augment dans un premier temps et ensuite diminue progressivement lors du traitement.(2) L'édulcorant artificiel Saccarine (SAC) a été efficacement dégradée par procédé électro-Fenton avec anodes DSA, Pt et BDD. Cependant, l'utilisation de l'anode BDD a accéléré significativement la minéralisation de la SAC. Les conditions optimales pour la minéralisation efficace de la SAC étaient: [SAC]: 0,2 mM, [Fe2+] (catalyseur): 0,2 mM, [Na2SO4] (électrolyte): 0,05 M, I (courant): 200 mA et pH: 3. Les acides oxalique, formique et maléique ont été identifiés comme sous-produits aliphatiques. La mesure de la toxicité indique une augmentation en début d'électrolyse (formation des intermédiaires toxiques) et puis une diminution progressive le long du traitement.(3) L'édulcorant artificiel Sucralose (SUC) a été complètement minéralisée en 360 min de traitement par procédé électro-Fenton avec l'anode Pt ou BDD. Le taux de minéralisation est affecté par la concentration de Fe2+ et le courant appliqué. L'efficacité du courant de minéralisation diminue avec l'augmentation du courant de 100 à 500 mA avec les deux anodes. Les acides oxalique, pyruvique, formique et glycolique ont été détectés au cours du processus de minéralisation.(4) Les solutions du colorant azoïque Orange II ont été effectivement décolorées par les radicaux sulfates générés par l'activation électrochimique du peroxydisulfate (PDS) utilisant un catalyseur solide, FeOOH (procédé CE/α-FeOOH/PDS). Le pH initial a peu d'effet sur la décoloration. La méthodologie RSM (Response Surface Methodology) basée sur le modèle Box-Behnken a été appliquée pour analyser les variables expérimentales. Les résultats indiquent que le courant a un effet positif sur la vitesse de décoloration. L'interaction du dosage de l'α-FeOOH et la concentration de PDS ont des effets significatifs. Les résultats d'analyse de variance (ANOVA) ont confirmé que les modèles proposés étaient exactes et fiables pour l'analyse des variables du procédé CE/α-FeOOH/PDS. Le catalyseur solide α-FeOOH a montré une bonne stabilité structurelle et pourrait être réutilisé.(5) Les solutions d'Orange II ont été dégradés par les radicaux sulfates obtenus par le même procédé mais avec catalyseur Fe3O4 : EC/Fe3O4/PDS. La vitesse de décoloration est affecté principalement par : pH initial de la solution, densité du courant, concentration de PDS et dosage de Fe3O4. La solution a été totalement décolorée en 60 min dans les conditions suivantes: [Orange II]0: 25 mg/L, [PDS]: 10 mM, [Fe3O4]: 0,8 g/L, densité du courant (j): 8,4 mA/cm2 et pH initial: 6,0. Les expériences de recyclage ont montré que les particules de Fe3O4 étaient stables et pourraient être réutilisées. Les spectres XPS ont montré la formation de Fe(II) sur la surface des particules de Fe3O4 lors de traitement. Les principaux intermédiaires ont été séparés et identifiés par la technique GC-MS et un schéma plausible de dégradation d'Orange II a été proposé / In this paper, electro-Fenton and sulfate radical-based electro-Fenton-like processes were used to degrade artificial sweeteners and azo dye. The results obtained during the research concern the removal efficiency, the oxidation mechanism, degradation pathway and toxicity evolution of target pollutants.(1) Electro-Fenton process was a effective method for the degradation of ASP in water. The removal and mineralization rate was affected by the Fe2+ concentration and applied current. The absolute rate constant of hydroxylation reaction of ASP was (5.23 ± 0.02) × 109 M–1 S–1. Short-chain aliphatic acids such as oxalic, oxamic and maleic acid were identified as aliphatic intermediates in the electro-Fenton process. The bacteria luminescence inhibition showed the toxicity of ASP solution decreased after it reached a maximum during the first period of the oxidation reaction.(2) Artificial sweetener SAC could be degraded effectively by electro-Fenton process with a DSA, Pt or BDD anode. However, the using of BDD anode could accelerate the mineralization of SAC. The optimal conditions for SAC removal were SAC concentration 0.2 mM, Fe2+ concentration 0.2 mM, Na2SO4 concentration 50 mM, applied current 200 mA and initial pH 3.0. Oxalic, formic, and maleic acid were observed as aliphatic byproducts of SAC during electro-Fenton process. The bacteria luminescence inhibition showed the toxicity of SAC solution increased at the beginning of electrolysis, and then it declined until the end of the reaction.(3) Artificial sweetener Sucralose could be completely mineralized in a 360 min reaction by electro-Fenton process with a Pt or BDD anode. The mineralization rate was affected by the Fe2+ concentration and applied current. The mineralization current efficiency (MCE) decreased with rising applied current from 100 to 500 mA with both Pt and BDD anode. Oxalic, pyruvic, formic and glycolic acids were detected during the oxidation of sucralose.(4) Orange II was effectively decolorized by EC/α-FeOOH/PDS process. The initial pH of Orange II solution had little effect on the decolorization of Orange II. RSM based on Box-Behnken statistical experiment design was applied to analyze the experimental variables. The response surface methodology models were derived based on the results of the pseudo-first-order decolorization rate constant and the response surface plots were developed accordingly. The results indicated the applied current showed a positive effect on the decolorization rate constant of Orange II. The interaction of α-FeOOH dosage and PDS concentration was significant. The ANOVA results confirmed that the proposed models were accurate and reiable for the analysis of the varibles of EC/α-FeOOH/PDS process. The catalystα-FeOOH showed good structural stability and could be reused.(5) Aqueous solutions of Orange II have been degraded effectively in the EC/Fe3O4/PDS process. The decolorization rate was affected by the initial pH of Orange II solution, current density, PDS concentration and Fe3O4 dosage. Orange II can be totally decolorizated in a 60 min reaction when initial Orange II concentration was 25 mg/L, PDS concentration was 10 mM, Fe3O4 dosage was 0.8 g/L, current density was 8.4 mA/cm2 and initial pH was 6.0. Recycle experiments showed Fe3O4 particles were stable and can be reused. XPS spectrum indicated Fe(II) was generated on the surface of Fe3O4 particles after reaction. The main intermediates were separated and identified by GC-MS technique and a plausible degradation pathway of Orange II was proposed

Le dioxyde de chlore est l’agent de blanchiment le plus utilisé pour le blanchiment des pâtes chimiques lignocellulosiques. Son utilisation s’accompagne malheureusement de la formation d’ions chlorates, composés inefficaces pour le blanchiment, ainsi que d’importants rejets de DCO et d’organo-chlorés (AOX), nuisibles pour l’environnement. Cette étude a consisté à concevoir un nouveau stade de blanchiment au dioxyde de chlore (stade D) à pH non-conventionnel, économe en réactifs, et visant à réduire l’impact environnemental d’une séquence classique. Le travail a été effectué sur des pâtes kraft de résineux, obtenues après cuisson ou à différents stades de la séquence de blanchiment. Les résultats ont montré que l’efficacité du nouveau stade D était meilleure lorsqu’il était placé en fin de séquence. Après optimisation et incorporation de peroxyde d’hydrogène comme réactif complémentaire, les pâtes obtenues présentent des caractéristiques équivalentes à celles d’un blanchiment conventionnel, en termes de blancheur et de degré de polymérisation moyen viscosimétrique ; et ce, avec une réduction drastique de la pollution (70% des AOX et 20 % de DCO), et un gain économique substantiel en productivité de séquence (diminution de la température et du temps de réaction). L’étude chimique de la réaction du dioxyde de chlore effectuée par différentes techniques (spectroscopie RPE, RMN, FTIR, chromatographie HPAEC-PAD), a révélé la présence de radicaux hydroxyles en milieu alcalin, et mis en évidence les principales étapes du mécanisme à différents pH. / Chlorine dioxide is the most widely used bleaching agent for the production of bleached chemical pulps. However, its main drawbacks are the formation of chlorate ions which decrease delignification efficiency and the reject of toxic chloro-organic molecules (AOX) in mill effluents. This study focused on the development of a new bleaching stage using chlorine dioxide (D stage) at non-conventional pH, to reduce environmental impact and production costs. The work was carried out on several softwood kraft pulps after cooking, and at different stages of the bleaching sequence. The best results of the novel D stage were obtained for pulps at low kappa number, i.e. at the end of the bleaching sequence. The D stage was optimized and coupled with hydrogen peroxide addition. The same brightness and viscosimetric average degree of polymerization as after conventional D bleaching were obtained. Interestingly, a very important decrease of pollution load (70% of AOX and 20% of COD) was obtained, accompanied by a significant gain of productivity and energy saving (lower temperature and reaction time).Chemical investigations on the reaction mechanisms, carried out by different techniques (ESR, NMR and FTIR spectroscopies, HPAEC-PAD chromatography), revealed the formation of hydroxyl radicals at alkaline pH. The structural modification of the pulp residual lignin was also studied; differences of the reaction mechanism as function of pH were highlighted.

Dans ce travail de thèse, les radicaux hydroxyles et sulfates, générés par les procédés électro-Fenton et électro-persulfate utilisant une anode en fer, respectivement, ont été utilisés pour la dégradation des édulcorants synthétiques et un colorant azoïque. Les études réalisées sont essentiellement concentrées sur : efficacité de dégradation, mécanismes d'oxydation, schémas de minéralisation et évolution de la toxicité lors de traitement des polluants cibles.1. Le procédé électro-Fenton a montré une grande efficacité dans la dégradation oxydative de l'Aspartame (ASP). La dégradation et la minéralisation sont essentiellement affectées par la concentration du catalyseur (Fe2+) et l'intensité du courant. La constante de vitesse absolue de la réaction d'hydroxylation de l'ASP a été déterminée comme (5,23±0,02) x 109 M-1 s-1. Les acides oxalique, oxamique et maléique ont été identifiés comme sous-produits aliphatiques. La toxicité de la solution (méthode Microtox) augment dans un premier temps et ensuite diminue progressivement lors du traitement.(2) L'édulcorant artificiel Saccarine (SAC) a été efficacement dégradée par procédé électro-Fenton avec anodes DSA, Pt et BDD. Cependant, l'utilisation de l'anode BDD a accéléré significativement la minéralisation de la SAC. Les conditions optimales pour la minéralisation efficace de la SAC étaient: [SAC]: 0,2 mM, [Fe2+] (catalyseur): 0,2 mM, [Na2SO4] (électrolyte): 0,05 M, I (courant): 200 mA et pH: 3. Les acides oxalique, formique et maléique ont été identifiés comme sous-produits aliphatiques. La mesure de la toxicité indique une augmentation en début d'électrolyse (formation des intermédiaires toxiques) et puis une diminution progressive le long du traitement.(3) L'édulcorant artificiel Sucralose (SUC) a été complètement minéralisée en 360 min de traitement par procédé électro-Fenton avec l'anode Pt ou BDD. Le taux de minéralisation est affecté par la concentration de Fe2+ et le courant appliqué. L'efficacité du courant de minéralisation diminue avec l'augmentation du courant de 100 à 500 mA avec les deux anodes. Les acides oxalique, pyruvique, formique et glycolique ont été détectés au cours du processus de minéralisation.(4) Les solutions du colorant azoïque Orange II ont été effectivement décolorées par les radicaux sulfates générés par l'activation électrochimique du peroxydisulfate (PDS) utilisant un catalyseur solide, FeOOH (procédé CE/α-FeOOH/PDS). Le pH initial a peu d'effet sur la décoloration. La méthodologie RSM (Response Surface Methodology) basée sur le modèle Box-Behnken a été appliquée pour analyser les variables expérimentales. Les résultats indiquent que le courant a un effet positif sur la vitesse de décoloration. L'interaction du dosage de l'α-FeOOH et la concentration de PDS ont des effets significatifs. Les résultats d'analyse de variance (ANOVA) ont confirmé que les modèles proposés étaient exactes et fiables pour l'analyse des variables du procédé CE/α-FeOOH/PDS. Le catalyseur solide α-FeOOH a montré une bonne stabilité structurelle et pourrait être réutilisé.(5) Les solutions d'Orange II ont été dégradés par les radicaux sulfates obtenus par le même procédé mais avec catalyseur Fe3O4 : EC/Fe3O4/PDS. La vitesse de décoloration est affecté principalement par : pH initial de la solution, densité du courant, concentration de PDS et dosage de Fe3O4. La solution a été totalement décolorée en 60 min dans les conditions suivantes: [Orange II]0: 25 mg/L, [PDS]: 10 mM, [Fe3O4]: 0,8 g/L, densité du courant (j): 8,4 mA/cm2 et pH initial: 6,0. Les expériences de recyclage ont montré que les particules de Fe3O4 étaient stables et pourraient être réutilisées. Les spectres XPS ont montré la formation de Fe(II) sur la surface des particules de Fe3O4 lors de traitement. Les principaux intermédiaires ont été séparés et identifiés par la technique GC-MS et un schéma plausible de dégradation d'Orange II a été proposé / In this paper, electro-Fenton and sulfate radical-based electro-Fenton-like processes were used to degrade artificial sweeteners and azo dye. The results obtained during the research concern the removal efficiency, the oxidation mechanism, degradation pathway and toxicity evolution of target pollutants.(1) Electro-Fenton process was a effective method for the degradation of ASP in water. The removal and mineralization rate was affected by the Fe2+ concentration and applied current. The absolute rate constant of hydroxylation reaction of ASP was (5.23 ± 0.02) × 109 M–1 S–1. Short-chain aliphatic acids such as oxalic, oxamic and maleic acid were identified as aliphatic intermediates in the electro-Fenton process. The bacteria luminescence inhibition showed the toxicity of ASP solution decreased after it reached a maximum during the first period of the oxidation reaction.(2) Artificial sweetener SAC could be degraded effectively by electro-Fenton process with a DSA, Pt or BDD anode. However, the using of BDD anode could accelerate the mineralization of SAC. The optimal conditions for SAC removal were SAC concentration 0.2 mM, Fe2+ concentration 0.2 mM, Na2SO4 concentration 50 mM, applied current 200 mA and initial pH 3.0. Oxalic, formic, and maleic acid were observed as aliphatic byproducts of SAC during electro-Fenton process. The bacteria luminescence inhibition showed the toxicity of SAC solution increased at the beginning of electrolysis, and then it declined until the end of the reaction.(3) Artificial sweetener Sucralose could be completely mineralized in a 360 min reaction by electro-Fenton process with a Pt or BDD anode. The mineralization rate was affected by the Fe2+ concentration and applied current. The mineralization current efficiency (MCE) decreased with rising applied current from 100 to 500 mA with both Pt and BDD anode. Oxalic, pyruvic, formic and glycolic acids were detected during the oxidation of sucralose.(4) Orange II was effectively decolorized by EC/α-FeOOH/PDS process. The initial pH of Orange II solution had little effect on the decolorization of Orange II. RSM based on Box-Behnken statistical experiment design was applied to analyze the experimental variables. The response surface methodology models were derived based on the results of the pseudo-first-order decolorization rate constant and the response surface plots were developed accordingly. The results indicated the applied current showed a positive effect on the decolorization rate constant of Orange II. The interaction of α-FeOOH dosage and PDS concentration was significant. The ANOVA results confirmed that the proposed models were accurate and reiable for the analysis of the varibles of EC/α-FeOOH/PDS process. The catalystα-FeOOH showed good structural stability and could be reused.(5) Aqueous solutions of Orange II have been degraded effectively in the EC/Fe3O4/PDS process. The decolorization rate was affected by the initial pH of Orange II solution, current density, PDS concentration and Fe3O4 dosage. Orange II can be totally decolorizated in a 60 min reaction when initial Orange II concentration was 25 mg/L, PDS concentration was 10 mM, Fe3O4 dosage was 0.8 g/L, current density was 8.4 mA/cm2 and initial pH was 6.0. Recycle experiments showed Fe3O4 particles were stable and can be reused. XPS spectrum indicated Fe(II) was generated on the surface of Fe3O4 particles after reaction. The main intermediates were separated and identified by GC-MS technique and a plausible degradation pathway of Orange II was proposed

Les pesticides sont un sujet d’actualité suscitant de nombreuses interrogations. Lors de leur épandage, une partie des pesticides sont émis dans l’atmosphère, important vecteur de dissémination. Ils se répartissent dans les différentes phases de l’atmosphère dont notamment la phase particulaire par la multiplication des usages de pesticides semi-volatils. Ils s’adsorbent à la surface des particules atmosphériques et sont soumis à des processus photochimiques régissant leur devenir. Actuellement, les estimations de la dégradation atmosphérique des pesticides ne prennent en compte que la phase gazeuse. Afin d’appréhender leur devenir et leurs impacts sur la santé et l’environnement, la réactivité hétérogène de 8 pesticides (cyprodinil, deltaméthrine, difénoconazole, fipronil, oxadiazon, pendiméthaline, perméthrine et tétraconazole) adsorbés à la surface de particules modèles a été étudiée. Ce travail s’est centré sur la détermination des temps de vie de ces 8 pesticides en présence d’humidité vis-à-vis du rayonnement solaire, de l’ozone (O3) et des radicaux hydroxyles (OH). Pour un ensoleillement moyen, les temps de vie en phase particulaire varient de 1 à 68 jours. Pour une concentration moyenne de 40 ppb d’O3 et de 10^6 molécule.cm^-3 en radicaux OH, les temps de vie sont respectivement compris entre 8 et plus de 35 jours et entre 24 à plus de 54 jours. La réactivité en phase particulaire est donc beaucoup plus lente qu’en phase gazeuse et confirme la nécessité de prendre en compte cette phase. Par l’identification des produits de dégradation, des mécanismes réactionnels mettent en évidence la formation de composés potentiellement plus toxiques que leurs précurseurs. / Pesticides represent a topic which raise an important number of questions. During their application, one fraction of the pesticides is emitted in the atmosphere, an important dissemination vector. In the atmosphere, pesticides are partitioned between different phases. However, due to increased use of semi-volatile pesticides, they are mostly enriched in the atmospheric particulate phase. They are adsorbed on the surface of atmospheric particles and undergo photochemical processes which govern the fate of pesticides in the atmosphere. Currently, the atmospheric fate of pesticides is based only on gas-phase reactivity. In order to properly understand the fate of pesticides and their impact on human health and on the environment, heterogeneous reactivity of 8 pesticides (cyprodinil, deltamethrin, difenoconazole, fipronil, oxadiazon, pendimethalin, permethrin and tetraconazole) adsorbed on the surface of silica particles, is evaluated. This work deals with the determination of lifetimes of these 8 pesticides under solar light irradiation, ozone (O3) and hydroxyl radicals (OH), in presence of humidity. With a daily average sunshine, the lifetimes of the pesticides in the particle phase are between ca. 1 day and 68 days. For an average mixing ratio of 40 ppb of O3 and 10^6 cm^-3 of OH radicals, the lifetimes span between 8 and more than 35 days and 24 and more than 54 days, respectively. This study shows that the reactivity in the particle phase is slower than in the gas phase and confirm the necessity to be taken into account. Degradation products are identified and reaction mechanism is proposed bringing to light the formation of compounds more toxic than their precursors.

Le champ de force CLAYFF est largement employé pour modéliser les interfaces de minéraux argileux – et minéraux apparentés – avec une phase aqueuse. Dans les simulations, les particules d’argile sont typiquement représentées par des feuillets semi-infinis, ainsi seules les surfaces parallèles au plan du feuillet (surfaces basales) sont considérées. Cette simplification est valable dans la mesure où ces surfaces sont majoritaires, mais les feuillets d’argile sont en réalité de taille nanométrique et terminés par des surfaces latérales, ou bordures. Ces surfaces peuvent non seulement adsorber les espèces en solution mais sont aussi sujettes aux transferts de proton, et tous les processus physico-chimiques liés à l’acidité de la phase aqueuse se produisent de façon prédominante au niveau des bordures. En ajoutant au champ de force CLAYFF un terme angulaire métal-O‑H dont les paramètres ont été correctement ajustés, les simulations réalistes des interfaces de bordure deviennent possibles.Les paramètres des termes Al-O‑H et Mg-O‑H ont été obtenus à partir de calculs DFT sur des modèles structuraux du bulk, de la surface basale et de la bordure de la gibbsite Al(OH)3 et de la brucite Mg(OH)2, dont les feuillets peuvent être considérés comme le squelette des minéraux argileux et apparentés. De plus, le terme Si-O‑H a été paramétré à partir d’un modèle de bordure de la kaolinite Al2Si2O5(OH)4. Les propriétés structurales et dynamiques issues de simulations de dynamique moléculaire DFT et classiques basées sur CLAYFF avec et sans terme métal-O‑H ont été comparées. Le champ de force modifié améliore nettement la description des surfaces hydroxylées : l'orientation et la dynamique librationnelle des groupes hydroxyles, les liaisons hydrogène dans lesquelles ils sont impliqués, et la coordination des atomes de métal appartenant aux bordures sont tous plus proches de la réalité. / The CLAYFF force field is widely used to model the interfaces of clay minerals – and related layered materials – with an aqueous phase. In the simulations, clay particles are typically represented by semi-infinite layers, i.e. only surfaces parallel to the layer plane (basal surfaces) are considered. This simplification is acceptable to a certain extent, but clay layers are really nanosized and terminated by lateral surfaces or edges. These surfaces can not only adsorb solvated species but are also subject to proton transfers, and all physico-chemical processes related to the aqueous phase acidity predominantly occur at the edges. By adding to the CLAYFF force field a Metal-O‑H angle bending term whose parameters are correctly adjusted, the simulations of edge interfaces become possible.The parameters of Al-O‑H and Mg-O‑H terms were obtained from DFT calculations on bulk, basal surface and edge structural models of gibbsite Al(OH)3 and brucite Mg(OH)2, whose layers can be considered as the backbones of clay minerals and related materials. In addition, the Si-O‑H term was parametrized from an edge model of kaolinite Al2Si2O5(OH)4 . Molecular dynamics simulations based on DFT and on CLAYFF with and without Metal-O‑H term were performed. The modified force field clearly improves the description of hydroxylated surfaces : the orientation and the librational dynamics of the hydroxyl groups, the hydrogen bonding, and the coordination of metal atoms belonging to the edge are all closer to reality.

La production ainsi que l'utilisation massive des produits chimiques pour divers usages, a résulté à leur introduction et accumulation dans l'environnement. Ces produits peuvent se transporter par différentes façons de leur source à des régions très lointaines de la planète, ce qui dépend de leur propriété physico-chimiques. Une quantité et variété importante de composés organiques sont utilisées dans l'agriculture comme pesticides, afin de protéger les cultures et augmenter les rendements. Les résidus de ces produits peuvent toujours se trouver dans les champs, puis sous l'effet des précipitations ils passent par lixiviation dans les fleuves et d'autres system aqueux. Les produits pharmaceutiques et les produits de soins personnels sont introduits dans l'environnement de façon continue par les eaux usés municipales. Ces substances manifestent, dans la plus part des cas, des effets perturbants sur les organismes vivants. Malgré leur concentration faible dans les eaux naturelles, le contact permanent des organismes aquatiques peut avoir des conséquences négatives telles que la modification du comportement sexuel observé chez les poissons d'eau douce. Dans le but de réduire ou éliminer la pollution chimique des eaux des nombreuses méthodes ont vu le jour, telles que: l'adsorption des polluants sur des adsorbants, la filtration membranaire, le traitement microbiologique, l'oxydation chimique et les procédés d'oxydation avancée. La plus part des méthodes utilisées dans les stations d'épuration des eaux ne détruisent pas efficacement les contaminants organiques. L'utilisation des méthodes physiques permet de les séparer de l'eau, ce qui nécessite des opérations supplémentaires pour leur élimination. Au contraire, les procédés d'oxydation avancée et en particulier les procédés électrochimiques d'oxydation avancée (méthodes développées récemment) se montrent plus efficace dans l'élimination des polluants toxiques et non-biodégradables, car ces procédés sont capables à conduire jusqu'à minéralisation totale de la matière organique. Le sujet de cette thèse repose donc sur l'application du procédé électro-Fenton qui est un procédé électrochimique d'oxydation avancée pour la destruction des contaminants organiques dans l'eau. Cette méthode fait appel aux radicaux hydroxyles (espèces très oxydantes et extrêmement réactives) pour l'élimination des polluants récalcitrants, qui sont produit in situ à travers le réactif du Fenton (H2O2 + Fe2+). Ce réactif est généré in situ électrochimiquement. . Dans ce procédé la nature du matériau de l'électrode a une importance cruciale. Ainsi nous avons étudié dans ce travail l'influence du matériel de l'anode et de la cathode sur l'efficacité du procédé électro-Fenton. Dans un premier temps nous avons étudié de manière systématique le pouvoir d'oxydation d'anode comme de différentes matériaux d'anodes tels que : BDD, Pt, DSA, PbO2, Feutre de carbone, Graphite et Fibre de carbone dans l'oxydation de l'antibiotique amoxicilline (AMX). Dans tous les cas une électrode d'acier inox a été utilisée comme cathode. La dégradation de AMX a été suivie par l'analyse CLHP alors que la minéralisation de ses solutions par l'analyseur du carbone organique totale (COT). Il s'est avéré que l'anode BDD a était l'anode la plus puissante pour l'oxydation de l'AMX tandis que l'anode DSA a présenté les performances les plus faibles. D'autre part, le feutre de carbone a présenté un comportement caractéristique; il était très efficace sur l'oxydation de l'AMX mais ces performances en minéralisation étaient médiocres. Dans l'étape suivante, quatre anodes (Pt, BDD, DSA and Feutre de carbone) ont été testées pour élucider leur influence sur l'efficacité du procédé électro-Fenton, en utilisant toujours une cathode de feutre de carbone. L'antibiotique sulfamethazine (SMT) a été choisi comme polluant modèle (...) / Permanent production and use of organic chemicals for many purposes has resulted in their introduction and accumulation in the environment. Depending on their physicochemical properties they can be transported by different ways from the source to very remote regions of the planet. Many organic chemicals are used in agriculture as pesticides for cultures protection or nutrient. Residues of these chemicals can always be found in fields, and under the effect of precipitations they leach and pass in streams and rivers. Pharmaceuticals and personal health care products and other house holding chemicals are continuously introduced in the environment through municipal wastewaters. These substances exhibit, in most of the cases, perturbation effects towards the living organisms, moreover the effect of many of them is not known yet. Despite their concentration in water is low, the exposure of organisms for long periods can lead to negative consequences, but these effects cannot be measured instantly. In order to reduce or avoid the pollution of water with chemicals many water treatment methods has been developed like adsorption of pollutants on adsorbents, membrane filtration, microbiological treatment, chemical oxidation with oxidizing agents and advanced oxidation processes. Most of the methods used in waste water treatment plants (WWTP) do not completely destroy the organic contaminants or they only separate the contaminants from water. Then they have to be deposed somewhere else remaining always a potential source of contamination. Advanced oxidation processes and in particular electrochemical advanced oxidation processes are methods developed later and are proven as more effective as they can completely oxidize the organic matter in water. The subject of this thesis is the use of electro-Fenton, an electrochemical advanced oxidation process for efficient destruction of organic pollutants in aqueous medium. In this method, organic pollutants are eliminated by H hydroxyl radicals (high oxidation power species) which are produced in situ through the Fenton's reagent (H2O2 + Fe2+) itself generated in the solution electrochemically and continuously. In this process, the electrode material is of fundamental importance in order to have an efficient process, so we have studied at large extent the influence of both cathode and anode material in this work. Firstly a systematic study on the oxidation capacity of the process of amoxicillin (AMX) as model pollutant with several anodes materials: BDD, Pt, DSA, PbO2 Carbon felt, Graphite and Carbon fibre was realised. In all cases a stainless steel electrode was used as cathode. The degradation of AMX was followed by HPLC analysis whereas the mineralization efficiency ot the process was measured by total organic carbon analyser (TOC). This revealed that BDD was the most efficient anode for AMX oxidation and DSA was the weakest one. Carbon felt showed a characteristic behaviour; it was very efficient on AMX oxidation but it could not transform AMX to CO2 and H2O. Afterwards four anodes were tested for their influence on electro-Fenton process efficiency namely Pt, BDD, DSA and Carbon felt, the cathode was always carbon felt. Sulfamethazine (SMT) was used as model pollutant. Apparent rate constants have given only moderate values of mineralization for currents lower than 100 mA. Here again the BDD anode was distinguished for its excellent mineralization capacity owing to the additional hydroxyl radicals and other oxidizing species introduced in the system. When electro-Fenton applied good degradation and mineralization results were obtained even with the DSA anode (...)

Du fait de l’omniprésence de l’homme au sein du compartiment intérieur, y passant jusqu’à 90% de son temps au cours d’une journée, il est devenu essentiel de caractérisé correctement l’atmosphère et donc les polluants présent dans ce milieu. Ce travail de thèse prend la suite d’une étude menée au sein de notre laboratoire montrant une importante présence de radicaux hydroxyles dans cette atmosphère. Le polluant précurseur des radicaux supposé au cours de cette étude est l’acide nitreux (HONO), présent dans des quantités de l’ordre du ppb pour l’intérieur. Ce travail de thèse a donc eu pour but, dans un premier temps de caractériser la photolyse de l’acide nitreux conduisant à la formation de radicaux hydroxyles, et dans un second temps d’établir ses différentes voies de formation, directes et indirectes, afin de quantifier ses sources dans les atmosphères intérieures. / People in Western societies spend about 90% of their time indoors, predominantly within indoor places. The residence time of the airborne indoor pollutants is much longer due to the smaller volumes compared to the outdoor atmosphere and low air exchange rates. Therefore, a comprehensive understanding of indoor air quality is essential.Nitrous acid (HONO) is an emerging indoor pollutant because 1) it can lead to human respiratory tract irritation and formation of carcinogenic nitrosamines, and 2) it can be effectively photolyzed leading to a pulse of hydroxyl radicals (OH).The PhD work here presented is focused on understanding of the formation processes of oxidizing species such as HONO and, hence, OH radicals in the built environment.

Les modèles de chimie atmosphérique divergent fréquemment des mesures de concentrations en aérosols organiques secondaires (AOS) d'un facteur allant de 8 jusqu'à 100 parfois, et ce, dans différents environnements. Les processus de formation des AOS, encore insuffisamment compris et mal pris en compte dans les modèles ainsi que l'influence des paramètres environnementaux sur ces processus pourraient expliquer l'écart entre les concentrations d'AOS mesurées et modélisées. Dans ce contexte, ce travail se focalise en premier lieu sur la formation d'AOS dans l'ozonolyse du limonène à partir d'expériences réalisées en réacteur à écoulement (SAGE) et en chambre de simulation (LPCA). La phase particulaire a été caractérisée en termes de rendement, granulométrie, masse et seuil de nucléation des aérosols. L'influence de la présence de différents composés : butanol, toluène, acétone, acide acétique et méthylamine sur ces paramètres a été décrite et reportée ; ainsi, le rôle des intermédiaires de Criegee et des radicaux OH dans le processus de formation des AOS a été investigué. La seconde partie a consisté à étudier les AOS générés au cours de l'oxydation par les radicaux OH du 2-méthoxyphénol (guaiacol) et du 2,6-diméthoxyphénol (syringol). Les spectres IR de ces deux méthoxyphénols, des AOS issus de leur oxydation et des composés nitrés dérivés du guaiacol et du syringol ont été étudiés, expérimentalement par la spectroscopie IRTF-RTA et/ou théoriquement par des calculs DFT anharmoniques. Enfin, le caractère hygroscopique de ces aérosols a été reporté pour la première fois dans une cellule d'hydratation. / Atmospheric chemistry models frequently diverge from measurements of secondary organic aerosol (SOA) concentrations by a factor ranging from 8 to 100 in different environments. The gap between measured and modeled SOA could be explained by many formation processes that are still not well understood nor well incorporated into the models as well as the influence of environmental parameters on these processes. In this context, this research work focuses primarily on the formation of SOA in the ozonolysis of limonene through experiments carried out in a flow reactor (SAGE) and in a simulation chamber (LPCA). The particulate phase was characterized in terms of aerosol yield, size distribution, mass and nucleation threshold. The influence of the presence of different compounds : butanol, toluene, acetone, acetic acid and methylamine on these parameters has been described and reported and thus, the role of Criegee intermediates and OH radicals in SOA formation process is investigated. The second part consist of studying the SOA generated during the OH oxidation of 2-methoxyphenol (guaiacol) and 2,6-dymethoxyphenol (syringol). The IR spectra of these two methoxyphenols, the SOA formed through their oxidation and the nitro compounds derived from guaiacol and syringol have been studied experimentally by IRTF-RTA spectroscopy and/or theoretically by anharmonic DFT calculations. Finally, the hygroscopic character of these aerosols has been reported for the first time in a hydration cell.