Le couplage de la nanofiltration et de l'oxydation électrochimique est étudié pour le traitement tertiaire des eaux usées de l'hôpital après leur traitement par bioréacteur à membrane. L'efficacité de la nanofiltration est fortement influencée par le colmatage. Afin d'assurer des flux durables et des performances élevées lors de l'étape de nanofiltration, les mécanismes de colmatage sont étudiés. Les flux critique et limite sont déterminés et liés à l'effet combiné du colmatage colloïdal organique et du dépôt inorganique. L'impact de la couche de colmatage et de la présence de matières organiques dans la matrice sur la rétention des produits pharmaceutiques est également évalué. Le rétentat de la nanofiltration est ensuite traité par oxydation électrochimique sur une anode BDD. L'influence des conditions opératoires et la compétition lors de l'oxydation des constituants au sein du réacteur sont évaluées. Au lieu d'être rédhibitoire au bon fonctionnement du procédé, la présence des ions et des composés organiques dans le concentrat peut accélérer la dégradation des produits pharmaceutiques. En particulier, la formation de composés organohalogénés due à la présence de chlorure peut être contrôlée par le choix de conditions opératoires appropriées. Un modèle décrivant la dégradation des produits pharmaceutiques en fonction du temps d'électrooxydation est établi. Un des objectifs est d'accéder au meilleur compromis entre la minéralisation des produits pharmaceutiques et la consommation d'énergie. Après optimisation des conditions opératoires des 2 procédés, il est démontré que leur couplage est efficace pour l'élimination de produits pharmaceutiques et la diminution de la toxicité de l'effluent, permettant d'envisager son rejet dans l'environnement ou sa réutilisation. / The coupling of nanofiltration and electrochemical oxidation is studied for the tertiary treatment of hospital wastewater after membrane bioreactor treatment. The effectiveness of nanofiltration is greatly affected by membrane fouling. In order to ensure sustainable flux and high performances during nanofiltration step, fouling mechanisms are investigated. The critical flux and the limiting flux are determined and associated with the combined effect of the organic colloidal fouling and the scaling. Impact of the fouling layer and of the presence of organic matters in the matrix on pharmaceuticals rejection is also investigated. NF retentate is then treated by electrochemical oxidation on BDD anode. The influence of operating conditions and the competition between components oxidation in the reactor are studied. Rather than a hindering effect, the presence of ions and common organics in the concentrate can accelerate the degradation of pharmaceuticals. In particular, the formation of organohalogens due to the presence of chloride can be controlled thanks to the choice of appropriate operating conditions. A model for the degradation of pharmaceuticals over electrooxidation time is established. One objective is to access to the best compromise between mineralization of pharmaceuticals and energy consumption. After optimization of the operating conditions of both processes, their coupling is confirmed to be efficient for the elimination of pharmaceuticals and the reduction of the toxicity of the effluent, allowing to consider its release into the environment or its reuse.

Une étude détaillée a été effectuée sur l'utilisation de la technique électro-Fenton pour l'oxydation de quelques polluants organiques persistants (POP) dans le but du traitement des eaux usées. Cette technique génère, in situ et de manière électrocatalytique, les radicaux hydroxyles (OH) afin de les utiliser pour oxyder la polluants organiques. Le travail de thèse est constitué en trois parts. Dans la première partie, l'élimination de l'eau des colorants synthétiques et pesticides choisis comme polluants modèles a été effectuée en utilisant une cathode en feutre de carbone. Les cinétiques d'oxydation des colorants synthétiques (Acide Orange 7 et Bleu Basique 3) et des pesticides (picloram, prophame, azinphos-méthyl et clopyralid) ont été déterminées. La cinétique de minéralisation des solutions aqueuses des polluants organiques en question a été suivie par des analyses de carbone organique totale (COT) et demande chimique en oxygène (DCO). Une minéralisation quasi-totale a été obtenue dans tous les cas. L'identification et la quantification des sousproduits d'oxydation des colorants synthétiques et pesticides ont été effectuées par les techniques d'analyse suivantes: Chromatographie liquide à haute performance (CLHP), chromatographie en phasegazeuse-spectrométrie de masse (GC/MS), chromatographie liquide à haute performances-péctrométrie de masse (HPLC/MS) et chromatographie ionique. Ces analyses systématique ont mis en évidence que les polluants organiques initiaux ont sont convertis en trois formes d'intermédiaires réactionnels; intermédiaires organiques, acides carboxyliques à courte chaîne et ions inorganiques. Basé sur l'identification ces des intermédiaires réactionnels, une schéma de minéralisation plausible a été proposé pour chaque colorant et pesticide étudié. Dans la deuxième partie de l'étude, la capacité de production de peroxyde d'hydrogène (H2O2) de la cathode en éponge de carbone comme matériau original de cathode pour la technique électro-Fenton a été étudiée pour la première fois. Les résultats obtenus ont indiqué que le l'éponge de carbone possède une capacité de la production d'H2O2 trois fois plus élevée par rapport à la cathode classique (feutre de carbone). La troisième et dernière partie de cette thèse a été consacrée à l'étude de l'efficacité et l'utilisation en électro-Fenton d'une anode de nouvelle génération, le diamant dopé au bore (BDD pour "Boron Doped Diamond"). Tout d'abord, l'efficacité d'oxydation et la capacité de minéralisation de l'anode BDD ont été examinées sur l'herbicide propham dans les conditions d'oxydation anodique. Ensuite, la combinaison de cathode en feutre de carbone et l'anode BDD dans la technique électro-Fenton a été examinée. Les résultats obtenus ont montré que cette combinaison conduit aux résultats significativement meilleurs que le système classique feutre de carbone - Pt. L'utilisation de l'anode BDD dans l'électro-Fenton améliore considérablement la cinétique d'oxydation et l'efficacité de minéralisation des polluants organiques et en particulier des acides carboxyliques tels que les acides oxalique et oxamique qui résistent à la minéralisation dans le cas de l'anode Pt.

Ce travail a pour objectif l'étude de la minéralisation par oxydation électrochimique de composés organiques contenus dans des effluents aqueux. Les composés modèles étudiés sont le phénol et les acides carboxyliques issus de son oxydation (acides maléique, oxalique et formique). Les performances de l'anode de diamant dopé au bore (DDB) ont été comparées à celles d'une électrode commerciale de PbO2, sous les mêmes conditions hydrodynamiques. La minéralisation du phénol en solution aqueuse montre que l'anode de DDB possède les meilleures propriétés électrocatalytiques et énergétiques. Des études cinétiques, réalisées sur des solutions d'acide maléique en présence d'acides oxalique et/ou formique, ont montré que l'acide oxalique s'oxyde par transfert direct d'électrons avec l'électrode tandis que les acides maléique et formique réagissent avec les radicaux hydroxyles électrogénérés. D'autre part, l'électrolyte support peut jouer un rôle sur le processus d'oxydation : en présence d'ions perchlorates, le transfert d'atomes d'oxygène sur la molécule d'acide maléique est beaucoup plus important que celui prévu par le seul processus faradique. Ce résultat est interprété en admettant la formation de radicaux perchlorates par oxydation à un électron. Le procédé électrochimique a été appliqué au traitement d'émulsions représentatives d'effluents de l'industrie métallurgique. Sous certaines conditions expérimentales, la minéralisation est totale ; la dégradation du tensioactif (dodécylbenzènesulfonate de sodium) et de la phase organique (alcool lauryle, acide laurique ou oléique) s'effectue sans démixtion. La résolution numérique d'un modèle physico-chimique a démontré que l'oxydation des molécules organiques par les radicaux hydroxyles se produit dans une couche réactionnelle dont l'épaisseur est environ 1000 fois plus fine que la zone de diffusion des espèces organiques.

Ce travail de thèse s'est intéressé aux mécanismes de dégradation de nanoparticules de Pt supportées sur carbone utilisées pour catalyser les réactions électrochimiques dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et à leur conséquences d'un point de vue cinétique. Nous avons mis en évidence les différents mécanismes (maturation d'Ostwald 3D, corrosion du support carboné, migration/agrégation des cristallites métalliques) conduisant à une perte de surface active électrochimiquement et avons trouvé des conditions permettent d'isoler chacun de ces mécanismes. En premier lieu, nous avons montré que les nanoparticules de Pt supportées sur carbone ne sont pas immobiles mais agrègent en conditions réactionnelles notamment en présence de molécules réductrices. La vitesse de ce processus varie dans l'ordre CO > CH3OH > H2 et a été reliée à (i) la baisse du travail d'adhésion engendrée par la chimisorption de ces molécules et (ii) la réduction des groupements oxygénés présents sur le support carboné natif.Nous nous sommes également intéressés au mécanisme d'électrooxydation électrochimique du Vulcan XC72, un noir de carbone classiquement utilisé dans les couches catalytiques de PEMFC. Des mesures par spectroscopie Raman ont montré que les domaines désordonnés du Vulcan XC72 (non-graphitiques, hybridation sp3) sont corrodés de façon préférentielle dans des conditions expérimentales proches de celles d'une cathode de PEMFC. Les domaines ordonnés du support carboné (carbone graphitique, hybridation sp2) sont également corrodés, la vitesse de ce processus étant largement inférieure à ce qui est observé sur les domaines désordonnés. En conséquence, les nanoparticules de Pt se détachent ou agglomèrent comme le révèlent des expériences de microscopie électronique en transmission couplées à l'électrochimie. L'ensemble de ces mécanismes de dégradation conduit à un abaissement de la densité du nombre de particules métalliques et augmente la distance entre ces dernières. Dans le chapitre IV, nous montrons que des électrocatalyseurs Pt/Sibunit electrocatalysts possédant (i) un faible chargement massique en Pt, et (ii) de grandes distances inter-particules présentant une faible activité pour la réduction du dioxygène de l'air. Le nombre moyen d'électrons transférés par molécule de dioxygène décroît bien sous la valeur théorique de 4 lorsque l'épaisseur de la couche catalytique ou le chargement massique diminue. Nous avons relié cela à un transport et à une ré-adsorption plus difficiles des intermédiaires réactionnels notamment le péroxyde d'hydrogène. Une diminution du nombre de sites catalytiques peut également engendrer une limitation des cinétiques réactionnelles par l'adsorption de l'oxygène. Au vu de l'ensemble des résultats précédents, nous avons conclu que des cristallites de plus grande taille permettraient d'améliorer la durabilité des matériaux contenus dans les couches catalytiques de PEMFC. Des nano-fils de Pt (NWs) avec une taille moyenne de cristallite de 2,1 ± 0,2 nm ont été synthétisés. Nous avons montré que la morphologie du matériau joue un rôle conséquent à la fois en termes d'activité électrocatalytique et de durabilité : les matériaux Pt NWs/C permettent une réduction de prêt de 170 mV de la surtension d'oxydation d'une monocouche de monoxyde de carbone et possèdent une activité catalytique élevée et stable pour l'électrooxydation du méthanol. Cette dernière a été attribuée à (i) l'augmentation de la masse des cristallites de Pt résultant de l'augmentation en taille (nanoparticules à nano-fils) et (ii) une surface de contact élevée avec le support carboné. Ces matériaux possèdent un potentiel intéressant pour résoudre les problèmes de durabilité rencontrés avec les matériaux 0D utilisés de façon conventionnelle.

Ce travail de thèse s’est intéressé aux mécanismes de dégradation de nanoparticules de Pt supportées sur carbone utilisées pour catalyser les réactions électrochimiques dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et à leur conséquences d’un point de vue cinétique. Nous avons mis en évidence les différents mécanismes (maturation d’Ostwald 3D, corrosion du support carboné, migration/agrégation des cristallites métalliques) conduisant à une perte de surface active électrochimiquement et avons trouvé des conditions permettent d’isoler chacun de ces mécanismes. En premier lieu, nous avons montré que les nanoparticules de Pt supportées sur carbone ne sont pas immobiles mais agrègent en conditions réactionnelles notamment en présence de molécules réductrices. La vitesse de ce processus varie dans l'ordre CO > CH3OH > H2 et a été reliée à (i) la baisse du travail d’adhésion engendrée par la chimisorption de ces molécules et (ii) la réduction des groupements oxygénés présents sur le support carboné natif.Nous nous sommes également intéressés au mécanisme d’électrooxydation électrochimique du Vulcan XC72, un noir de carbone classiquement utilisé dans les couches catalytiques de PEMFC. Des mesures par spectroscopie Raman ont montré que les domaines désordonnés du Vulcan XC72 (non-graphitiques, hybridation sp3) sont corrodés de façon préférentielle dans des conditions expérimentales proches de celles d’une cathode de PEMFC. Les domaines ordonnés du support carboné (carbone graphitique, hybridation sp2) sont également corrodés, la vitesse de ce processus étant largement inférieure à ce qui est observé sur les domaines désordonnés. En conséquence, les nanoparticules de Pt se détachent ou agglomèrent comme le révèlent des expériences de microscopie électronique en transmission couplées à l’électrochimie. L’ensemble de ces mécanismes de dégradation conduit à un abaissement de la densité du nombre de particules métalliques et augmente la distance entre ces dernières. Dans le chapitre IV, nous montrons que des électrocatalyseurs Pt/Sibunit electrocatalysts possédant (i) un faible chargement massique en Pt, et (ii) de grandes distances inter-particules présentant une faible activité pour la réduction du dioxygène de l’air. Le nombre moyen d’électrons transférés par molécule de dioxygène décroît bien sous la valeur théorique de 4 lorsque l’épaisseur de la couche catalytique ou le chargement massique diminue. Nous avons relié cela à un transport et à une ré-adsorption plus difficiles des intermédiaires réactionnels notamment le péroxyde d’hydrogène. Une diminution du nombre de sites catalytiques peut également engendrer une limitation des cinétiques réactionnelles par l’adsorption de l’oxygène. Au vu de l’ensemble des résultats précédents, nous avons conclu que des cristallites de plus grande taille permettraient d’améliorer la durabilité des matériaux contenus dans les couches catalytiques de PEMFC. Des nano-fils de Pt (NWs) avec une taille moyenne de cristallite de 2,1 ± 0,2 nm ont été synthétisés. Nous avons montré que la morphologie du matériau joue un rôle conséquent à la fois en termes d’activité électrocatalytique et de durabilité : les matériaux Pt NWs/C permettent une réduction de prêt de 170 mV de la surtension d’oxydation d’une monocouche de monoxyde de carbone et possèdent une activité catalytique élevée et stable pour l’électrooxydation du méthanol. Cette dernière a été attribuée à (i) l’augmentation de la masse des cristallites de Pt résultant de l’augmentation en taille (nanoparticules à nano-fils) et (ii) une surface de contact élevée avec le support carboné. Ces matériaux possèdent un potentiel intéressant pour résoudre les problèmes de durabilité rencontrés avec les matériaux 0D utilisés de façon conventionnelle. / State-of-the-art catalytic layers of proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs) utilize ionomer-bonded Pt-based nanocrystallites supported on a high surface area carbon support to accelerate the rate of the hydrogen oxidation reaction at the anode, and of the oxygen reduction reaction at the cathode. Post-mortem analysis of PEMFC catalytic layers reveal that four degradation mechanisms yield Pt surface area losses (and hence decreased PEMFC performance): (i) aggregation and/or detachment of the metal nanoparticles, (ii) corrosion of the carbon support, (iii) Ostwald ripening (dissolution/redeposition of the Pt-based crystallites) yielding the formation of ionic species and (iv) chemical reduction of the Ptz+ species in ion conductors, yielding the formation of electrically disconnected Pt crystallites. A major concern of the Ph.D. was to be able to isolate the migration of the Pt nanocrystallites. For that purpose, commercial Pt/Vulcan XC 72 electrocatalysts were aged in “mild” conditions, for which the corrosion of both the Pt nanoparticles and the carbon support could not be considered dominant. Evidences were provided that the Pt/C nanoparticles are not immobile but prone to agglomerate in the presence of H2, CH3OH, and CO, three molecules of interest for PEMFCs. The migration rate of the Pt crystallites was the largest in CO-containing solution and decreased in the order CO > CH3OH > H2. We postulate that the morphological changes of the Pt/C nanoparticles may be caused by (i) a change of the work of adhesion between the metal phase and the carbon support or (ii) the reduction of the oxygen-bearing surface groups strongly interacting with the Pt nanocrystallites. We also investigated the mechanism of the electrochemical oxidation of Vulcan XC72, a carbon black conventionally used in PEMFCs. Raman spectroscopy measurements evidenced that the disordered domains of the Vulcan XC72 support (non-graphitic, sp3-hybridized) are preferentially oxidized. The ordered domains (graphitic carbon, sp2-hybridized) of the Vulcan XC72 support are also oxidized but at a much smaller rate than that observed on the non-graphitic domains. A major consequence of the oxidation of the high-surface area carbon support is the aggregation and the detachment of the supported Pt nanoparticles. In Chapter V, we used model Pt/Sibunit electrocatalysts to show that aged catalytic layers with (i) low Pt to C weight fraction, (ii) large inter-particle distance, feature bad performance for the oxygen reduction reaction (ORR). The average number of transferred electrons produced during the ORR decreases below 4 with the decrease of the catalyst layer thickness or the Pt loading. This was rationalized by considering the lower probability for H2O2 molecules (the major reaction intermediate) to be re-adsorbed and further reduced into water in the catalytic layer when the inter-particle distance decreases. Finally, Pt nanowires (NWs) with 2.1 ± 0.2 nm crystallite size were synthesized by a soft template method. Evidences were provided that the morphology of the Pt material plays a pivotal role both in terms of electrocatalytic activity/stability: the 1D Pt NWs/C demonstrate a reduction by ca. 170 mV of the CO oxidation overpotential and feature high and stable MOR activity with respect to a conventional Pt/C 20 wt. % catalyst. The enhanced durability of Pt NWs/C was rationalized by considering (i) the increase in weight of the Pt nanomaterials resulting from the increase in size (from nanoparticles to nanowires) and (ii) the enhanced contact surface area between the Pt NWs and the carbon support. The development of 1D Pt nanostructures, such as Pt NWs, hold promises to solve the durability issues faced with the 0D materials currently used in PEMFCs.Keywords: proton exchange membrane fuel cell, durability of PEMFC materials, electrochemical carbon oxidation, crystallite migration, Pt nanowires.