La dégradation du phénol par catalyse révèle une avancée majeure dans le traitement des polluants industriels. Cette recherche innovante sur des nanoparticules catalytiques promet de transformer les techniques d’oxydation avancée, offrant des solutions durables pour un environnement plus sain.
Le procédé de dégradation :
techniques d’oxydation avancée :
Les techniques d’oxydation avancée TOA sont des procédés de traitement des effluents aussi bien liquides que gazeux qui ont connu une évolution rapide au cours des vingt dernières années. Elles appartiennent à la dernière génération de techniques mises au point dans ce domaine. Elles permettent la minéralisation totale de polluants en CO2, H2O et acide minéraux correspondants.
Principe :
Les procédés d’oxydation avancés reposent sur la formation de radicaux hydroxyles HO•, espèces très réactives et capables de réagir avec de nombreux composés organiques.
Les différents procédés d’oxydation avancée sont : la photocatalyse, l’oxydation par le peroxyde d’hydrogène et l’oxydation par l’ozone. Tout comme l’ozone, le peroxyde d’hydrogène est un oxydant puissant qui présente l’avantage d’être liquide, ce qui permet d’éviter tout problème de transfert de phase. Les procédés employant cet agent oxydant sont regroupés sous l’appellation Oxydation par le peroxyde d’hydrogène (OPH ou WPO pour Wet Peroxide Oxidation) [14].
Un autre procédé nommé CWPO « Catalytic Wet Peroxide Oxidation » qui implique le peroxyde d’hydrogène comme oxydant et qui permet l’oxydation à des conditions ambiantes ou très proches, limitant ainsi le coût d’investissement. Le peroxyde d’hydrogène ne fait pas de sous-produits nocifs, et représente un réactif non toxique et écologique [15]. Bien qu’il soit un agent relativement coûteux, l’oxydation du peroxyde est très favorable aux processus qui utilisent de l’oxygène gazeux. Le peroxyde d’hydrogène agit comme un initiateur des radicaux libres, des radicaux hydroxyles qui favorisent la dégradation du phénol.
Par ailleurs, les catalyseurs homogènes appliqués dans les processus CWPO démontrent une grande efficacité, leur récupération à partir de l’effluent traité est assez difficile et nécessite un traitement supplémentaire pour éliminer le catalyseur homogène dans le réacteur. Cet inconvénient peut être surmonté par l’utilisation des catalyseurs hétérogènes facilement récupérables et réutilisables. Ces catalyseurs présentent les avantages d’un processus de catalyse hétérogène. Contrairement à un catalyseur homogène, ils ont une efficacité d’oxydation relativement plus élevée dans des conditions de réaction identiques.
Réaction d’oxydation du phénol :
L’oxydation par voie humide est connue depuis le début du siècle. Il s’agit de la réaction en phase liquide entre un composé organique et un oxydant tel que l’oxygène ou l’air (OVH), ou le peroxyde d’hydrogène (OVHP). Ce procédé permet de traiter des effluents trop dilués pour être incinérés ou trop concentrés pour un traitement biologique. Contrairement à d’autres procédés, l’oxydation par voie humide ne produit pas de NOx, SOX et poussières mais elle nécessite toutefois des températures et des pressions très élevées [16].
Les procédés d’oxydation par voie humide peuvent être catalytiques ou non. Cependant, pour augmenter le taux de conversion tout en rendant les conditions de travail plus douces, on fait généralement appel à la catalyse.
Dans procédé de catalyse hétérogène, le mécanisme généralement admis est une oxydation radicalaire en chaîne, pour laquelle l’insertion de l’oxygène se produit par couplage avec un radical de propagation R•. En absence d’initiateur, la formation du radical R• par interaction directe de l’oxygène avec la liaison C–H, la plus vulnérable du substrat organique, est initiée thermiquement [17]. L’initiation est suivie d’une étape de propagation en chaîne, au cours de laquelle on assiste à la formation d’hydroperoxydes selon le schéma réactionnel suivant :
RH + O2→R• + HOO•
2RH + O2→2R + H2O2
R• + O2→ROO•
ROO• +RH →R•+ ROOH
La phase d’initiation (la première réaction) constitue alors l’étape limitant, défavorable thermodynamiquement à basse température. En revanche, la première étape de propagation (troisième réaction) est extrêmement rapide.
L’oxydation du phénol produit des composés aromatiques plus hydroxylés qui peuvent être oxydés en hydroquinone et catéchol tandis que l’oxydation de ces derniers donne un mélange de divers acides organiques comme indiqué schématiquement sur la figure 3.
OH
OH
OH
OH
OH
Hydroquinone
Phénol
Catéchol
O
O
O
O
p-benzoquinone o-benzoquinone
O
O
COOH OH
COOH
COOH OH
COOH
O
Acide 2,5-dioxo-3-hexenedioique
O
Acide maléique
Acide muconique
HOOC COOH
Acide oxalique
COOH
Acide acrylique
HCOOH
HOOC
COOH
Acide malonique
CO2 + H2O H3C
COOH
Acide acétique
Figure 3 : Schéma général réactionnel de l’oxydation du phénol [18].
Mécanisme réactionnel d’oxydation par le peroxyde d’hydrogène :
Le mécanisme de la réaction d’oxydation des composés aromatiques utilisant des métaux de transition pour la Formation d’espèces radicalaires très réactives et oxydantes [2].
Le chemin de la réaction proposé implique dans une première étape l’interaction des catalyseurs (Mn+) avec le peroxyde d’hydrogène donnant des radicaux hydroxyles [19,20, 21].
M n+ + H2O2→M (n+1) + + OH– + HO• Equ. 1
Le peroxyde d’hydrogène peut réagir avec les radicaux HO• et ainsi aboutissent à la production du radical hydroperoxyle HO2•(Equ.2), qui, bien que très réactifs, possèdent un potentiel oxydant inférieur à celui des radicaux hydroxyles [22].
HO• + H2O2→ H2O + HO2• Equ. 2
La régénération des espèces métalliques se fait par réaction entre le peroxyde d’hydrogène et les ions M(n+1)+.
M (n+1)++ H2O2→M n+ + H + + HO2 • Equ. 3
Dans la deuxième étape, les radicaux HO• et HO2• peuvent oxyder ou hydroxylés le substrat organique par les deux mécanismes principaux suivants :
Arrachement d’un atome d’hydrogène. Ce type de mécanisme est réalisé sur la chaîne hydrocarbonée saturée du composé organique (R–H) au niveau du-quelle se créent des sites radicalaires attaqués par l’oxygène (Equ.4). Ce processus mène à la rupture homolytique d’une liaison C-H ;
R–H + HO● → R● + H2O Equ.4
Addition sur une double liaison éthylénique ou aromatique (hydroxylation). Cette addition donne naissance à des radicaux hydroxyalkyles par attaque sur une chaîne linéaire éthylénique ou cyclohexadiényle lorsqu’il s’agit d’un noyau aromatique ;
s
R=R’ +HO ● → R’OH–R● Equ.5
Questions Fréquemment Posées
Quelles sont les techniques d’oxydation avancée pour la dégradation du phénol ?
Les techniques d’oxydation avancée comprennent la photocatalyse, l’oxydation par le peroxyde d’hydrogène et l’oxydation par l’ozone.
Pourquoi utiliser des catalyseurs hétérogènes dans la dégradation du phénol ?
Les catalyseurs hétérogènes sont facilement récupérables et réutilisables, et présentent une efficacité d’oxydation relativement plus élevée dans des conditions de réaction identiques.
Comment fonctionne l’oxydation par voie humide dans la dégradation du phénol ?
L’oxydation par voie humide est une réaction en phase liquide entre un composé organique et un oxydant tel que l’oxygène ou le peroxyde d’hydrogène, permettant de traiter des effluents trop dilués ou trop concentrés.