La méthodologie d’oxydation du phénol révèle une avancée surprenante dans la dégradation des polluants industriels. En utilisant des nanoparticules catalytiques, cette recherche promet de transformer notre approche face à la pollution de l’eau, avec des implications cruciales pour l’environnement.
Chapitre VI : Application catalytique en dégradation du phénol
Sommaire :
Introduction… 63
- Méthodologie expérimentale 63
- Résultats et discussion 64
- Oxydation du phénol… 66
- Interprétation… 69
Introduction :
Ce travail se situe dans le cadre d’une initiation à la recherche universitaire ayant trait aux problèmes de pollution. Nous nous sommes intéressés au traitement d’eaux polluées par produits organiques. Des solutions d’eaux polluées sont préparées au laboratoire en utilisant le phénol comme micropolluant dangereux et toxique. Nous nous sommes investies dans la dépollution de ces eaux par une oxydation avancée précisément par l’eau oxygénée catalytique hétérogène en employant les nanoparticules de trioxyde de tungstène (WO3) comme catalyseurs de réaction de dégradation de ce polluant.
La particularité de ce procédé tient à la génération dans le milieu d’entités très réactives et très oxydantes, les radicaux hydroxyles (.OH) qui sont capables d’oxyder n’importe quelle molécule organique jusqu’au stade ultime d’oxydation, c’est-à-dire la minéralisation (transformation en CO2 et H2O).
IV.1 Méthodologie expérimentale :
Pour les tests catalytiques d’oxydation du phénol en solution aqueuse ont été effectués dans un ballon tricol, placé dans un bain marie. Alimenté avec un barreau aimanté qui permet d’agiter la solution. Le réacteur est aussi équipé d’un réfrigérant à eau.
La réaction d’oxydation du phénol a été effectuée selon le mode opératoire suivant : on introduit dans le ballon tricol la solution aqueuse du phénol, en présence du catalyseur, quand le mélange atteint la température désirée, ensuite on ajoute le peroxyde d’hydrogène, l’ensemble est vigoureusement agité à une température constante pendant 4 heures.
Le mélange obtenu est filtré puis placé dans une ampoule à décanter, on ajoute une quantité de chloroforme (pour extraire la phase organique). Ce mélange est agité vigoureusement, et laissé reposer quelques instants. Les conditions de réaction sont les suivantes : température de réaction 70 °C, pression atmosphérique, 15 ml d’une solution aqueuse du phénol de 0,06 mol/L, 0,1g de catalyseur et 5ml de H2O2 à 30 %.
Source: URL
Figure 1 : montage de méthodologie.
IV.2 Résultats et discussion :
Les résultats obtenus sont analysés par chromatographie en phase liquide haute pression HPLC. Les conditions d’analyse des HPLC utilisées dans notre travail sont effectué au laboratoire du central de la Police-ORAN :
- HPLC de type AGILENT 1100
- Colonne de type C18
- Phase mobile Acétonitrile/eau distillée/H3PO4 (45/55/0,2 : v/v/v)
- Le débit utilisé dans la colonne est de 1 ml/min à 20°C
- Le détecteur UV est à λ = 254 nm
Dans notre étude, la dégradation du phénol et l’obtention de ses dérivés est évaluée par l’étude des chromatogrammes obtenus en les comparants avec ceux de phénol, du catéchol, de l’hydroquinone et du benzoquinone.
L’apparition des pics dans les chromatogrammes HPLC suit un ordre de polarité.
En générale l’ordre de polarité du phénol et ces dérivés dans une colonne non polaire sont comme suit : du plus polaire au moins polaire.
Les plus polaires sont les acides carboxyliques ; les alcools (le phénol), puis les moins polaires ; les cétones et aldéhydes.
Le taux de conversion est calculé à partir du pourcentage relatif du phénol des produits de réaction d’oxydation :
Le taux de conversion = 100 % – le pourcentage relatif du phénol
Les résultats de chromatogrammes des témoins (Phénol, Hydroquinoune, Catécol, Benzoquinoune) :
Pour identifier les produits de la réaction d’oxydation du phénol, nous avons fait une comparaison entre les temps rétentions (tr) des produits de la réaction avec le temps rétention du phénol (tr=4,528), de l’hydroquinone (tr= 1,916), du benzoquinone (tr=1,532), du catéchol (tr= 1,613), car chaque composé donné présente toujours le même temps dans les mêmes conditions opératoires.
Les figures suivantes montrent les valeurs de temps de rétention tr des témoins.
4. 528
Source: URL
Figure 2 : Chromatogramme HPLC du phénol seul.
DAD1 A, Sig=254,4 Ref=of f (AFF2011\ECH00001.D)
mAU
2500
2000
1500
1000
500
0
0
2
4
6
8
min
DAD1 A, Sig=254,4 Ref =of f (PHENO\ECH00031.D)
mAU
60
50
40
30
20
10
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5 min
0. 092
2. 281
2. 784
3. 001
3. 323
3. 442
3. 611
1.916
4. 226
5. 818
5. 991
6. 333
6. 690
7. 101
7. 508
8. 327
8. 660
9. 316
Source: URL
Figure 3 : Chromatogramme HPLC de l’hydroquinone seul.
0.461
0.557
0.866
0.951
1.254
1.468
1.568
1.746
2.582
3.139
3.609
3.746
4.098
1.613
[13_methodologie-oxydation-du-phenol-une-approche-innovante_59]
Source: URL
Figure 4 : Chromatogramme HPLC du catéchol seul.
DAD1 A, Sig=254,4 Ref=of f (PHENO\ECH00032.D)
mAU 700
600
500
400
300
200
100
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8 min
DAD1 A, Sig=254,4 Ref =360,100 (AFFD20\D1610009.D)
mAU
1000
800
600
400
200
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
min
1.532
1.251
1.840
2.171
2.581
6.844
6.964
7.151
7.553
7.632
[13_methodologie-oxydation-du-phenol-une-approche-innovante_60]
Source: URL
Figure 5 : Chromatogramme HPLC du Benzoquinoune seul.
0.066
0.582
0.753
1.209
1.762
1.874
2.169
2.438
2.957
3.356
3.626
3.907
4.062
4.683
4.862
5.157
5.668
5.974
6.375
7.146
7.290
7.443
7.541
7.671
7.985
8.232087
8.407
8.781
9.273
9.527
9.637
9.718
9.854
Oxydation du phénol :
Essais préliminaires
Trois essais préliminaires d’oxydation de solutions du phénol ont été effectués, avec :
- [13_methodologie-oxydation-du-phenol-une-approche-innovante_61]Une première réaction d’oxydation réalisée en présence d’oxydant (H2O2) sans catalyseur.
[13_methodologie-oxydation-du-phenol-une-approche-innovante_62]
Source: URL
Figure 6 : Oxydation du phénol par le peroxyde d’hydrogéne sans présence de catalyseur (tr=4,492).
- Une deuxième réaction d’oxydation effectuée en présence du catalyseur (WO3) seul.
[13_methodologie-oxydation-du-phenol-une-approche-innovante_63]
Source: URL
Figure 7 : Oxydation du phénol sans le peroxyde d’hydrogéne en présence de catalyseur (tr=4,487).
- Une troisième réaction d’oxydation effectuée en présence d’un mélange du catalyseur (WO3) et d’oxydant (H2O2). Les différents chromatogrammes sont représentés dans les figures 8 et 9.
- Catalyseur WO3 (par solvant n-hexanol) :
DAD1 A, Sig=254,4 Ref =360,100 (AFFD20\D1610003.D)
mAU
1200
1000
800
600
400
200
0
0
2
4
6
8
10
min
1.530
[13_methodologie-oxydation-du-phenol-une-approche-innovante_64]
Source: URL
Figure 8 : Dégradation du phénol en présence de H2O2/catalyseur WO3 (n-hexanol).
0.227
0.359
1.222
1.747
1.869
2.443
2.892
3.137
3.899
4.698
4.896
4.976
5.205
5.954
6.094
6.241
6.333
6.592
7.080
7.343
7.433
8.339
8.537
11.443
- Catalyseur WO3 (par solvant Benzyl-alcool) :
DAD1 A, Sig=254,4 Ref =360,100 (AFFD20\D1610006.D)
mAU
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
min
1.533
[13_methodologie-oxydation-du-phenol-une-approche-innovante_65]
Source: URL
Figure 9 : Dégradation du phénol en présence de H2O2/catalyseur WO3 (Benzyl-Alcool).
0.124
0.374
0.511
0.592
0.721
1.215
1.285
1.769
1.880
2.446
2.701
2.832
3.197
3.281
3.624
3.918
4.200
4.715
5.217
5.588
5.681
5.760
6.281
6.620
6.693
6.808
7.409
8.122
8.448
8.633
8.767
9.400
9.732
9.877
Interprétation :
Les résultats montrent dans les deux premiers cas (oxydant seul et catalyseur seul), les spectres obtenus sont identiques à celui du spectre du phénol, avec les mêmes temps de rétention ce qui laisse déduire que la réaction de l’oxydation du phénol nécessite la présence simultanée de l’oxydant H2O2 et du catalyseur.
Qualitativement les chromatogrammes HPLC dans la présence du catalyseur « WO3 » pour les deux solvants (n-hexanol et benzyl-alcool) et l’oxydant avec le polluant phénol, l’analyse du produit traité met en évidence l’absence de phénol avec un temps de rétention de 4,528 et, en grande proportion, de l’acide Benzoquinone avec un temps de rétention de 1,532. Le taux de conversion s’élève à 100 %.
La réaction de dégradation conduit à une transformation totale et dégradation de micropolluant phénol très active en présence de nano-catalyseur oxyde de tungstène et l’obtention d’un seul produit d’une sélectivité majoritaire, probablement de l’acide benzoquinone avec des traces d’acides inconnus d’environ 2 % de temps de rétention de ces acides tr = 1,7 et 1,88.
Conclusion générale :
Ce travail a été réalisé dans le cadre du développement d’une méthode de synthèse permettant d’obtenir des nanoparticules d’oxyde métallique ayant des tailles nanométriques, a pour but d’étudier et d’évaluer la performance des catalyseurs synthétisé pour la dégradation des polluants organiques. Pour cette étude, le phénol a été choisi comme polluant organique modèle.
Au cours de ce travail, Nous avons synthétisé des nano poudres de WO3 par la méthode Sol gel non aqueux en utilisant deux solvants différents le benzyl alcool et n-Hexanol comme réactifs fournissent un potentiel procédé conduisant à la production des composés avec de petite et contrôlable taille.
Diverses caractérisations ont été nécessaires afin d’étudier la structure cristalline, la taille, ou encore la morphologie des échantillons synthétisés et les propriétés optiques.
La caractérisation structurale a été effectuée par la technique Diffraction des Rayons X, qui a montré que les poudres synthétisées de WO3, pure, et cristallisent dans une structure monoclinique, il nous a permis aussi d’estimer la taille des nanoparticules de WO3 par la formule de Scherrer.
Les images obtenues en MET montrent que la morphologie de nos échantillons est de forme plaquette bien dispersés en très petites particules aggloméré.
L’analyse par spectrophotométrie UV-visible a permis d’observer les bandes d’absorption caractéristiques aux nanoparticules élaborés dans la gamme l’ultraviolette et même dans le visible.
La caractérisation par spectrophotométrie infrarouge a permis de mettre en évidence toutes les liaisons chimiques existantes dans les nanopoudres de WO3, on notera en particulier les liaisons de W-O et COO ces deux dernières sont dues au mécanisme réactionnel.
En ce qui concerne l’oxyde de tungstène, il serait intéressant de voir s’il pourra trouver des applications dans les autres applications classiques de l’oxyde de tungstène.
L’application choisie dans cette étude étant la catalyse, nous nous sommes intéressés à la dégradation du phénol par la poudre de WO3 synthétisées par sol gel non aqueux.
Des résultats très satisfaisants ont été obtenus dans la synthèse de nouveaux catalyseurs Trioxyde de tungstène pour la dégradation du phénol puisque nous avons réussi à atteindre un taux de conversion 99,77 %, ce qui montre que les catalyseurs synthétisés sont potentiellement actifs.
________________________
2 Définition donnée par l’article 62 de la loi sur les nouvelles régulations économiques (NRE) du 15 mai 2001. ↑
3 Auchan Les 4 Temps, La Défense. ↑
Questions Fréquemment Posées
Quelle est la méthodologie utilisée pour l’oxydation du phénol?
La méthodologie d’oxydation du phénol consiste à utiliser des nanoparticules de trioxyde de tungstène (WO3) comme catalyseurs en présence de peroxyde d’hydrogène dans une solution aqueuse.
Quels sont les résultats de la dégradation du phénol?
Les résultats de la dégradation du phénol sont analysés par chromatographie en phase liquide haute pression (HPLC), en comparant les chromatogrammes des produits de réaction avec ceux du phénol et de ses dérivés.
Comment se déroule l’expérience d’oxydation du phénol?
L’expérience d’oxydation du phénol se déroule dans un ballon tricol, où une solution de phénol est mélangée avec un catalyseur et du peroxyde d’hydrogène, puis agité à 70 °C pendant 4 heures.