mardi 8 février à 10h00 – Thèse de Fabrice Guy

Publié le ven 21 Jan 2022

Soutenance de thèse –  Fabrice Guy

mardi 8 février a 10h00, à huis clos

Billes de carbone activé enrichies en azote pour l’adsorption des micropolluants de l’air intérieur : le formaldéhyde et le dioxyde d’azote

Résumé

Ces travaux visent au développement d’un système de purification de l’air intérieur par adsorption sur des carbones activés. Dans une première étape, des billes de carbone activé ont été synthétisées à partir d’un biopolymère biosourcé : le chitosane (CS). Ces billes pouvant inclure ou non des nanoparticules de Cu et CuO ont été finement caractérisées. Dans une seconde étape, les propriétés de purification de l’air intérieur par adsorption sur les matériaux préparés ont été étudiées vis-à-vis deux polluants : le formaldéhyde (CH2O) et le dioxyde d’azote (NO2).

Les billes de carbone activé ont été préparées par activation thermochimique de sphères d’hydrogel de CS enrichies ou non en CuCl2 et imprégnées par des solutions de KOH ou de NH3. L’activation a été réalisée à 500°C et 700°C pour les hydrogels imprégnés par KOH, et à 900°C pour ceux imprégnés par NH3. KOH et NH3 ont joué à la fois le rôle d’agent de gélification du CS et d’agent activant thermochimique générant de la microporosité. Les surfaces spécifiques des carbones activés synthétisés (avec ou sans Cu) varient respectivement de 800 m2.g-1 à 1150 m2.g-1 et de 634 m2.g-1 à 1340 m2.g-1 pour l’activation par KOH et par NH3 Les carbones activés se sont révélés être essentiellement microporeux (⌀ pores < 2 nm). Les analyses par spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) ont montré que les échantillons préparés possèdent des groupes azotés de type pyridine, pyrrole, amide et amine. Les analyses élémentaires ont indiqué une proportion de groupes azotés plus importante et une teneur en groupes oxygénés moins importante dans les échantillons activés par NH3. Les compétitions d’adsorption vapeur d’eau/polluant jouant un rôle crucial quant à l’efficacité du traitement de l’air, les isothermes de sorption d’eau par les carbones activés ont été étudiées. Les résultats ont montré que les carbones activés par NH3 ont une affinité significativement inférieure avec la vapeur d’eau que ceux activés par KOH.

Les courbes de perçage du dioxyde d’azote et du formaldéhyde ont été étudiées au contact des carbones activés préparées avec et sans dopage par CuCl2 à la concentration initiale d’environ 850 ppb en variant l’Humidité Relative (HR) entre 0% et 50%. Les capacités d’élimination du NO2 des carbones préparés ont atteint des valeurs maximales d’environ 140 mg.g-1, supérieures aux valeurs moyennes citées par la littérature. Pour les carbones sans Cu/CuO, activés par KOH, une capacité d’adsorption maximale (d’environ 80 mg.g-1) est atteinte pour HR=20%. Ce maximum pourrait s’expliquer par l’adsorption de NO2 dans les micropores et dans les mésopores (2 nm < ⌀ pores < 50 nm) partiellement occupés par des molécules d’eau. Pour les carbones activés par NH3, la quantité maximale de NO2 éliminée (~140mg.g-1) est atteinte pour un air sec puis décroît avec l’humidité croissante. La quantité maximale de formaldéhyde éliminé à HR=50% (environ 43 mg.g-1) est mesurée pour un carbone activé par NH3. Ceci pourrait être relié à la présence de plus grandes quantités d’ultramicropores (⌀ pores < 0,8 nm) et de groupes azotés à sa surface. Pour tous les carbones préparés sans CuCl2, un maximum d’adsorption du formaldéhyde est atteint sous air sec du fait de la compétition d’adsorption avec la vapeur d’eau. La présence de nanoparticules induit une dégradation catalytique du NO2 en sous espèces azotées et du formaldéhyde en CO2 et H2O, quelle que soit l’humidité relative testée. Un maximum de dégradation est atteint pour HR=20% pouvant s’expliquer par la formation de radicaux libres en présence d’eau, améliorant ainsi l’effet catalytique.

Composition du jury

Mme Camélia Matei Ghimbeu, Directrice de recherche, CNRS Alsace, Rapportrice
Mme Pascaline Pré, Professeure de l’Institut Mines Telecoms, IMT Atlantique Bretagne Pays de la Loire, Rapportrice
M Benoit Coasne, Directeur de recherche, CNRS Alpes, Examinateur
Mme Gaëlle Ducom, Maitresse de conférences, INSA Lyon, Examinatrice
M Peter Moonen, Professeur des universités, Université de Pau et des Pays de l’Adour, DMEX, Invité
M Michel Ondarts, Maitre de conférences, Université Savoie Mont Blanc, LOCIE
Mme Laurence Reinert, Maitresse de conférences, Université Savoie Mont Blanc, EDYTEM
M Laurent Duclaux, Professeur des universités, Université Savoie Mont Blanc, EDYTEM