Caractérisation et remédiation des polluants dans l'air et l'eau (CARE)

Responsable : VERNOUX Philippe
Responsable adjoint : GIROIR-FENDLER Anne

 

1. Mesure et identification des polluants et des produits de dégradation dans l’environnement et dans les procédés de dépollution

Atmosphère.

Bien qu’étant désormais au centre de nombreuses actions de régulation, la pollution de l’air reste un problème majeur des zones urbaines et suburbaines avec des impacts sanitaires et climatiques reconnus. Ceci tient au fait que de nombreuses émissions (gazeuses et particulaires) et transformations physico-(photo)chimiques dans l’atmosphère restent extrêmement méconnues, limitant ainsi l’amélioration souhaitée de la qualité de l’air. Les émissions provenant des différents modes de transport font partie de ces émissions mal quantifiées et, en particulier, les émissions non-réglementées des nouveaux véhicules ne sont pas encore bien appréhendées. Encore moins comprise est la formation des particules organiques secondaires produites par réactions photochimiques des composés volatils émis par les moteurs thermiques. Ainsi  nous souhaitons utiliser le savoir-faire et les outils de l'équipe pour étudier et développer de nouvelles connaissances sur les émissions de polluants gazeux et particulaires (métrologie et analyse des aérosols et des suies) ainsi que sur leur devenir dans l'atmosphère, avec une attention marquée pour les espèces oxygénées réactives et la formation d'aérosols organiques secondaires.

2. Formulation  de matériaux et développement de procédés pour le traitement des polluants dans l'air, dans l’eau et en phase particulaire

  • Traitement de l’air

La formulation des matériaux catalytiques de dépollution doit sans cesse évoluer pour accompagner des normes de plus en plus sévères en termes de niveau d’émission (air ambiant, habitations, lieux de travail, environnement)  et de durée de fonctionnement, mais également pour anticiper la baisse prévisible de ressources mondiales de certains éléments actifs comme les métaux nobles. L’équipe CARE dispose de compétences fortes et spécifiques pour lever certains verrous comme l’abaissement des températures de fonctionnement des catalyseurs et la limitation, voire la suppression, de l’utilisation des métaux nobles. Les polluants visés sont les oxydes d’azote, les hydrocarbures et le monoxyde de carbone imbrûlés, les composés organiques volatils (COV) et les particules fines. En matière de dépollution automobile, axe fort de l’équipe, les verrous technologiques portent sur l’intégration du catalyseur DeNOx dans le filtre à particules (FAP) et le développement de FAPs auto-régénérants.

Promotion électrochimique de la catalyse

Cette spécificité de l’équipe étudie les interactions entre une phase active métallique et un support conducteur ionique (notamment par les ions oxygènes) ainsi que leurs impacts sur les propriétés catalytiques. Les recherches se sont focalisées depuis une quinzaine d’années sur des catalyseurs électrochimiques polarisés utilisant des films minces de catalyseur déposés sur des supports denses de conducteurs ioniques. La promotion électrochimique de nombreuses réactions, notamment d’oxydation, a été mise en évidence et expliquée par la présence d’espèces ioniques en surface des films métalliques. Le verrou scientifique consiste maintenant à concilier activation électrochimique et dispersion métallique élevée. Ces nanoparticules électroactivées trouveront des applications notamment dans le traitement des particules de suie et dans l’oxydation des hydrocarbures imbrulés.

Couplage de procédés pour l’abattement de polluants

(filtration-catalyse, adsorption-catalyse, catalyse sur film mince-support métallique)

L’optimisation des systèmes catalytiques nécessite également des mises en forme particulières qui permettent d’améliorer les performances en fonction des réactions mises en jeu en conditions réelles. Ainsi des études importantes ont été menées depuis plusieurs années pour coupler une filtration, une séparation ou une  adsorption à une étape de catalyse. La comparaison des performances avec des procédés classiques sera poursuivie dans les domaines des réacteurs à membrane catalytique, des échantillonneurs passifs et des filtres catalysés. 

  • Traitement de l’eau

Adsorption

La présence de divers contaminants à l’état de traces dans les eaux souterraines ou de surface impose souvent la mise en place de traitements de finition dans la filière de production de l’eau potable. L’adsorption, facile à mettre en œuvre et ne nécessitant pas l’utilisation de réactifs chimiques supplémentaires, est très certainement le traitement le plus répandu. Les adsorbants, parmi lesquels les charbons actifs, doivent permettre d’éliminer des eaux destinées à être distribuées des polluants de natures très variées, allant des micropolluants aux substances organiques naturelles. Les propriétés de surface de ces charbons peuvent avoir un impact majeur sur leurs propriétés d'adsorption. La désorption en température programmée intermittente (DTPI), développée au laboratoire, pourra valablement être mise à profit pour ce genre d'étude. Par ailleurs, la très grande majorité des études ont été conduites en régime statique alors que le développement réel de technologies efficaces impose de passer à des études en continu. Le développement d'une installation dédiée à ces études sera entrepris afin d'accéder aux courbes de percée.

Désinfection

La pollution de l’air et de l’eau est à la fois une pollution chimique et microbiologique. La photocatalyse présente l’avantage de permettre le traitement de ces deux types de pollution à température ambiante en utilisant l’oxygène de l’air comme oxydant et des photons UV, en particulier les photons solaires. La désinfection photocatalytique n’en est qu’à ses balbutiements. En effet un effort considérable doit être fait sur l’étude de l’interaction entre microorganisme et catalyseurs, sur la compréhension des mécanismes de désinfection mais également sur l’étude de nouveaux matériaux et la comparaison avec d’autres procédés d’oxydation avancés ainsi que l’impact de ces procédés sur l’environnement.

Oxydation en voie humide des composés azotés

Les catalyseurs développés jusqu'alors sont très actifs et stables pour l’oxydation des composés organiques (C,H,O) mais également pour celle de l’ammonium en diazote ou encore celle des amines aromatiques, telle l’aniline. Toutefois, une très forte lixiviation du métal actif est observée lorsqu’un doublet libre est présent et localisé sur l’atome d’azote (amines aliphatiques, acides aminés). Ainsi, l’utilisation de ces catalyseurs pour le traitement d’effluents contenant de tels composés est à ce stade exclue. La formulation de nouveaux matériaux catalytiques thermiquement et chimiquement stables est donc nécessaire. Nous pourrions étudier la combinaison d’une phase active de type oxyde (simple ou composite) et d’un support méso-structuré permettant à la fois (i) d’optimiser les interactions métal-support par un effet de confinement des nanoparticules d’oxyde, (ii) d’accroître l’interface de contact catalyseur-réactifs, (iii) d’améliorer le transfert des réactifs vers la surface active et de promouvoir l’activité catalytique des formulations développées. Diverses stratégies de préparation seront explorées tant pour la synthèse des supports oxydes de structures contrôlées et régulières, que pour l’introduction ab initio ou a posteriori de la phase active de type oxyde.

3. Compréhension des processus et des mécanismes fondamentaux impliqués dans la dégradation des polluants et dans le fonctionnement de l'atmosphère

Identification des espèces oxygénées réactives

La très grande majorité des procédés de traitement étudiés dans le groupe sont des procédés d'oxydation. La nature des espèces oxygénées mises en jeu est encore souvent matière à débat. Ces questions revêtent toutefois une importance tant fondamentale que pratique. La détection et la quantification de ces espèces, dont la nature peut varier d'un procédé à un autre, est donc un réel défi, notamment au regard de la durée de vie de ces espèces ou encore dans d'autres cas des conditions de réaction. Le développement de nouveaux outils permettant une analyse operando, impliquant notamment la spectroscopie Raman, pourra être nécessaire. La promotion électrochimique de la catalyse couplée à des méthodes de chimisorption et d’échange isotopique est également un outil intéressant pour étudier le rôle des oxygènes de réseau du catalyseur ou du support de catalyseur dans les processus catalytiques, car le flux d’ions oxygène qui migre du support conducteur ionique à la surface du catalyseur est contrôlé par la polarisation électrique.

Réduction catalytique sélective (RCS) de NO

 Les systèmes catalytiques développés pour le post traitement des effluents gazeux doivent répondre à des cahiers des charges de plus en plus drastiques, notamment en termes d’efficacité dans le temps. Pour simuler le vieillissement des phases catalytiques, des modèles sont développés. Pour alimenter les modèles, des données cinétiques pour toutes les réactions chimiques pouvant se dérouler dans ce milieu complexe sont nécessaires. Dans ce contexte, la RCS de NO par NH3 sera une des réactions modèles retenues pour développer ces études macro- et micro-cinétiques. On étudiera notamment l’impact des traitements effectués en amont ou en parallèle (catalyse d’oxydation des HC, CO, NO et suies) sur les paramètres cinétiques.

Processus chimiques dans l'atmosphère

L'atmosphère est un milieu complexe qui est loin d'être parfaitement homogène. En effet elle contient, en faibles quantités, de la matière condensée (liquide ou solide) qui peut influencer à la fois le bilan radiatif et la composition chimique. L'impact sur le bilan radiatif a fait (et fait toujours) l'objet de nombreux travaux  tandis que l'identification du rôle chimique des aérosols est bien plus récente. En effet, la diversité de types d'aérosols couplée à l'incroyable complexité chimique de la troposphère fait que de nouveaux chemins réactionnels deviennent possibles. Ainsi les travaux de l'équipe CARE sont reliés à la physico-chimie et à la (photo)chimie hétérogène troposphérique. Depuis la découverte de l’existence de réactions photosensibilisées dans la troposphère, et devant leur importance potentielle, ce thème sera un des axes majeurs des travaux de recherche en chimie de l’atmosphère, en recherchant leur importance dans la formation de radicaux et d’espèces hautement fonctionnalisées (oxygénées) aux interfaces.