Contribution à l’étude de dégradation in situ d’un polluant organique par procédés d’oxydation avancés. - NESSAIBIA Maroua (My University, 2025)
ABSTRACT This thesis aims to study the efficiency of advanced oxidation processes (AOPs) based on periodate (IO₄⁻) activation for the removal of an azo dye, Acid Orange 10 (AO10) from aqueous solutions. Organic dyes represent a major source of pollution in industrial wastewater, particularly from the textile industry, necessitating the development of efficient and sustainable treatment techniques. In this context, three periodate activation strategies were explored: activation by hydrogen peroxide (H₂O₂/IO₄⁻), UV irradiation (UV/IO₄⁻), and zero-valent iron (Fe⁰/IO₄⁻), with the objective of identifying the most effective approach for dye degradation and optimizing oxidation process performance. The degradation of AO10 in the aqueous phase by the H₂O₂/IO₄— process is studied. The influence of several parameters was evaluated, including periodate and hydrogen peroxide concentrations, initial dye concentration, pH, temperature, the presence of methanol, inorganic salts, and different aqueous matrices. The results revealed no linear relationship between degradation efficiency and oxidant concentrations, as high H₂O₂ and IO₄⁻ concentrations led to a decrease in the formation of reactive oxidative species, particularly •OH, while high temperatures negatively affected the reaction. Additionally, dye removal was nearly complete under acidic conditions (pH ≤ 5.7), achieving over 97% efficiency at pH = 3, whereas it dropped to about 16% in neutral conditions and less than 10% at pH 8 and 10. Furthermore, high water salinity negatively impacted process efficiency, as confirmed by experiments conducted on seawater, natural mineral water, and river water. Optimization of operational parameters and understanding of variable effects were further enhanced through experimental modeling using the Box-Behnken design. For the photochemical degradation of AO10 in aqueous phase using photo-activated periodate (UV/IO₄⁻), the effects of operational parameters on dye degradation were investigated. The results indicated that periodate photodecomposition generates highly reactive oxidizing radicals (•OH, IO₃•, IO₄•), promoting AO10 degradation. However, high periodate concentrations (> 3 mM) slowed down the reaction due to interactions between oxidizing radicals. Moreover, the presence of salts, surfactants, and sucrose significantly inhibited dye removal. Specifically, sucrose addition reduced degradation efficiency, while tert-butanol, a known •OH radical scavenger, had no significant effect even at high concentrations, suggesting that the degradation mechanism in this system is not exclusively •OH-dependent. Furthermore, chemical oxygen demand (COD) analysis showed that the UV/IO₄⁻ system enabled partial mineralization of organic matter, achieving 56.5% and 60.5% COD reduction after 60 and 120 minutes, respectively, confirming its potential for treating industrial dye-laden effluents. The activation of periodate by zero-valent iron (Fe⁰/IO₄⁻) has been studied. The effects of various parameters, such as Fe⁰ concentration, periodate dose, initial pH, and temperature, were examined. The results highlighted that this system is particularly effective under acidic conditions (pH = 3), favoring the formation of oxidative species like •OH, IO₃•, and IO₄•. The impact of sucrose addition, inorganic salts (NaCl, Na₂SO₄), and surfactants (SDS, Tween 80, Triton X-100) was also assessed, revealing that these compounds can partially inhibit degradation by interfering with radical generation. Despite these effects, this system achieved nearly complete AO10 removal, reaching 99.5% degradation under optimal conditions, making it one of the most promising processes for the remediation of dye-polluted industrial wastewater. Keywords: advanced oxidation processes, azo dye, Acid Orange 10, dye degradation, wastewater treatment, UV/periodate, H₂O₂/IO₄ˉ, Fe⁰/IO₄ˉ.
RESUME Cette thèse vise à étudier l’efficacité des procédés d’oxydation avancée (AOPs) basés sur l’activation du périodate (IO₄⁻) pour l’élimination d’un colorant azoïque l’Acid Orange 10 (AO10) en solution aqueuse. Les colorants organiques constituent une source majeure de pollution dans les eaux usées industrielles, en particulier celles issues des industries textiles, ce qui nécessite le développement de techniques efficaces et durables pour leur traitement. Dans ce contexte, trois stratégies d’activation du périodate ont été explorées : l’activation par le peroxyde d’hydrogène (H₂O₂/IO₄⁻), par l’irradiation UV (UV/IO₄⁻) et par le fer zéro-valent (Fe⁰/IO₄⁻), afin d’identifier la meilleure approche pour la dégradation du colorant et l’optimisation des performances des processus d’oxydation. La dégradation de l’AO10 en phase aqueuse par le procédé H₂O₂/IO₄—, est étudiée. L’effet de plusieurs paramètres a été évalué, notamment les concentrations en periodate et peroxyde d'hydrogène, la concentration initiale du colorant, le pH, la température, la présence de méthanol, de sels inorganiques et de différentes matrices d’eau. Les résultats ont montré qu’il n’existe pas de relation linéaire entre l'efficacité de la dégradation et la concentration des oxydants, puisque des concentrations élevées de H₂O₂ et IO₄⁻ entraînent une diminution de la formation des espèces oxydantes réactives, notamment •OH, tandis que des températures élevées ont un effet négatif sur la réaction. De plus, l’élimination du colorant est quasi totale en milieu acide (pH ≤ 5,7), avec une efficacité dépassant 97 % à pH 3. En revanche, elle diminue à 16 % en milieu neutre et à moins de 10 % pour des pH de 8 et 10. Par ailleurs, une salinité élevée de l’eau réduit l’efficacité du procédé, ce qui a été confirmé par des expériences menées sur l’eau de mer, l’eau minérale naturelle et l’eau de rivière. L’optimisation des paramètres opératoires et la compréhension des effets des différentes variables ont été approfondies grâce à une modélisation expérimentale selon le plan de Box-Behnken. La dégradation photochimique de l’AO10 en phase aqueuse en utilisant le periodate photo-activée (UV/IO₄⁻) est aussi étudiée. L'influence des paramètres opératoires sur l'efficacité de la dégradation est analysée. Les résultats ont révélé que la photodécomposition du périodate génère des radicaux oxydants hautement réactifs (•OH, IO₃•, IO₄•), favorisant la dégradation de l’AO10. Cependant, des concentrations élevées de périodate (> 3 mM) ralentissent la réaction en raison des interactions entre radicaux oxydants. De plus, il a été observé que la présence de sels, de surfactants et de saccharose inhibe considérablement l’élimination du colorant. En outre, l’analyse de la demande chimique en oxygène (DCO) a montré que le système UV/IO₄⁻ permet une minéralisation partielle de la matière organique, atteignant 56,5 % et 60,5 % de réduction de la DCO après 60 et 120 minutes de traitement, ce qui confirme son potentiel pour le traitement des effluents industriels contenant des colorants. L'activation du periodate par le Fer zéro-valent (Fe⁰/IO₄⁻) a été étudié. L’effet de plusieurs paramètres tels que la concentration en Fe⁰, la dose de periodate, le pH initial et la température a été examiné. Les résultats ont mis en évidence que ce système est particulièrement efficace en milieu acide (pH=3), favorisant la formation d’espèces oxydantes telles que •OH, IO₃• et IO₄•. L’impact de l’ajout de saccharose, de sels inorganiques (NaCl, Na₂SO₄) et de tensioactifs (SDS, Tween 80, Triton X-100) a également été évalué, révélant que ces composés peuvent inhiber partiellement la dégradation en interférant avec la génération des radicaux libres. Malgré ces effets, ce système a permis une élimination quasi totale de l’AO10, atteignant 99,5 % d’élimination dans des conditions optimales, ce qui en fait l’un des procédés les plus prometteurs pour la dépollution des eaux industrielles chargées en colorants. Mots-clés : Procédés d’oxydation avancée, colorant azoïque, Acid Orange 10, dégradation des colorants, traitement des eaux usées, UV/périodate, H₂O₂/IO₄ˉ, Fe⁰/IO₄ˉ.
Keywords: Keywords: advanced oxidation processes; azo dye; Acid Orange 10; dye degradation; wastewater treatment; UV/periodate; H₂O₂/IO₄ˉ; Fe⁰/IO₄ˉ.; الكلمات المفتاحية: طرق أكسدة متقدمة، صبغة الآزوية، حمض البرتقال 10، تحلل الصبغة، معالجة مياه الصرف الصحي، بيروكسيد الهيدروجين/بيريودات، الأشعة فوق البنفسجية/البيريودات، الحديد معدوم التكافؤ/بيريودات.; Mots-clés : Procédés d’oxydation avancée; colorant azoïque; dégradation des colorants; traitement des eaux usées; UV/périodate