Thèse Etude des Capacités d'Un Photo-Réacteur Sous Conditions Dynamiques Utilisation de Composites Charbons Actifs et Photocatalyseurs H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Perpignan Via Domitia École doctorale : Energie et Environnement Laboratoire de recherche : PROcédés, Matériaux et Energie Solaire Direction de la thèse : Gael PLANTARD Début de la thèse : 2026-11-02 Date limite de candidature : 2026-10-17T23:59:59 La présence des micropolluants dans l'environnement est reconnue comme un problème
potentiel de santé publique qu'il convient de maitriser afin, d'une part de mettre en place une
politique de circularité de l'eau, et d'autre part, de limiter leur dissémination et ainsi leurs
effets sur les écosystèmes. Ces substances sont d'origine anthropique et sont pour la plupart
bio-récalcitrantes donc partiellement ou non éliminées par les installations de traitement
d'eaux usées qui reposent sur l'activité biologique. La photocatalyse hétérogène fait partie des
procédés d'oxydation avancée développés spécifiquement pour le traitement des
micropolluants. Ce procédé a la particularité de pouvoir utiliser l'énergie solaire comme source
énergétique principale ce qui en fait un candidat d'intérêt dans une démarche de
développement durable. Les caractéristiques de la ressource solaire,
fluctuations/intermittence, impactent directement la capacité de traitement du procédé, et
doivent être prises en compte dans sa gestion. Dans la littérature, cette prise en compte pour
opérer le procédé, porte exclusivement sur les réacteurs dits fermés. Le processus de traitement
est alors interrompu la nuit dans les pilotes solaires étudiés. Lors du développement d'un
procédé en mode continu ou de réacteurs dits ouverts, la gestion de l'intermittence s'impose
afin de pouvoir assurer un traitement continu de l'effluent.
Cette thèse vise à développer un modèle de représentation de la capacité de traitement
d'un réacteur fonctionnant sur le principe de la photocatalyse hétérogène. Cette étape est
indispensable pour le dimensionnement et pilotage de procédés solaires. Dans une deuxième
partie, l'étude se focalise sur la faisabilité d'une technologie de gestion de l'intermittence basée
sur un matériau composite adsorbant/photo-catalyseur. L'adsorbant permet de stocker les
polluants lorsque la ressource est insuffisante et le photo-catalyseur vise à dégrader les
polluants en phase liquide et en phase solide, ce qui revient à régénérer l'adsorbant lors des
périodes d'ensoleillement. Ces deux études s'inscrivent dans l'objectif, sur le long terme, de
permettre la mise en oeuvre d'un procédé de photocatalyse hétérogène solaire en mode continu,
capable d'opérer un traitement permanent malgré les fluctuations et l'intermittence solaires. Le dénominateur commun des applications basées sur un photoréacteur solaire est la gestion des ressources solaires [Goswami 1999]. Que les processus photochimiques soient utilisés pour la production de chaleur (centrales solaires à concentration, eau chaude sanitaire), la production d'électricité (centrales solaires, panneaux photovoltaïques) ou la photo-oxydation de l'eau (photocatalyse, traitement photo-fenton), leurs capacités dépendent directement des conditions d'ensoleillement [Kere 2015, Hoffmann 2016, Malato 2003, Galvez 2003]. Les discontinuités de la ressource solaire sont classées selon plusieurs échelles, à savoir les cycles jour/nuit, les cycles saisonniers et les cycles annuels, mais aussi les conditions météorologiques, et principalement la nébulosité, qui ont un fort impact sur les caractéristiques de la ressource solaire (densité de flux, distribution spectrale, rayonnement diffus et direct) exploitables par les différents procédés [Goswami 1999, Galvez 2003].
Le projet a pour but de développer, tester et valider un photoréacteur intégrant des matériaux photocatalytiques fonctionnalisés permettant d'intensifier les performances du photoréacteurs en termes de capacité à dépolluer les eaux usées. L'idée est d'évaluer la capacité de matériaux hybrides à double fonctionnalité associant un matériau adsorbant capable de stocker les polluants pour gérer les variations de la ressource solaire et un catalyseur capable de produire des radicaux permettant de dégrader les polluants. Les capacités de photo-oxydation de ces matériaux intégrés seront étudiés dans un photoréacteur fonctionnant en continu -c'est-à-dire alimenter en permanence pour des contaminants sous conditions dynamiques d'irradiations - une irradiation représentative des conditions d'ensoleillement en tenant compte des variations de cycle journalier et d'évènement météorologiques. La finalité sera de comprendre comment comment fonctionne le photo-réacteur pour gérer les fluctuations de la ressource solaire. décrire le fonctionnement d'un photo réacteur opérant sous conditions dynamiques d'irradiation L'objectif de ce projet est de pouvoir gérer l'impact des discontinuités de l'ensoleillement en lissant les variations de concentration des molécules dans le liquide. Nous allons donc cherché à contrôler les propriétés fonctionnelles des composites, telles que la capacité de sorption, le taux de transfert et la capacité d'oxydation. Ce travail s'appuiera sur la mécanosynthèse, une méthode totalement originale de préparation de composites combinant des adsorbants et des nanoparticules photocatalytiques. Ainsi, pour répondre à cette problématiques, notre démarche se structure en 2 étapes clefs
1-La première étape vise à l'élaboration de matériaux granulaires composites associant carbone activé et catalyseur pour répondre à la double fonctionnalités photocatalytique/sorption. En s'appuyant sur nos précédents travaux menés sur l'élaboration de composites, nous élaborerons des composites granulaires originaux de type core Shell avec un coeur de carbone activé qui joue la fonction de stockage et la coquille en catalyseur qui permettra la photo-conversion [Ribeiro 2021].
2- L'objectif principal est d'étudier le comportement d'un photoréacteur intégrant les composites. Il s'agira d'évaluer des capacités épuratrices par une approche expérimentale couplée à de la modélisation. Le réacteur sera soumis à des consignes d'irradiation représentative des conditions d'irradiations naturelles pour évaluer les réponses et les capacités journalières du réacteur.

Compétences scientifiques
- élaboration de composites
-analyse et caractérisation des propriétés des matériaux
- génie des procédés : coloration photo-réacteur
-culture procédés de traitement de l'eau

qualités humaines
- sensibilisation aux problématiques environnementales
-autonomie

• Traitement de l'eau
• Autonomie
• Développement de procédés chimiques