Formation d'espèces radicalaires dans les procédés de traitement de l'eau // tracking radical species in oxidative water treatment processes

Topic description

Les traitements oxydants sont couramment utilisés dans le traitement de l'eau, soit pour la désinfection, soit pour la dégradation de micropolluants. Cependant, les oxydants sont principalement consommés par les matières organiques présentes dans l'eau et entraînent la formation involontaire de sous-produits de désinfection (SPD) qui présentent des risques pour la santé et l'environnement. Les matières organiques dissoutes sont omniprésentes dans les ressources en eau ; cette matrice complexe est composée de macromolécules naturelles et anthropiques complexes. D'après les études sur les sols, il est bien connu que les espèces radicalaires stables sont omniprésentes dans les extraits solides de matières organiques, alors que ces espèces sont mal décrites dans les matrices aqueuses. Le projet vise à caractériser les espèces radicalaires provenant de sources de carbone organique aquatique, en déterminant les conditions de leur formation ainsi que leur structure et leur stabilité. La transformation ou la formation d'espèces alternatives au cours des procédés de traitement de l'eau seront étudiées en faisant varier différents paramètres, tels que le type d'oxydant et le dosage, la quantité d'halogénures, le pH, l'oxygène dissous, afin d'évaluer et de comprendre pleinement la formation des espèces radicalaires.
La formation et la stabilité des espèces radicalaires seront étudiées par spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE), une technique de résonance magnétique analogue à la résonance magnétique nucléaire (RMN), mais spécifiquement adaptée à la détection des espèces paramagnétiques (radicaux organiques, métaux de transition…). Les espèces radicalaires transitoires pourront être piégées à l'aide de nitroxydes (technique de spin trapping) ou détectées grâce au mode rapid scan, qui permet l'acquisition de spectres avec une vitesse et une sensibilité nettement supérieure à celles des méthodes de balayage conventionnelles. Le rapid-scan améliore significativement le rapport signal/bruit et offre une meilleure résolution temporelle, indispensable pour l'étude d'espèces radicalaires transitoires ou des processus réactionnels rapides. Des techniques avancées, telles que la RPE impulsionnelle, pourront également être mises en œuvre sur la plateforme Infranalytics (FR--CNRS). Réalisée dans un premier temps sur des extraits bien caractérisés de matière organique naturelle (IHSS), l'étude sera ensuite menée sur des ressources en eau réelles.
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Oxidative treatments are commonly used in water treatment, either for disinfection or micropollutant degradation. However, the oxidants are mostly consumed by the organic matter present in water and lead to the unintended generation of so-called disinfection by-products (DBPs) which pose health risks. Dissolved organic matter is ubiquitous in water resources; this complex matrix is composed of natural and anthropogenic complex macromolecules. From soil studies, it is well known that stable radical species are ubiquitous in organic matter solid extracts while those species are poorly described in aqueous matrices. The project aims to characterize the radical species from aquatic organic carbon sources, determining the conditions of their formation as well as their structure and stability. The transformation or formation of extra species during oxidative water treatment processes will be studied varying different parameters, such as type of oxidant and dosage, quantity of halogens, pH, dissolved oxygen to fully assess and understand the formation of radical species.
The formation and stability of radical species will be investigated using electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy, a magnetic resonance technique analogous to nuclear magnetic resonance (NMR) but specifically suited to the detection of paramagnetic species (organic radicals, transition-metal ions, etc.). Transient radical species can be trapped using nitroxides (spin trapping) or detected through the rapid-scan mode, which enables the acquisition of spectra with significantly higher speed and sensitivity than conventional scanning methods. This approach markedly improves the signal-to-noise ratio and provides enhanced temporal resolution, which is essential for monitoring short-lived radical species or fast reaction processes. Advanced techniques such as pulsed EPR may also be implemented on the Infranalytics platform (FR--CNRS). First performed on natural organic matter well characterized extracts (IHSS), the study will be performed on real water resources.
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Début de la thèse : 01/10/

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Financement d'un établissement public Français