Preparation of activated charcoal derived from luffa and its application in the degradation of organic pollutants by photocataysis

Abstract

L’objectif de cette présente thèse est basé sur la valorisation de la biomasse lignocellulosique : luffa cylindrica, qui est un résidu abondant en Algérie, pour l'élaboration de matériaux très poreux pour une éventuelle application dans la dégradation de polluants organiques en solutions aqueuses par photocatalyse. Plusieurs charbons actifs dérivés du Luffa (LACs) ont été préparés par imprégnation chimique avec une solution d'acide phosphorique à 85 % (H3PO4) à reflux, suivie d'un traitement thermique dans un four tubulaire et d'un lavage. Différents paramètres tels que le rapport massique d'imprégnation H3PO4/Luffa (1, 3 et 5 g/g), la température d'activation (500, 550 et 700°C) et le temps de séjour (1 et 2 h) ont été étudiés pour optimiser les conditions de préparation. Les propriétés physico-chimiques des charbons actifs préparés ont été déterminées par différents techniques comme l’analyse thermogravimétrique et CHNO. La morphologie a été analysée par microscopie électronique à balayage, et la texture poreuse a été étudiée par adsorption de gaz N2 et CO2 (à -196 °C et 0 °C, respectivement). Les résultats ont montré que les propriétés des charbons actifs issus de la Luffa cylindrica dépendent fortement des conditions de préparation. Les surfaces spécifiques les plus élevées, atteignant 1300 m2 /g, ont été obtenues avec un taux d'imprégnation de 3/1 à une température de traitement de 550°C maintenue pendant 2 heures. Les images SEM ont montré le développement de la structure poreuses des charbons actifs à cause de la décomposition de la cellulose et de la lignine sous l’effet de l’acide phosphorique. Le charbon actif présentant les meilleures propriétés et préparé par des conditions modérées a été choisi comme support de particules d'oxyde de titane pour la photodégradation des colorants organiques. Le mélange mécanique du charbon actif de Luffa avec les particules de TiO2 et la synthèse sol-gel ont été utilisés pour préparer des composites TiO2/LAC avec différentes charges de dioxyde de titane. L'analyse de diffraction des rayon-X a montré la présence de la phase cristalline active anatase, tandis que la caractérisation XPS a révélé la présence de groupes fonctionnels oxygéné à la surface des composites. D'autre part, la diminution de l’énergie de leur bande interdite a été confirmée par la réflectance UV. Les composites ont également montré un développement important de la surface spécifique par rapport à l'oxyde de titane sous l’effet de l'incorporation du LAC. Finalement, les composites ont été testés dans l’élimination de deux colorants organiques. La photodégradation de bleu de méthylène a été réalisée sous irradiations UV et celle du vert malachite sous irradiations solaires simulées. Une attention particulière a été portée à la contribution du phénomène d'adsorption sur le comportement des composites étant la caractéristique principale du matériau support, en plus de l’étude du mécanisme probablement impliqué. Pour toutes les expériences de photodégradation étudiées, les échantillons ont montré une bonne performance, conduisant, pour la plupart des composites, à l'élimination totale du colorant après 30 min d'exposition à la source d'irradiation par rapport à l'oxyde de titane pure. La photodégradation du vert malachite sous les irradiations solaires a montré que les composites élaborés sont actifs dans la région visible du spectre lumineux.