Development of catalytic foams for the chemical and microbial depollution of water in photoreactors | Développement de mousses catalytiques pour la dépollution chimique et microbienne de l'eau en photoréacteur

Inglés. Water resource pollution continues to increase, accompanied by a notable diversification of both chemical and microbial contaminants. In the face of global population growth, this trend is expected to worsen. Therefore, it is essential to develop new water treatment technologies that are both cost-effective and versatile.This thesis presents an enhancement of the performance of a UV-C-based water decontamination system, through the development of catalytic foams. While UV treatment is effective against microorganisms, it remains limited in its ability to eliminate chemical pollutants and is less efficient when treating turbid effluents. The system developed in this work is environmentally friendly, economical, and capable of removing both microorganisms and chemical contaminants, contributing to the originality of the approach.Open-cell polyurethane foams were used as catalytic supports due to their low cost, high recyclability, and advantageous morphology for water treatment applications. The inert surface of these foams was successfully functionalized using a bioinspired polymer based on marine mussel adhesion proteins. This biocompatible polymer is synthesized under mild conditions and enables robust anchoring of catalysts onto the foam surface.Two different catalytic foams were developed:One for the photocatalytic degradation of chemical contaminants using TiO₂ activated by UV light.Another for antimicrobial treatment without UV, based on silver nanoparticles.A photoreactor was designed and characterized by evaluating the photocatalytic performance of the TiO₂-activated foams in degrading formic acid. These tests demonstrated a particularly high stability of the photocatalytic coating, maintaining its activity over at least 15 reuse cycles without significant loss of performance. The system was also effective at degrading formic acid and eliminating mixtures of chemical pollutants.The silver-based coating, produced via an original one-step functionalization method, was optimized and tested on four pure strains of pathogenic microorganisms under optimal growth conditions. The foam demonstrated its ability to completely eliminate these microorganisms within 3 to 24 hours. The coating showed good stability, allowing multiple reuse cycles without significant loss of antimicrobial efficiency.The antimicrobial mechanism was investigated, revealing that the foam induces oxidative stress in bacteria, which inhibits growth and leads to cell death. This enables efficient microbial reduction without the need for UV light.Finally, the combination of both developed foams within a single reactor achieved satisfactory purification levels on real wastewater samples. This integrated system thus offers an effective and modular solution for water treatment, easily adaptable to specific needs depending on the nature of the effluents.

Francés. La pollution des ressources en eau ne cesse d’augmenter, accompagnée d’une diversification notable des contaminants chimiques et microbiens. Face à l’explosion démographique, cette situation est vouée à évoluer défavorablement. Il devient ainsi essentiel de développer de nouveaux moyens de traitement de l’eau, à la fois peu onéreux et polyvalents. Cette thèse propose une amélioration des performances d’un dispositif de décontamination de l’eau par UV-C, basée sur le développement de mousses catalytiques. Le traitement pas UV, bien qu’efficace contre les micro-organismes, restelimité contre les polluants chimique et peu performant en cas d’effluents troubles. Le système développé est respectueux de l’environnement, économique, et permet à la fois l’élimination des micro-organismes et la dégradation des polluants chimiques, ce qui participe à l’originalité de ces travaux. Les mousses de polyuréthane à cellules ouvertes sont utilisées comme support catalytique, celles-ci étant disponibles à faible coût, hautement recyclables et présentant une morphologie trèsavantageuse pour des applications en traitement de l’eau. La surface inerte de ces mousses a été fonctionnalisée avec succès avec un polymère bio-inspirée de la moule marine. Ce polymère biocompatible est réalisé en conditions douces et permet un greffage robuste de catalyseurs à la surface des mousses. Deux mousses catalytiques différentes ont ainsi été développées, l’une permettant la dégradation photocatalytique des contaminants chimiques à l’aide de TiO2 et de lumière UV, et l’autre permettant un traitement antimicrobien ne nécessitant pas l’utilisation des UV, grâce à des nanoparticules d’argent. Un photoréacteur a ensuite été développé puis caractérisé en évaluant les performances photocatalytiques des mousses activées au TiO2 pour la dégradation de l’acide formique. Ces tests ont mis en évidence le degré de stabilité particulièrement élevé du revêtement photocatalytique, permettant sa réutilisation sur au moins 15 cycles sans perte majeur d’activité, ainsi que la dégradation de l’acide formique et l’élimination d’un mélange de polluants. Le revêtement à base d’argent, réalisé par une voie de fonctionnalisation originale en une seule étape, aété optimisé et testé sur quatre souches pures de micro-organismes pathogènes, placées dans des conditions de croissances optimales. La mousse a démontré sa capacité à éliminer totalement lesmicro-organismes de ces cultures concentrées en 3 à 24 heures. Ce revêtement présente une bonne stabilité, facilitant plusieurs réutilisations de la mousse sans diminution significative de son efficacité. Les mécanismes d’action associés à l’effet antimicrobien ont été évalués, mettant en évidence la capacité de cette mousse à induire un stress oxydatif chez les bactéries, inhibant durablement leur croissance, et conduisant à leur mort. Cette mousse permet ainsi l’abattement des micro-organismes sans utiliser d’UV, Finalement, l'association au sein du même réacteur des deux mousses développées a permis d'atteindre un niveau d'épuration satisfaisant sur des échantillons d’eaux usées réelles. Le système développé propose ainsi une solution efficace pour le traitement de l’eau,et peut être facilement adapté et modulé pour répondre à des besoins spécifiques en fonction de la nature des effluents à traiter