In order to remediate the very poor mineralization of paracetamol in water, even when well degraded by using a Non-Thermal Plasma (NTP) process at a very low dissipated power, a plasma-catalyst coupling process was tested and investigated. A homemade glass fiber supported Fe³⁺ catalyst was immersed in the liquid to be treated in a Dielectric Barrier Discharge plasma reactor. The plasma-catalysis process, at the same low dissipated power, achieved a mineralization rate of 54% with a full conversion rate of paracetamol at 25 mg L⁻¹ in initial concentration after 60 min treatment, thanks to Fenton-like effects. The synergetic effects of the plasma-catalysis coupling process also improved the Energy Yield by a factor of two. The catalyst before and after use for treatment was characterized by Brunauer-Emmett-Teller and Thermogravimetric analysis. High-Performance Liquid Chromatography was used to measure the concentration of treated solution and to investigate the intermediates. Two of them, namely 1,4-hydroquinone and 1,4-benzoquinone, were formally identified. Some intermediates are presented in this paper as a function of treatment time and their UV absorbance spectra. NTP processes with and without catalyst coupling were compared in terms of acidity, conductivity, and nitrate concentrations in the treated solution.

Le travail de cette thèse vise à étudier un procédé hybride pour le traitement de molécules organiques dans l’eau. Il s’agit du procédé Plasma Non Thermique (NTP) couplé à la catalyse hétérogène de type (Fenton-like). Le paracétamol est utilisé comme la molécule modèle pour cette étude. Deux configurations différentes de réacteur plasma de type Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) ont été utilisées : (i) un réacteur multipointes-plan en mode statique ; (ii) un réacteur coaxial tubulaire avec écoulement de la solution à traiter. Afin d’évaluer la synergie entre les deux procédés (plasma et catalyse), les traitements ont été appliqués séparément puis couplés. Les effets synergiques du procédé couplé plasma-catalyse ont été démontré en termes de taux de dégradation, de rendement énergétique et également en termes de la minéralisation de polluant, correspondant à une diminution de la charge organique de la solution avec la conversion du carbone organique en carbone inorganique. La première partie du travail réalisée avec le réacteur multipointes-plan a permis d’établir le rôle efficace du couplage plasma-catalyse en comparaison avec le procédé de plasma seul. En effet, en couplage, une minéralisation de 54 % a été atteinte après traitement de 60 minutes et que le rendement énergétique est augmenté d’un facteur de deux, réduisant ainsi le coût du traitement. Les travaux réalisés sur le réacteur coaxial ont permis d’étudier l’effet de nombreux paramètres sur le couplage plasma-catalyse comme la composition du gaz injecté, du débit de gaz et de liquide, la position du catalyseur par rapport à la décharge plasma, etc. Nous avons ainsi pu montrer l’intérêt de travailler dans un gaz riche en oxygène sur les cinétiques de dégradation et de minéralisation ainsi que le rôle de la puissance électrique appliquée sur les mécanismes d’oxydation. Par exemple, il a été possible d’obtenir une minéralisation de 70 % après 90 min de traitement sous air alors que sous O₂/N₂ (80/20 sccm), la minéralisation atteignait 95 %. La stabilité du catalyseur a également été étudiée en termes de minéralisation après plusieurs réutilisations du catalyseur. Nous avons également démontré le rôle du radical hydroxyle (·OH) sur le traitement avec l’utilisation de piégeurs de radicaux. Effectivement, en présence du méthanol, consommateur des radicaux hydroxyles, une diminution de la dégradation de près de de 50 % a été obtenue et aucune minéralisation n’a été observée.