Déchloration catalytique du 1,2

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11883 (2023) Citer cet article

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La réduction catalysée en phase aqueuse des contaminants organiques via des nanoparticules de cuivre zérovalentes (nCu0), couplées au borohydrure (donneur d'hydrogène), a donné des résultats prometteurs. Jusqu'à présent, la recherche sur le nCu0 en tant que traitement curatif s'est principalement concentrée sur l'efficacité de l'élimination des contaminants et les mécanismes de dégradation. Notre étude a examiné les effets du rapport Cu0/Cun+, de l'empoisonnement de surface (présence de chlorure, de sulfures, d'acide humique (HA)) et de la régénération des sites Cu0 sur la déchloration catalytique du 1,2-dichloroéthane (1,2- DCA) via nCu0-borohydrure. La microscopie électronique à balayage a confirmé la taille nanométrique et la forme quasi-sphérique des particules nCu0. La diffraction des rayons X a confirmé la présence de Cu0 et Cu2O et la spectroscopie photoélectronique aux rayons X a également fourni les rapports Cu0/Cun+. Des expériences de réactivité ont montré que nCu0 était incapable d'utiliser le H2 du borohydrure restant lors de la synthèse de nCu0 et, par conséquent, un borohydrure supplémentaire était essentiel pour la déchloration du 1,2-DCA. Le lavage des particules de nCu0 a amélioré leur rapport Cu0/Cun+ (1,27) et 92 % du 1,2-DCA a été éliminé en 7 h avec kobs = 0,345 h−1 contre seulement 44 % pour le nCu0 non lavé (0,158 h−1) avec Cu0. Rapport /Cun+ de 0,59, en présence de borohydrure. La présence de chlorure (1 000 à 2 000 mg L−1), de sulfures (0,4 à 4 mg L−1) et d'HA (10 à 30 mg L−1) a supprimé la déchloration du 1,2-DCA ; qui a été amélioré par du borohydrure supplémentaire probablement via la régénération des sites Cu0. L'enrobage des particules a diminué leur efficacité de déchloration catalytique. 85 à 90 % du 1,2-DCA éliminé a été récupéré sous forme de chlorure. Le chloroéthane et l'éthane étaient les principaux produits de déchloration, indiquant que l'hydrogénolyse était la voie principale. Nos résultats impliquent que les paramètres de synthèse et les solutés des eaux souterraines contrôlent l’activité catalytique du nCu0 en modifiant ses propriétés physico-chimiques. Ainsi, ces facteurs doivent être pris en compte pour développer une conception corrective efficace pour les applications pratiques du nCu0-borohydrure.

Le 1,2-dichloroéthane (1,2-DCA, C2H4Cl2) est un composé organique volatil chloré (COVc) qui a de nombreuses applications industrielles, notamment la synthèse du monomère de chlorure de vinyle1. Sa contamination souterraine généralisée constitue une grave menace pour les ressources en eau et la santé humaine dans le monde entier. Aux États-Unis seulement, une contamination au 1,2-DCA a été constatée dans 585 sites de la liste des priorités nationales. Il peut avoir des effets néfastes sur la santé, notamment une insuffisance circulatoire et respiratoire, des troubles neurologiques et est probablement cancérigène pour l'homme1.

Au cours des deux dernières décennies, le fer zérovalent à l’échelle nanométrique (nZVI) et ses formulations modifiées sont devenus une technologie prometteuse d’assainissement du sous-sol en raison de leur facilité d’application sur le terrain et de leur capacité à dégrader un large éventail de contaminants2,3,4,5. Cependant, ces formulations n’ont pas pu dégrader de nombreux COVc, notamment le 1,2-DCA6,7,8,9. Comme alternative, il a été démontré que la réduction catalytique en phase liquide via de l'hydrogène activé (H2) sur une surface de nanocatalyseur (par exemple cuivre, palladium) dégrade efficacement ces contaminants10,11,12,13,14,15,16,17. Le mécanisme proposé pour la réduction catalytique des COVc implique que le catalyseur active le H2, chimisorbé à sa surface, en un réducteur robuste (H*) qui réduit ensuite les molécules de COVc adsorbées de manière dissociative sur les sites adjacents (équations 1-2)10,16,18. .

Le borohydrure (BH4−), capable de générer du H2 par hydrolyse (équation 3), a été testé avec succès en combinaison avec des nanométaux pour dégrader de manière réductrice un large éventail de contaminants11,14,15,16,17,19,20,21,22. ,23,24,25,26. De plus, le BH4− est souvent ajouté en excès pour la synthèse des nanométaux et le borohydrure résiduel est injecté dans le sous-sol avec la boue nZVI lors du traitement des eaux souterraines. Notre précédente étude à l’échelle du laboratoire a démontré une utilisation efficace du borohydrure résiduel, issu de la synthèse du nano palladium (nPd0), comme source de H2 pour une déchloration réussie du 1,2-dichloréthane (1,2-DCA) catalysée via le nPd011. Cela élimine le besoin de borohydrure supplémentaire.