Études de l'oxydation du phénol et du crésol par l'oxydation électrochimique avancée en milieu homogène : application au traitement d'un effluent réel de l'industrie aéronautique, Oxidation of phenol and cresol by electrochemical advanced oxidation method in homogeneous medium : application to treatment of a real effluent of aeronautical industry

Université Paris-Est Marne-La-Vallée
Institut Francilien des Sciences Appliquées (IFSA)
Laboratoire Géomatériaux et Géologie de l'Ingénieur

THÈSE
pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Paris-Est Marne-la-Vallée

Spécialité : Sciences et Techniques de l'Environnement

présentée et soutenue publiquement par


Marcio PIMENTEL
le 24 septembre 2008


Etudes de l'oxydation de phénol et crésols par l'oxydation
électrochimique avancée en milieu homogène. Application au
traitement d'effluent de l'industrie aéronautique

Phenol and cresols treatment in aqueous solution by electro-Fenton process:
Application to the mineralization of aeronautic wastewater industry.


Directeur de thèse : Prof. Mehmet A. OTURAN

Jury:
Président: Prof. Jean Guillaume EON Université Fédérale de Rio de Janeiro
Rapporteurs: Dr. Maurice MÉDEBIELLE Université Lyon 1
Prof. Geraldo Lippel SANT´ANNA JR. Université Fédérale de Rio de Janeiro
Examinateurs: Prof. Márcia W. Carvalho DEZOTTI Université Fédérale de Rio de Janeiro
Dr. Nihal OTURAN Université Paris-Est Marne-la-Vallée
Prof. Tito Livio Moitinho ALVES Université Fédérale de Rio de Janeiro

© UMLV
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Remerciements

Cette thèse a été réalisée par une co-tutelle entre l’Université Féderal de Rio de Janeiro et
l'Université Paris-Est de Marne-La-Vallée au laboratoire des Géomatériaux et Géologie de
l'Ingénieur au sein de l’équipe chimie de l'environnement avec le financement de l’Armée de l’Air
Brésilienne.

Je remercie l’Armée de l’Air Brésilienne par la confiance qui m'a été accordée.

Je tiens à dire un grand merci à Mehmet A. Oturan, Professeur à l'université de Marne-la-Vallée,
pour les conseils précieux, ses commentaires et tout aide qu'il m'a apporté au cours de ce travail.

Je tiens à dire merci aussi à Marcia Dezotti, Professeur à l’Université Fédérale de Rio de Janeiro,
pour les conseils et l'aide qu'il m'a apporté au cours de ce travail.

Je remercie très chaleureusement Nihal Oturan pour toute l'aide qu'elle m'a apportée pour mes
expériences.

Un grand merci à mon épouse Marcela pour son amour et patience pendant tout ce temps.

Je voudrais également remercier toute l'équipe du laboratoire Géomatériaux, surtout les thésards
et stagiaires, pour leur bonne humeur, leurs histoires et, particulierment, les commentaires sur
football pendant les pauses. Merci à Beytül, Nacho, Samiha, Mababa, Aida, Mustapha, Minir. Vous
étiez là quand j'en avais besoin et même pour les autreschoses.

tel-00481961, version 1 - 7 May 2010 iii

Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the
degree of Doctor of Science (D. Sc.)



Phenol and cresols treatment in aqueous solution by “electro-fenton” process:
Application to the mineralization of aeronautic wastewater industry.


Marcio Antonio da Silva Pimentel

September/2008


Advisors: Mehmet A. Oturan
Márcia Walquíria de Carvalho Dezotti

Department: Chemical Engineering

The present work verified the efficiency of electro-Fenton to destroy phenolic compounds
present in Stripping Aircraft Wastewater. This research aimed to elucidate the influence of the
catalyst nature, its concentration and of electric current density in efficiency of electro-Fenton
process using an indivisible cell with a carbon felt cathode and platinum or borod doped diamond
anodes. The experiments compared the effect of these variables to destroy phenol, cresols and
their intermediates. The compounds and many intermediates formed were identified in High
Perfomance Liquid Chromatograph and allowed obtaining apparent and/or absolute constants and
simplified degradation mechanisms. In optimum conditions, measures of Total Organic Carbon
showed high mineralization rates. At the end, the application of electro-Fenton process to high
organics loads of real Stripping Aircraft wastewater allowed obtaining almost complete
mineralization replacing Pt anode by Boron Doped Diamond.


Key words: degradation, phenol, cresols, electro-Fenton.
tel-00481961, version 1 - 7 May 2010 iv
SUMMARY

INTRODUCTION............................................................................................................................................................. 11
CHAPTER I: BIBLIOGRAPHICAL REVIEW.................................................................................................................. 14
1.1 AIRCRAFT EFFLUENT CHARACTERIZATION ............................................................................................................. 15
1.2 TREATMENT TECHNIQUES TO REMOVE PHENOL AND CRESOLS ............................................................................... 21
1.2.1 Biological Processes.................................................................................................................................. 21
1.2.2 Conventional Physico-Chemical Processes.............................................................................................. 22
1.2.2.1 Activated Carbon Absorption ..................................................................................................................................... 23
1.2.2.2 Chemical precipitation................................................................................................................................................ 23
1.2.2.3 Conventional chemical oxidation............................................................................................................................ 23
1.2.3 Advanced Oxidative Processes (AOPs).................................................................................................... 24
1.2.3.1 Conventional AOPs.................................................................................................................................................... 24
1.2.3.2 Electrochemical Advanced Oxidation Processes ....................................................................................................... 28
1.3 INFLUENTIAL PARAMETERS IN THE ELECTRO-FENTON PROCESS............................................................................. 37
1.3.1 Electrode nature ........................................................................................................................................ 37
1.3.2 pH .............................................................................................................................................................. 38
1.3.3 Nature and Catalyst Concentration ........................................................................................................... 39
1.3.4 Effect of the medium.................................................................................................................................. 40
1.3.5 Electrolytes ................................................................................................................................................ 41
1.3.6 Dissolved Oxygen concentration ............................................................................................................... 42
1.3.7 Current Density.......................................................................................................................................... 43
1.3.8 Temperature .............................................................................................................................................. 45
1.3.9 Transport Phenomena............................................................................................................................... 45
CHAPTER II: MATERIALS AND METHODES .............................................................................................................. 48
2.1 CHEMICAL PRODUCTS ......................................................................................................................................... 49
2.2. SOLUTIONS PREPARED........................................................................................................................................ 49
2.3. ANALYTICAL TECHNIQUES.................................................................................................................................... 50
2.3.1 High performance liquid chromatography (HPLC) .................................................................................... 50
2.3.2 Total Organic Carbon (TOC) ..................................................................................................................... 50
2.4 ELECTROCHEMICAL REACTOR.............................................................................................................................. 51
2.5