Projet ANR-13-CDII-0003 – PRUMOS : Microréacteurs photocatalytiques utilisant des oxydes métalliques semi-conducteurs sensibilisés par quantum dots à base de CuInS2
Programme : Chimie Durable – Industries, Innovation (CD2I) 2013
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur DIDIER ROBERT (Institut de Chimie et Procédés pour l’Energie, l’Environnement et la Santé)
Partenaires : Institut de Chimie et Procédés pour l'Énergie, l'Environnement et la Santé; Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse; Laboratoire Réactions et Génie des Procédés
Montant : 391653.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 42 mois
Résumé : Les substances médicamenteuses, en particulier celles contenues dans les effluents hospitaliers, constituent un nouveau type de pollution de l'environnement et de risques possibles pour la santé des consommateurs. C'est le cas de certains anticancéreux qui même à très faibles doses peuvent aussi causer le cancer. C’est l'une des menaces de la chimiothérapie moderne. Parmi les différentes méthodes récemment mises au point pour éliminer ces substances dans l'eau, la photodégradation constitue une méthode nouvelle et alternative. Cependant, les techniques disponibles à ce jour sont généralement onéreuses en raison des coûts d'exploitation élevés et pas toujours opérantes. Ainsi, de nouveaux systèmes de traitement de l'eau plus efficaces doivent être étudiés. La dégradation photocatalytique de polluants organiques en présence d'oxydes métallique tel que le TiO2 a été étudié au cours des dernières années pour résoudre les problèmes environnementaux, en minéralisant les contaminants émergents persistants. Des systèmes de réacteurs photochimiques commerciaux peuvent être utilisés en recirculation pour le traitement de l'eau contaminée pour des volumes limités. Toutefois, en raison de leur rapport surface/volume élevé, les catalyseurs de taille nanométrique ont tendance à s'agréger au cours de la photolyse, ce qui entraîne une diminution de la surface active et donc de la photoactivité. La séparation et la régénération des photocatalyseurs est également un enjeu majeur pour l'application dans des procédés catalytiques. L'inconvénient majeur de catalyseurs immobilisés est leurs faibles surfaces actives. Les avantages des microréacteurs dans des réactions catalytiques ont été largement démontrés. Ils sont fondés sur un  grand rapport surface/volume, des distances de diffusion faibles et un transfert de masse efficace et rapides. Les réactions photochimiques en microréacteurs bénéficient d’une plus grande homogénéité au niveau de l’éclairage et d’une meilleure pénétration de la lumière dans la totalité du réacteur par rapport aux réacteurs à plus grandes échelles.
Actuellement, l'efficacité photocatalytique de TiO2 est encore relativement faible à cause de la recombinaison rapide des porteurs de charges photoinduits. Un des moyens de pallier à cet inconvénient est d'associer un second semi-conducteur à bande étroite, utilisé comme sensibilisateur. Le rôle de celui ci, (en général des quantum dost QDs), est d'avoir une séparation des charges plus efficace et de les empêcher de se recombiner trop rapidement. Les QDs de CdS, CdSe, CdTe peuvent être associés au TiO2 afin d'étendre son activité dans le domaine du visible. Malgré leurs propriétés optiques intéressantes, de semi-conducteurs à base Cadmium doivent être écartées en raison de leurs toxicités. Le composé CuInS2 constitue une alternative intéressante en raison de son fort coefficient d'absorption, de la faible énergie de sa bande interdite (1,45 eV actif sous le soleil), de sa stabilité à long terme et de sa faible toxicité L'objectif clé de ce projet est de démontrer qu’un nouveau concept des réactions photocatalytiques liquide-solide et faisable. Il consiste à réaliser les réactions photocatalytiques sur microréacteur avec écoulement de la solution à traitée dans des microcanaux dont les parois sont recouverts d'une couche mince du catalyseur. Les microcanaux seront illuminé par de la lumière visible afin d’initier la réaction photocatalytique. La molécule modèle qui a été choisi pour évaluer les performances de CuInS2-TiO2 sur microréacteur est l'ifosfamide. C’est un agent alkylant utilisé dans le traitement de nombreuses tumeurs que l'on retrouve freéquement dans les eaux usées des hôpitaux.Un modèle cinétique très précis de la dégradation de l'ifosfamide sera développé. Ce modèle sera basé sur les constantes de vitesse apparentes et d'adsorption. La dynamique des fluides computationnels (CFD) sera utilisée pour élaborer un modèle de flux de fluide dans des microcanaux.