Thèse Procédé Hybride Plasma - Carbone Activé pour l'Élimination des Pfas dans l'Eau Remédiation et Toxicité H/F - 45

Établissement : Université d'Orléans
École doctorale : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
Laboratoire de recherche : GREMI - Groupe de Recherches sur l'Energie des Milieux Ionisés
Direction de la thèse : Olivier AUBRY ORCID 0000000203906946
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Les substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS) sont présentes dans l'ensemble des compartiments environnementaux sont des polluants extrêmement persistants qui s'accumulent principalement dans l'eau et ont des effets délétères. En raison de la stabilité chimique des liaisons C-F, les PFAS sont extrêmement réfractaires à la dégradation et s'accumulent ainsi dans l'environnement avec localement de très fortes concentrations. Il est donc impératif de développer de nouveaux procédés d'élimination de ces molécules plus efficaces que les procédés conventionnels. Une approche innovante et complémentaire consiste à coupler le plasma non thermique à des matériaux carbonés poreux. Ces procédés hybrides se sont montrés efficaces en termes de taux d'élimination et de minéralisation pour le traitement de molécules pharmaceutiques ou d'herbicides. Des résultats préliminaires ont permis de montrer le potentiel du couplage Plasma Non Thermique avec des Carbones Activés, PNT/CA, pour le traitement d'un PFAS cible, le PFOA. Cependant, les résultats obtenus ont mis en évidence une minéralisation incomplète du PFOA et des produits générés conduisant donc à un maintien de composés organiques fluorés dans la solution. Les études biologiques menées sur les solutions traitées ont révélé aussi des effets toxicologiques contrastés. Différents verrous technologiques et scientifiques ont pu être identifiés. Le projet de thèse proposé vise à lever ces verrous par l'optimisation du procédé de couplage PNT/CA pour dégrader différents PFAS en définissant, entre autres, le rôle des espèces actives et du CA et en évaluant l'efficacité du traitement d'un point de vue chimique et toxicologique afin d'obtenir un procédé efficace et sûr pour des matrices et effluents naturels.

Les substances per- et poly-fluoroalkylées (PFAS) détectées dans les eaux de surface, souterraines et potables sont devenues un enjeu majeur de santé publique. En raison de la stabilité chimique des liaisons C-F, les PFAS sont extrêmement réfractaires à la dégradation et s'accumulent ainsi dans l'environnement avec localement de très fortes concentrations. Il est donc impératif de développer de nouveaux procédés d'élimination de ces molécules plus efficaces que les procédés conventionnels (adsorption, osmose...).
Le plasma non thermique (PNT) à pression atmosphérique pour l'élimination des PFAS a été étudié par plusieurs groupes de recherche [1-4]. Il est utilisé comme Procédé d'Oxydation Avancée (POA) permettant de générer O3 mais aussi des espèces à faible durée de vie et à potentiel d'oxydation élevé (HO-, 1O2, O2) et également des espèces azotées (NO2-, NO3-...) sans ajout chimiques externes. Ces procédés plasmas s'avèrent toutefois insuffisants en termes de taux d'élimination et de minéralisation des PFAS. Ils conduisent à la formation d'espèces fluorées avec des chaînes carbonées raccourcies parfois plus toxiques que la molécule initiale.
Une approche innovante consiste à coupler le plasma non thermique à des catalyseurs ou des matériaux carbonés poreux, des carbones activés (CA). Ces procédés hybrides se sont montrés efficaces en termes de taux d'élimination et de minéralisation pour le traitement de molécules pharmaceutiques ou d'herbicides [5,6].
Le GREMI (expert en procédé plasma) en collaboration avec l'ICMN (expert dans les matériaux carbonés) étudie le couplage des carbones activés greffés avec du Fe (CA-Fe) avec les plasmas non thermiques depuis 2020 [6]. Lors de précédents travaux sur le traitement d'herbicides, il a été montré que ce couplage permet d'améliorer la dégradation des herbicides, de diminuer les produits générés et de minéraliser fortement le carbone organique sans phénomène d'adsorption dans les CA greffés de fer., le CA-Fe[BC1.1] jouant alors le rôle de pseudo-catalyseur d'espèces réactives. Ces résultats innovants ont conduit a étudié les couplages PNT/CA appliqués au traitement des PFAS et d'une molécule cible en particulier, le PFOA (C7F15COOH). Les résultats ont montré que le procédé hybride PNT/CA greffés avec du fer peut conduire à une augmentation de l'élimination du PFOA et à une diminution du Carbone Organique Total (COT) en solution. Généralement, même dans le cas de fortes minéralisations (dégradation complète ou presque des molécules organiques) lors des traitements, il peut subsister des composés organiques toxiques qui limitent le développement du procédé de traitement. Peu d'études dans la littérature prennent en compte les effets toxicologiques des molécules produites lors des traitements des polluants dans les eaux de façon générale et encore moins sur les PFAS [7,8]. Aussi, des premières études de toxicité des solutions avant/après traitement ont également été réalisées par le CBM (expert en biologie) en collaboration avec le GREMI et l'ICMN sur les solutions contenant initialement du PFOA. Après la mise au point des tests biologiques, des résultats préliminaires sur la toxicité des solutions traitées par PNT seul, PNT/CA et PNT/CA-Fe ont été obtenus. Les résultats ont montré une augmentation de la prolifération des cellules traitées au PFOA avec dans le même temps une augmentation de la mort cellulaire. Des études complémentaires doivent être réalisées pour mieux comprendre ces résultats et disséquer les mécanismes moléculaires et les voies de signalisation cellulaire impliqués dans ces phénomènes. Selon les conditions de couplage et de durées de traitement, des pics de toxicité sont observés ce qui correspond probablement à la production de composés toxiques.
Cette première étude préliminaire sur le PFOA a permis d'identifier différents verrous que la thèse se propose de lever. Ainsi, l'approche proposée dans ce projet de thèse permettra de guider la mise en oeuvre du procédé plasma couplé à différents carbones activés fonctionnalisés et du choix des conditions opératoires en lien avec les résultats de toxicité obtenus.

Le(la) doctorant(e) travaillera au sein des trois laboratoires impliqués dans le projet, le GREMI, l'ICMN et le CBM. Les laboratoires partenaires sont proches géographiquement, moins de 2 km, il est facile de s'y déplacer de l'un à l'autre au cours d'une même journée.

Le(la) doctorant(e) fonctionnalisera et caractérisera les matériaux carbonés au sein de la plateforme de caractérisation de l'ICMN et les mettra en oeuvre dans les réacteurs plasmas pour le traitement des PFAS, au GREMI. L'effet du traitement sur les caractéristiques (poreuses, chimiques et morphologiques) et la durée de vie des matériaux carbonés sera également étudié à l'ICMN (Dr Benoît Cagnon).
Au GREMI, il(elle) devra effectuer les caractérisations électriques et optiques des décharges et les diagnostics chimiques des solutions traitées en fonction des principaux paramètres opératoires (nature du PFAS ou du mélange de PFAS, caractéristiques du CA en termes de propriétés texturales et de chimie de surface, débits et nature des gaz injectés...).

Il(elle) réalisera les études de toxicité au CBM (Dr Béatrice Vallée) sur différentes lignées cellulaires avant et après traitement dans différentes conditions de traitement. Les études biologiques pourront être réalisées en parallèle du travail réalisé au GREMI et à l'ICMN. En fonction des résultats biologiques obtenus, des expériences complémentaires seront réalisées pour comprendre les mécanismes cellulaires et moléculaires associés aux réponses observées.

Le/la doctorante(e) devra donc travailler en étroite collaboration avec les personnels des laboratoires associés aux projets. Il/elle devra donc savoir communiquer, être à l'écoute des besoins et savoir partager ses résultats.