Thèse Physico-Chimie des Ondes d'Ionisation de Surface Sous Champ Électrique Intense Application à la Dégradation des Pfas et au Traitement des Eaux H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas
Direction de la thèse : Pierre TARDIVEAU ORCID 0009000834409695
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Ce programme de thèse vise à améliorer la compréhension des interactions plasma-liquide pour développer de nouveaux concepts et procédés pour la dépollution de l'eau, en ciblant les molécules poly et per-fluoroalkylées (PFAS) persistantes dans l'environnement en raison de leurs liaisons carbone-fluor ultra-résistantes (~5 eV). Les décharges électriques à forte surtension générant des champs électriques et des volumes plasmagènes importants à pression atmosphérique sont d'excellents candidats pour imaginer des procédés de dégradation des PFAS efficaces, propres et innovants.
Malgré la démonstration de l'efficacité des plasmas hors-équilibre pour dégrader ces composés, leur application industrielle est limitée par trois obstacles : 1) la méconnaissance des mécanismes de dégradation, 2) la difficulté à identifier tous les sous-produits en phases gaz et liquide, et 3) les défis liés au traitement de grands volumes.
Le projet propose une approche combinant expérimentations comparatives et diagnostics avancés. Il s'appuiera également sur des résultats de modélisation obtenus par l'équipe de M. Kushner de l'Université du Michigan. Les objectifs sont de comprendre le transfert d'espèces réactives à l'interface plasma-liquide, d'identifier les mécanismes de dégradation d'une molécule modèle (le PFOS), et de caractériser les sous-produits, surtout en phase gaz.
Deux types de décharges seront étudiés : une décharge en phase gaz, permettant de contrôler le flux d'espèces réactives (O, HO, NO) et d'isoler l'effet du rayonnement UV via des filtres, et une décharge de surface, où les espèces sont générées directement à la surface avec un rayonnement UV et des densités de radicaux plus importantes. La polarité de la tension permettra de moduler les propriétés électroniques dans la gaine de champ électrique.
La méthodologie inclut la caractérisation du rayonnement UV-vis, de la densité électronique et du champ électrique par spectroscopie d'émission, l'ajout contrôlé de PFOS, et l'analyse des sous-produits en phase gaz (spectroscopie de masse B-TRAP) et liquide (collaboration avec
le LSPM). L'objectif est d'établir un bilan du fluor atomique, dont 50 % reste encore non caractérisé après traitement.

Les molécules poly et per-fluoroalkylées (PFAS), désormais omniprésentes dans l'environnement, représentent un risque majeur pour la santé humaine et l'environnement. Elles sont caractérisées par des chaînes carbone-fluor (C-F) dont la force de la liaison (~5eV) empêche leur dégradation naturelledans l'environnement. Bien que les plasmas soient considérés comme l'une des technologies les plus efficaces de dégradation de ces molécules surfactantes (qui s'accumulent à la surface du liquide), leur traitement industriel est freiné par 1)la méconnaissance des mécanismes de dégradation de ces molécules par plasma,2) la difficulté à caractériser l'ensemble des sous-produits de dégradation en phase gaz et en phase liquide, 3) la difficulté à traiter de grands volumes liquides. Le programme de thèse propose une approche basée sur la mise en oeuvre de protocoles expérimentaux comparatifs et l'application de diagnostics avancés. Des aspects de modélisation seront également assurés par une collaboration entre l'EM2C et l'Université du Michigan, portant à la fois sur la simulation de décharges en interaction avec des liquides et les mécanismes de dégradation des PFAS. Une autre collaboration envisagée avec le LSPM pourra permettre de caractériser une grande majorité des sous-produits de dégradation. L'approche envisagée, combinant expérimentation et simulation constituera donc un environnement favorable à l'avancée de ces procédés et au bon déroulement de la thèse.

Ce programme de thèse vise à améliorer la compréhension des interactions plasma-liquide pour optimiser les procédés de dépollution de l'eau par plasma. Les objectifs sont de 1/ comprendre le transfert d'espèces réactives à une interface plasma-liquide, 2/ identifier des mécanismes de dégradation d'une molécule représentative des PFAS, 3/ identifier les sous-produits de dégradation, en particulier en phase gaz.

La méthodologie consiste à comparer deux décharges aux propriétés choisies pour pouvoir découpler certains mécanismes physico-chimiques. La 1ère décharge est générée en phase gaz et pourra être mise en contact ou non avec une surface liquide. Elle est caractérisée par une production plus importante d'espèces réactives stables (O3, H2O2(g), NOx), par des mécanismes de recombinaison en phase gaz, et le flux d'espèces de courte et longue durée de vie arrivant à la surface peut être contrôlé par la distance entre la décharge et la surface. L'effet du rayonnement UV-vis peut également être isolé par l'insertion de filtres. La deuxième décharge, est une décharge de surface, où les espèces sont directement créées à la surface : l'effet du rayonnement UV et des espèces radicalaires à courte durée de vie est beaucoup plus important. D'autre part, les décharges de surface sont caractérisées par la formation d'une gaine de champ électrique très intense favorisant a priori une cinétique de haute énergie. En fonction de la polarité, il est de plus possible de modifier les propriétés électroniques dans la gaine, accélérant les électrons soit vers la phase gaz en polarité positive, soit vers la surface en polarité négative. Nous prévoyons donc, dans un premier temps, une caractérisation fine du rayonnement UV-vis, de la densité électronique et du champ électrique dans ces décharges par spectroscopie d'émission (calibrée en intensité pour le rayonnement). Dans un deuxième temps, une molécule modèle, le PFOS (perfluorooctanesulfonic acid) sera ajoutée en quantité contrôlée au liquide et des analyses de sa dégradation seront réalisées avec chacune de ces décharges. Des analyses par spectroscopie de masse (B-TRAP) permettront d'identifier les sous-produits de dégradation en phase gaz. L'analyse des sous-produits en phase liquide se fera en collaboration avec le LSPM qui travaille sur ces même thématiques. L'objectif est d'établir un bilan de fluor atomique (pour l'instant, la forme sous laquelle se présente ~50 % du fluor après traitement n'est pas connue dans ce type de procédé).