Différentes architectures de PACMs

Les architectures de pile sont présentées dans cette section qui ne fait pas une revue exhaustive de tous les dispositifs qui ont été décrits dans la bibliographie.

I.3.7.1. PACMs à deux compartiments

Un système à deux compartiments consiste en un compartiment anodique et un compartiment cathodique séparés par un séparateur, par exemple une membrane échangeuse d’ions ou un pont salin. Outre la migration ionique, le séparateur doit aussi éviter la diffusion de l’oxygène vers l’anode. Du et al. (2007) dans une revue ont listé cinq formes de PACMs à deux compartiments (Du et al 2007).

Le premier système de PACM a été présenté en 1993 par Allen et Benetto. Il comporte deux électrodes de carbone séparées par une membrane comme schématisé sur la

Figure 10.

Figure10: PACM à deux compartiments de forme rectangulaire schématisé par Du et al, 2007 et adapté de Allen et Benetto, 1993.

Ringeisen et al ont présenté une pile à deux compartiments avec un design miniaturisé (Figure 11) ayant permis d’atteindre de fortes densités de puissance jusqu’à 3 W/m2 ou 500 W/m3. Cette pile est constituée d’électrodes de carbone vitreux de 2 cm2 de surface avec 2 cm3 de volume utile pour chaque compartiment. Elle est inoculée à l’anode par une culture pure de S. oneidensis et utilise du lactate comme substrat. La cathode utilise une solution de 100 mM de ferricyanure. Les auteurs pensent que ces systèmes peuvent êtres utiles pour l’alimentation des capteurs autonomes pendant des opérations longues dans des régions peu accessibles (Ringeisen et al. 2006).

Figure11: PACM miniaturisée à deux compartiments (Ringeisen et al. 2006).

Une PACM à deux compartiments en forme de H a été présentée pour la première fois par Min et al. (Min et Logan 2004; Min et al. 2005a). Elle consiste en deux flacons en verre connectés par un tube équipé en son milieu d’un séparateur (Figure 12).

Figure 12: PACM à deux compartiments en forme de H (Min et Logan 2004; Min et al. 2005a).

Ces systèmes ne sont acceptables que pour une recherche basique sur les paramètres des PACMs comme par exemple pour tester la puissance produite par de nouveaux matériaux ou de nouvelles communautés microbiennes car si la surface des électrodes est trop importante, la puissance délivrée par la pile est limitée par la faible surface de la membrane séparatrice (Logan et al. 2006).

He et al ont présenté deux designs de PACMs à deux compartiments (2 tubes en plexiglass) adaptés pour la recirculation et donc pour le traitement d’effluents (Figure 13).

A B

Figure 13: PACMs à deux compartiments de formes cylindriques configurées pour la recirculation A: membrane inclinée à 15° (He et al. 2005), B: cathode en U (He et al. 2006)

Dans le cas du design A, les électrodes sont en carbone vitreux avec un degré de vide élevé pour éviter l’encrassement. La membrane est placée entre les 2 compartiments avec un angle de 15° par rapport à l’horizontale pour prévenir l’accumulation des bulles de gaz. Le bioréacteur est alimenté en continu avec un débit de 0,37 mL/min donc un temps de rétention hydraulique (TRH) de 24 h avec une solution de sucrose (0,25 à 1 g/L) à l’anode et une solution de 100 mM d’hexacyanoferrate à la cathode. Ce système a atteint des densités de puissance de 170 mW/m2 avec un maximum de rendement faradique de 8,1%. Le rendement faradique est la proportion de substrat qui est intervenu dans la production de courant par rapport à la quantité de substrat totale présente dans le milieu.

Dans le cas du design B, une cathode en forme de U est incorporée dans l’anode. Les deux électrodes sont en granules de carbone activées. Des boues anaérobies issues d’une usine de traitement d’effluent de brasserie sont utilisées comme inoculum. Le bioréacteur est alimenté en continu à 0,5 mL/min donc un TRH de 6 h avec du sucrose (0,125 à 0,833 g/L) comme substrat. Des densités de puissance maximales de 29,2 W/m3 ont été atteintes avec un rendement faradique variant de 5,1 à 10,6 % en fonction du débit d’alimentation.

Ces deux systèmes sont dits adéquats pour le traitement d’effluents car ils sont faciles à mettre en œuvre. L’énergie nécessaire pour pomper les effluents étant plus grande que la puissance qu’ils produisent, leur fonction primaire est donc le traitement d’effluents plutôt que la production d’énergie (Du et al. 2007). Toutefois, vu la faiblesse des rendements faradiques on peut s’interroger sur l’efficacité du système. Les auteurs ne donnent pas d’explications à ces faibles rendements faradiques mais nous pouvons supposer que la complexité du substrat et de l’inoculum peuvent le justifier. La majorité du substrat

facilement biodégradable intervenant alors dans l’anabolisme4 et une autre grande proportion étant non facilement biodégradable. On peut en outre craindre que la croissance du biofilm autour des granules qui constituent les électrodes ne finisse par diminuer drastiquement la conductivité de l’électrode. Enfin, il est peu probable qu’une grande profondeur d’électrode soit utile de part et d’autre de la membrane vu la faible conductivité des effluents.

I.3.7.2. PACMs à un compartiment

Du fait de la difficulté de mise en œuvre des PACMs à deux compartiments, les PACMs avec cathode à air présentent de nombreux avantages sur le plan pratique:

aucune énergie n’est nécessaire pour l’aération à la cathode;

aucun recyclage ou régénération chimique des produits du catholyte n’est utile puisque la réduction de l’oxygène produit de l’eau;

ce système permet des designs de piles simples donc à bas coût;

enfin, des cellules de petit volume permettent d’atteindre facilement des valeurs élevées de puissances volumiques.

Ces deux derniers avantages, cités dans la bibliographie (Fan et al. 2007b), sont toutefois discutables. D’une part le coût de la cathode peut être élevé, d’autre part on sait que en extrapolant un procédé à grande échelle, l’on pourrait perdre en performances.