Méthodes de caractérisation des PACMs

La puissance (P) délivrée par une PACM s’exprime classiquement:

UI

P= _{Équation 26}

Avec: U: tension de la cellule ;

I: courant

ext R

U I =

Équation 27

En combinant les Équations 26 et 27,

ext R U P 2 = Équation 28

La puissance peut être exprimée par unité de surface projetée d’électrode (anode ou cathode), on parle alors de densité surfacique de puissance exprimée en W/m2.

Afin de comparer la valeur obtenue par une PACM avec celles obtenues par d’autres systèmes non électrochimiques, la puissance est parfois normalisée par rapport au volume total du réacteur, on parle dans ce cas de densité volumique de puissance exprimée en W/m3. Cette démarche n’a aucune valeur scientifique, dans la mesure où les procédés électrochimiques sont par essence des procédés hétérogènes. Les vitesses sont proportionnelles aux surfaces d’électrode (sauf dans le cas extrême des ultra-microélectrodes) et n’ont aucune corrélation directe avec le volume du réacteur. L’utilisation de puissances volumiques doit être réservée aux travaux de génie électrochimique qui veulent comparer la compacité de différentes architectures de réacteurs. Dans le cas des PACMs, utiliser une puissance volumique avec des cellules de laboratoire de quelques centaines de millilitres, dans lesquelles trempent des électrodes de quelques centimètres carrés, n’a pas de justification.

Le tracé de la puissance et de la tension délivrée par une pile en fonction du courant permet d’évaluer la valeur maximale de la puissance que peut atteindre une pile (Figure 20). Ce tracé est effectué en connectant les électrodes de la PACM au-travers d’une résistance externe dont la valeur varie. Plus la résistance est élevée, plus la résistance au transport des électrons de l’anode à la cathode est grande (Li et al. 2010). Un nombre important d’études utilisent une résistance de 1000 ohm pour faire débiter la pile sur de longues périodes (Wang et al. 2010).

Figure 20: Courbes de densité de puissance et de tension en fonction du courant (EG&G Technical Services, Inc. 2004, vol. 880)

I.3.11.2. Les courbes de polarisation

Les courbes de polarisation tracées pour chacune des électrodes permettent de corréler le fonctionnement de la PACM à la cinétique des électrodes. On trace à faible vitesse de balayage le courant qui traverse la pile en fonction du potentiel de chaque électrode mesuré par rapport à une électrode de référence (Figure 21). Ce tracé peut être effectué à l’aide d’un potentiostat ou simplement en faisant débiter la pile à travers des résistances électriques externes de différentes valeurs. Les valeurs de potentiels et de courant sont enregistrées pour chaque résistance lorsque le système atteint un état pseudo-stationnaire, état qui s’établit généralement après quelques minutes en fonction du système et de la valeur de la résistance utilisée.

I.3.11.3. Le rendement faradique

Le rendement faradique est défini comme le rapport de la quantité d’électricité totale (Coulomb) transférée à l’anode (Qp), calculée en intégrant le courant par rapport au temps, sur la quantité d’électricité disponible dans le substrat (Qt). Le rendement faradique d’une PACM dépend des micro-organismes responsables de l’oxydation, de la nature du carbone organique servant de combustible et de toutes les réactions alternatives qui consomment ce carbone organique (Franks et Nevin 2010). Des processus tels que la respiration aérobie et anaérobie, la croissance de la biomasse ou la formation d’intermédiaires réactionnels issus de la fermentation peuvent réduire le rendement faradique (Huang et Logan 2008b).

100 (%)= × t p Q Q Rf Équation 29 Avec: =

∫

Dans le cas d’un substrat simple

nFCV idt M Rf t i

∫

Dans le cas du traitement d’effluent la matière organique disponible est mesurée en termes de demande chimique en oxygène (DCO) et le rendement faradique est calculé à partir de la DCO éliminée: DCO nFV idt M Rf t i ∆ =

∫

Avec Mi: masse molaire du substrat (g/mol)

n: nombre d’électrons échangés au cours de la réaction (mol e-/mol) F: constante de Faraday (C/mol e-)

∆DCO: variation de la DCO en entrée et à la sortie du réacteur (g/L) Dans le cas du traitement d’effluent, Mi = 32 g/mol d’O2, et donc ∆DCO s’exprime en

g équivalent O2/L.

I.3.11.4. La relation entre le potentiel d’anode et le métabolisme microbien (Schroder 2007; Aelterman et al. 2008; Pham et al. 2009).

L’anode d’une PACM est l’accepteur final d’électrons issus de l’oxydation microbienne des substrats organiques. Son potentiel détermine l’énergie théorique disponible pour les bactéries (Aelterman et al. 2008). Le potentiel de l’anode est un facteur important qui contrôle la croissance des micro-organismes et leur activité électrochimique. D’un point de vue thermodynamique, le potentiel de l’anode détermine le potentiel minimal auquel les transporteurs finaux d’électrons de la bactérie pourront évacuer les électrons, il peut donc déterminer la voie métabolique qui sera utilisée pour le transfert des électrons par la bactérie. En effet, les micro-organismes sont souvent capables d’ajuster leur système redox pour l’adapter au potentiel disponible à l’anode ou encore la communauté microbienne peut changer en s’enrichissant en espèces capables d’évacuer leurs électrons au potentiel de l’anode. Les communautés microbiennes des bioanodes sont dynamiques et les réactions électrochimiques en partie contrôlées par le potentiel anodique.

L’énergie théorique gagnée de l’oxydation de la matière organique par les micro- organismes peut être calculée par:

) ( 0 0 0 accepteur donneur E E nF G =− − ∆ Équation 34

Avec ∆_G0_{: variation d’enthalpie libre dans les conditions standards,}

n: nombre d’électrons échangés au cours de la réaction, F: constante de Faraday

E0: potentiels standards dont les valeurs de quelques couples redox sont données dans le Tableau 2.

Cette énergie est donc fonction de la nature du substrat mais aussi du potentiel de l’anode. Plus la différence entre le potentiel redox du substrat et celui de l’anode est importante, plus le gain d’énergie possible pour les bactéries est grand. Lorsque le potentiel imposé à l’anode devient trop faible en présence d’autres accepteurs d’électrons tels que les sulfates ou les nitrates, les électrons sont évacués préférentiellement vers ces molécules. Par contre, si aucun autre accepteur d’électrons n’est présent dans le milieu, le processus prépondérant d’évacuation des électrons devient la fermentation. Dans l’un ou l’autre cas, les électrons ne sont plus injectés vers l’anode (Rabaey et Verstraete 2005; Logan et al. 2006).

Les micro-organismes qui composent les biofilms électro-actifs sont souvent appelés «biocatalyseurs» dans le domaine des PACMs. C’est un abus de langage car la définition rigoureuse d’un catalyseur indique qu’il n’intervient pas dans le bilan global de la réaction qu’il catalyse. Cette caractéristique n’est pas vérifiée dans les PACMs car les micro- organismes interviennent dans le bilan énergétique. Ils facilitent la conversion de l’énergie chimique issue du substrat en énergie électrique mais ils retiennent une partie de cette énergie pour leur propre survie et croissance (∆G0biologique) comme le montre le schéma de la Figure 22 qui porte sur l’exemple de l’oxydation complète du glucose en CO2.

ique bio électrique total G G G0 =∆ 0 +∆ 0 log ∆ Équation 35

Figure 22: Schéma du flux énergétique dans les PACMs. Adapté de (Schroder 2007)