Le photo-fenton solaire

Le photo-fenton a rapidement été appliqué, comme la photocatalyse hétérogène, en conditions solaires pour le traitement des polluants bio-récalcitrants. En revanche, il a été étudié de façon plus tardive que la photocatalyse hétérogène c’est pourquoi on note un décalage de près de dix ans entre les applications solaires de photocatalyse hétérogène (années 90) et celles de photo-fenton (années 2000) (Malato et al., 2009).

En ce qui concerne l’aspect catalyseur, l’un des inconvénients relatés est la formation de boues ferreuses à l’issu du procédé. Pour y remédier des catalyseurs supportés (donc en phase hétérogène) ont été étudiés tels que par exemple des Fe-zeolites (Gonzalez-Olmos et al., 2012). De plus, ils sont actifs sur une plus large gamme de pH que le photo fenton en phase homogène (Rahim Pouran et al., 2015). Ils ont donc l’avantage de réduire les coûts associés à la gestion de pH, la formation de boues mais ont des vitesses de réaction plus lentes que le photo fenton homogène. Des recherches plus récentes portent également sur la possibilité de travailler à pH neutre en utilisant des ions ferreux sous forme complexée (Clarizia et al., 2017). Quelques études récentes et très prometteuses ont confirmé la possibilité de désinfecter de l’eau de sortie de stations d’épuration par un procédé photo-fenton à pH neutre (Costa et al., 2020; De la Obra Jiménez et al., 2019).

En ce qui concerne l’aspect procédé, les géométries des réacteurs photo-fenton sont les mêmes que pour les réacteurs de photocatalyse. La géométrie PTC originelle des centrales thermiques, défavorable pour les réacteurs de photocatalyse, trouve un intérêt pour le procédé photo-fenton car une augmentation de la température augmente la vitesse de réaction (Malato et al., 2009). Actuellement, ce sont les marres solaires qui redeviennent attractives car elles présentent un avantage économique important par rapport aux CPC. De même que pour la photocatalyse solaire, les réacteurs sont dans la très grande majorité des cas employés en mode batch. Les dernières publications issues de la plateforme solaire d’Alméria (Costa et al., 2020; De la Obra Jiménez et al., 2019; Sánchez Pérez et al., 2020), portent sur la possibilité de travailler en mode continu avec ce type de technologie. Elles mettent en avant l’intérêt de travailler avec la technologie raceway (Figure 1-4) directement issue des procédés de culture des microalgues par voie solaire.

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Figure 1-4 Illustration d’une marre solaire (raceway) (De la Obra Jiménez et al., 2019). Un aspect négatif souvent mis en avant dans le cas procédé photo-fenton est relatif à son coût en raison de l’utilisation importante de réactif (peroxyde d’hydrogène). Ce coût peut être réduit via d’une part l’utilisation de la ressource solaire, et d’autre part, via le couplage du photo-fenton solaire à des traitements biologiques (Babuponnusami and Muthukumar, 2014; Malato et al., 2009; Rahim Pouran et al., 2015).

I.2.2.3 Comparaison et résumé

Le Tableau 1-2 résume les différences entre la photocatalyse et le photo-fenton. Un traitement par photocatalyse hétérogène se fait dans des conditions ambiantes de température et au pH de l’effluent à traiter (pH proche du pH neutre). Son efficacité photo-catalytique va essentiellement dépendre de l’intensité du rayonnement reçue, de la mise en forme et quantité en photo-catalyseur ainsi que de la géométrie du photo-réacteur (Malato et al., 2015). Dans le cas du photo-fenton, les variables d’influence à piloter sont plus nombreuses : il faut assurer un juste dosage en réactifs et catalyseur afin d’assurer la production de radicaux libres ; le pH doit être maintenu dans des conditions acides et laperformance du procédé est dépendante de la température : plus cette dernière est élevée, plus la vitesse de réaction est importante.

Au-delà des caractéristiques propres à chacun des deux procédés, de manière très générale, la gestion des réactifs, notamment liée au maintien du pH requis, rend la gestion du procédé photo-fenton plus complexe et a tendance à pénaliser les couts de fonctionnement (Clarizia et al., 2017; Malato et al., 2015). Ces coûts peuvent être réduits considérablement en combinant ce procédé à un procédé biologique (Rahim Pouran et al., 2015) et bien sûr en utilisant directement la ressource solaire comme source d’irradiation.

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Photocatalyse hétérogène Photo-fenton Phase Hétérogène : catalyseur solide ^{Homogène : ions ferreux}

solubilisés ou hétérogène

pH

Impact sur le point de zéro-charge (cf section II.1.2). pH non modifié en

général

Favorable au pH acide (2 -3,5)

Température Pas d’impact.

Fort impact, plus elle est élevée plus le procédé est efficace.

Plage spectrale

< 390 nm pour le TiO₂ (5% maximum utilisable du spectre incident). Modifications chimiques possibles (section I.2.1.1) pour élargir

la bande spectrale.

Jusqu’à 550-600 nm selon les espèces présentes (28-35 %

de la ressource solaire).

Flux de Photons ^{Vitesse réactionnelle impactée avec}

des ordres compris entre 0 et 1.

Peu de recherches car plus de mécanismes en jeu, plus

complexe.

Epaisseur optique

Forte dépendance de la vitesse de réaction à la concentration en

photo-catalyseur (cf chapitre 2 section V).

Dépendance également à la concentration en catalyseur

et également aux autres espèces présentes de façon

marquée.

Turbulence

Importante pour avoir un transfert de masse optimal et une concentration

homogène en photo-catalyseur.

Homogène : le catalyseur est déjà solubilisé.

Hétérogène : peu de données.

Géométries PTC < IPC < CPC PTC ou CPC

Mode opératoire ^{Mode batch.}

Recherches récentes en continu pour le photo-fenton.

Effluents traités Eaux dopées, eaux usées réelles.

Tableau 1-2 Comparaison des contraintes techniques et scientifiques entre les procédés solaires de photocatalyse hétérogène et de photo-fenton (Malato et al., 2009).

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Un traitement par photocatalyse hétérogène est à la base moins performant en termes de capacité de traitement. Il présente néanmoins l’avantage considérable, dans le cas d’une utilisation de la ressource solaire, de coûts de fonctionnement quasiment nuls. La littérature note entre autres, un manque d’études portant sur une utilisation sur le long terme des photo-catalyseurs dans les réacteurs pilotes solaires pour développer ce procédé à l’échelle industrielle (Horikoshi and Serpone, 2020).