prétraitement éventuel traitement post-traitement éventuel
dilution concentration
préchauffage
oxydation thermique
air : fumée, composés soufrés et azotés, acidité, < dilution
préchauffage élimination des particules
oxydation catalytique
air : fumée, composés soufrés et azotés, acidité, < déshumidification
dépoussiérage condensation eau et composés condensés
refroidissement
élimination des particules absorption
solution de lavage des gaz (acides, bases, eau de Javel, <) refroidissement
déshumidification élimination des particules
adsorption adsorbant usagé
régénération in-situ
humidification refroidissement élimination des particules
biofiltration garnissage eau d’humidification lixiviats aérosols refroidissement correction de pH biolavage
boue des bassins biologiques aérosols
Etant donnés ces critères de choix entre les diverses techniques, celles-ci sont maintenant présentées. Les procédés récupératifs sont tout d’abord expliqués, les procédés destructifs sont ensuite exposés.
III.3. Procédés récupératifs
Ce type de procédés avec transfert de matière puis récupération du polluant est bien adapté aux émissions gazeuses industrielles, puisqu’il permet de récupérer les solvants pour les valoriser ou les recycler ensuite.
III.3.a. Adsorption
Les procédés d’adsorption représentent environ 25 % des procédés utilisés pour le traitement des COV. Le principe de cette technique repose sur le transfert des polluants gazeux sur un
solide, par fixation des molécules sur les parois de l’adsorbant sous l’action des forces de Van der Waals.
L’adsorbant est généralement du charbon actif, qui est en fait du carbone microporeux dont la porosité peut varier entre 800 et 2000 m²/g selon sa forme : grains, feutres ou tissus. L’adsorbant peut également être composé de polymères, de gels de silice, d’argiles, de résines ou encore de zéolithes.
En général, ces procédés intègrent deux lits d’adsorbant, afin de pouvoir régénérer in situ l’un des lits pendant que l’autre est en activité. Il existe diverses manières de désorber les matériaux adsorbants. La régénération est généralement thermique ; en effet, la désorption du lit peut se faire par fluide caloporteur (liquide ou gazeux) ou encore par chauffage direct ou oxydant ; elle peut également être effectuée en utilisant des rayons infrarouges, l’effet Joule, l’induction électromagnétique ou encore des micro-ondes. Mais la régénération du support adsorbant peut également être effectuée par désorption à pression réduite, ou encore par voie chimique ou biologique. Il existe également des modules innovants de tissus de carbone activé que l’on peut désorber électro-thermiquement, par passage d’un courant électrique. Des techniques d’oxydation avancée peuvent aussi être utilisées pour la régénération des adsorbants : l’oxydation haute pression haute température *Krou, 2010], la photocatalyse [Mohamed, 2011], ou encore le photo-Fenton [Muranaka et al., 2010].
Un procédé d’adsorption permet des traiter des effluent dont le débit peut aller de 150 à 100 000 m3/h, pour une gamme de concentration comprise entre 20 et 5000 ppm. Comme la température du procédé influe de manière inversement proportionnelle sur la capacité d’adsorption, elle est ainsi généralement à température ambiante. [Soltys, 1998] [Uniclima, 2000] [Le Cloirec, 2004] [Masclet, 2005] [Le Cloirec, 2008]
III.3.b. Condensation
La condensation de gaz représente 5 % des traitements des COV. Le principe de cette technique est basé sur l’équilibre liquide/vapeur du mélange gaz/COV : la pression de vapeur saturante du solvant à l’équilibre diminue si la température s’abaisse. Si la pression partielle devient supérieure à cette pression de vapeur saturante, alors une partie de la vapeur de solvant se condense. Le gaz est purifié lorsque le point triple du solvant est atteint. Si la température au sein du condenseur est plus basse que la température du point triple du solvant, alors celui-ci va être directement cristallisé, sans passer par la phase liquide ; le phénomène de cristallisation est alors prépondérant.
La condensation est un phénomène exothermique et nécessite ainsi l’apport de frigories. Il existe des condenseurs à contact direct (gaz et liquide de refroidissement à contre-courants) ou indirect (tubulaires ou à plaques). La Figure 1.8 indique le principe d’un procédé de condensation à contact direct. Un système de condensation peut également être utilisé en tant que prétraitement d’un effluent.
L’efficacité de ce type de traitement est plus importante pour des composés à pression de vapeur saturante élevée, mais elle est la plupart du temps proche de 99 %. Les débits traités sont inférieurs à 1000 m3/h, et les concentrations supérieures à 10 g/m3. La température d’un procédé de condensation est inférieure à -20°C pour un prétraitement, et inférieure à -80°C pour un traitement complet de l’effluent. Enfin, la pression dépend de la température et du COV à traiter ; si le procédé est à pression atmosphérique, un fluide cryogénique (azote liquide par exemple) est alors utilisé pour un traitement complet. [Soltys, 1998] [Uniclima, 2000] [Le Cloirec, 2004] [Masclet, 2005]
III.3.c. Procédés membranaires
Ces procédés utilisent une membrane de synthèse semi-perméable, qui permet de séparer les polluants du fait de sa structure, de son seuil de coupure, mais aussi grâce aux conditions opératoires (pression, balayage de gaz, température). Les membranes denses utilisées dans le cas du traitement des COV permettent d’obtenir des sélectivités élevées, que ce soit pour un ou pour plusieurs composants.
Deux techniques principales utilisent des membranes denses : la perméation gazeuse et la pervaporation. Ce sont toutes deux des méthodes physiques de séparation des constituants d’un mélange, par transfert partiel au travers d’une membrane en contact avec la surface du mélange et séparant préférentiellement un de ses constituants. La force motrice permettant le transport de matière à travers la membrane repose sur la différence de pression partielle entre les phases en présence de part et d’autre de la membrane.
La différence entre ces deux procédés vient de l’état physique des phases en présence autour de la membrane ; dans le cas de la pervaporation, le milieu est généralement liquide en amont de la membrane et gazeux en aval, alors que dans le cas de la perméation gazeuse, le milieu est gazeux de part et d’autre de la membrane.
Il faut noter qu’un couplage est tout à fait possible avec d’autres procédés récupératifs (condensation ou adsorption) ou même avec certaines techniques destructives (oxydation thermique) et que ce type d’association contribue à optimiser l’efficacité de récupération du solvant. Les débits traités par les procédés membranaires sont très faibles (inférieurs à 100 Nm3/h) alors que les concentrations peuvent être comprises entre 1 et 100 g/Nm3. [Uniclima, 2000] [Le Cloirec, 2004] [Masclet, 2005]
III.3.d. Absorption
Ces procédés sont surtout adaptés aux traitements de dépollutions de gaz contenant des poussières, des gaz acides ou des molécules odorantes. L’absorption consiste à solubiliser les polluants dans un liquide ; dans certains cas celui-ci est réactif, les transferts sont ainsi
Il existe différentes technologies permettant d’absorber un gaz : venturi-éjecteur, tour d’aspersion, colonne garnie, à plateaux ou à pulvérisation.
Ces procédés sont peu répandus pour le traitement de gaz contenant des COV, car leurs solubilités sont en général faibles dans l’eau. On utilise ainsi en tant que phase liquide des solvants lourds, tels que l’huile de silicone par exemple, mais une séparation secondaire complexe est alors nécessaire.
L’efficacité d’un traitement de gaz par absorption est généralement de l’ordre de 95 %. Les débits traités peuvent atteindre 160 000 m3/h. [Soltys, 1998] [Uniclima, 2000] [Le Cloirec, 2004] [Masclet, 2005]
III.4. Procédés destructifs
Diverses techniques de destruction des polluants existent. Ces méthodes sont surtout utilisées dans le cas où le gaz est pollué par un mélange de composés, car leur récupération est alors compliquée. L’oxydation est la principale réaction chimique employée pour la destruction des COV ; elle peut être mise en œuvre de diverses manières : homogène dans le cas d’une oxydation thermique, hétérogène dans celui d’une oxydation catalytique, et biologique si l’on utilise des bactéries. Par ailleurs, il existe des techniques émergentes et prometteuses telles que l’oxydation par plasma froid ou la photocatalyse. L’intérêt des traitements destructifs est de valoriser les solvants sous forme énergétique, en récupérant la chaleur dégagée lors de l’oxydation.
III.4.a. Oxydation thermique
L’oxydation thermique des COV représente 60 % des traitements utilisés pour ce type de composés. Le but de cette technique est de transformer les molécules polluantes en dioxyde de carbone et en eau, moins nuisibles pour l’environnement. L’oxygène de l’air contenant les polluants joue le rôle d’oxydant, et le passage du gaz pollué à proximité d’une flamme permet de transformer les molécules organiques présentes dans l’air par oxydation thermique. Les polluants à oxyder peuvent être des COV, des composés odorants ou encore des hydrocarbures.
La réaction chimique d’oxydation d’un COV est présentée ci-après ; il faut noter qu’un dégagement de chaleur a lieu lorsqu’elle se produit, c’est une réaction exothermique.
4 CmHnOp + (4m + n – 2p) O2 4m CO2 + 2n H2O
Si les composés oxydés comportent des hétéroatomes, comme de l’azote, du soufre ou des halogènes (du chlore notamment), il y a alors formation de polluants secondaires : des oxydes d’azote ou de soufre, ou encore de l’acide chlorhydrique. Il faut alors prévoir un traitement de neutralisation complémentaire, car le rejet à l’atmosphère de ces composés est réglementé. Le Tableau 1.6 indique les sous-produits de réaction susceptibles de se former lors d’une oxydation, en fonction du type d’hétéro-hydrocarbure qui est oxydé.
Tableau 1.6 : hétéro-hydrocarbures et leurs produits d’oxydation complète, d’après [Le Cloirec, 1998]
hétéro-hydrocarbure produits d’oxydation totale exemples d’hétéro-hydrocarbures
R-Sx SOx + H2O + CO2 mercaptans, diméthylsulfure, thiophène
R-Nx N2 + NOx + H2O + CO2 pyridine, triéthylamine, acétonitrile
R-Clx HCl + Cl2 + H2O + CO2 trichloroéthylène, chloroforme, dichlorométhane, trichloroéthane, dioxines
R-Fx HF + H2O + CO2 fluoroacétophénone, fluorobenzène, fluorophénol
De tels procédés d’épuration comportent différentes parties et appareils, dont le principe est indiqué sur la Figure 1.9. L’effluent est introduit dans la chambre de combustion, où règne une température supérieure à la température d’auto-inflammation du polluant à oxyder. Le brûleur se trouve dans la chambre de combustion ; il est alimenté en gaz naturel, en propane ou en autre combustible. Un échangeur primaire est généralement présent dans l’installation, son rôle étant de préchauffer l’effluent en utilisant l’énergie de l’air sortant de la chambre de combustion. Enfin, un échangeur secondaire est parfois utilisé afin de valoriser l’énergie thermique à la sortie de l’installation, par production d’eau chaude, de vapeur ou de fluide thermique.