Des microréacteurs électrochimiques pour la réutilisation des eaux

Des microréacteurs électrochimiques pour la réutilisation des eaux

Emmanuel Mousset

Laboratoire Réactions et Génie des Procédés, LRGP, CNRS/Université de Lorraine, F- 54000 Nancy, France

Face à une demande croissante en eau (Luo, 2015. UNESCO, 2017) et des stations de traitement des eaux usées (STEU) mal adaptées à l’élimination des micropolluants, en particulier aux perturbateurs endocriniens, des traitements complémentaires apparaissent aujourd’hui indispensables (Besnault, 2011, 2014. Luo, 2014). Les procédés d’oxydation avancée (POA) par des radicaux hydroxyles émergent ainsi depuis les années 80 (Glaze, 1987).

Les procédés mettant en œuvre l’électrochimie permettent, contrairement aux autres POA, une production in situ et continue des oxydants sans ajout de réactifs chimiques (Sirés et coll., 2014). L’électrolyse, c’est-à-dire l’application d’un courant électrique dans l’eau à traiter, génère les oxydants recherchés, dont les radicaux

OH, qui vont dégrader les pollutions résistantes. Ils atteignent d’ailleurs des taux de dégradation et de minéralisation supérieurs à 95 %. Grâce à ces atouts, les procédés électrochimiques d’oxydation avancée (PEOA) suscitent un vif intérêt depuis une quinzaine d’années.

Point clé dans l’efficacité de traitement, les matériaux des électrodes sont responsables de la génération ou non des oxydants, des réducteurs et de leur espèce. De nombreuses études ont été effectuées à l’échelle du laboratoire, avec des volumes de réacteurs compris entre 100 à 500 ml, afin de comparer l’efficacité des matériaux d’électrodes dans l’élimination de différents micropolluants organiques (Sirés, 2014). Cependant, quelques freins demeurent au développement industriel des PEOA. La conductivité trop faible des eaux usées doit absolument être compensée par la présence d’un électrolyte support. Le système consomme également beaucoup d’énergie et les électrodes, en platine ou en diamant dopé au bore, sont onéreuses.

Bien qu’encore à leurs balbutiements, les réacteurs électrochimiques microfluidiques,

ou microréacteurs électrochimiques, se développent dans le contexte des PEOA (Scialdone,

2010). Ces microréacteurs se distinguent par des distances de quelques dizaines ou centaines

de micromètres entre la cathode et l’anode (fig. 1).

Figure 1. Exemple de schéma d’un réacteur électrochimique microfluidique pour le traitement des eaux usées.

Or c’est là que sont produits les oxydants chargés de dégrader les contaminants. Les

faibles distances entre électrodes accélèrent le transport du micropolluant vers l’électrode et

intensifient les transferts de matière : les cinétiques de dégradation augmentent donc. Par

ailleurs le transfert de matière, représenté par le paramètre (k

), est inversement proportionnel

à la surface d’électrode (S) : plus k

augmente et plus S diminue (Panizza, 2001). Comme les

microréacteurs actuels visent un accroissement de cinq à dix fois la valeur du k

(fig. 2a), la

surface d’électrode nécessaire peut diminuer d’autant (fig. 2b) et réduire ainsi le coût des

électrodes du même ordre de grandeur.

Figure 2. Les liens entre la distance inter électrodes et le transfert de matière (a), ainsi qu’entre la surface d’électrode requise et le transfert de matière (‘conversion X’ représente le taux d’élimination de la pollution organique globale de l’effluent) (b).

D’autre part, ces microréacteurs diminuent considérablement la résistance de cellule

induite par la tension de cellule, appliquée aux bornes des électrodes, qui dépend aussi de la

conductivité de l’électrolyte. Cette baisse de résistivité permet d’opérer à des conductivités de

solution très réduites, voire nulles. L’ajout d’un électrolyte support, tel que le chlorure de

sodium ou le sulfate de sodium, n’est alors plus nécessaire. Une aubaine car la concentration

résiduelle de ces composés est réglementée. De surcroît, la faible résistance de cellule abaisse

le potentiel de cellule, et donc la consommation d’énergie lors de l’électrolyse.

Quelques limitations subsistent cependant, comme la capacité de traitement face aux flux de pollution importants dans les STEU municipales. L’encrassement du microréacteur, ainsi que les bulles de gaz générées à la surface des électrodes qui nuisent aussi aux transferts de charge et de matière (Scialdone, 2010). Dernier inconvénient inhérent à tous les POA, des sous-produits d’oxydation, ou de réduction, se forment et amènent à des solutions potentiellement plus toxiques que l’effluent initial (Mousset, 2016). Ce point n’est pas développé dans ce chapitre, mais il doit être considéré. La communauté scientifique propose de plus en plus de solutions, notamment via des approches intégrées de combinaisons de procédés dégradatifs et séparatifs, avant de pouvoir réutiliser les eaux traitées. Tous ces verrous font office de perspectives aux travaux de recherche en cours sur les PEOA qui devraient atteindre l’échelle industrielle d’ici quelques années.

Références :

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