Purifier l'eau par photocatalyse
lundi 15 juin 2009
On parle de “dépollution” par photocatalyse depuis 1976, mais dernièrement l’attention s’est focalisée sur la possibilité de combiner la catalyse hétérogène avec les technologies solaires pour éliminer les polluants organiques ainsi que certains micro-organismes présents dans l’eau. Cette technique doit être privilégiée notamment par les pays en voie de développement car elle fait intervenir une source d’énergie inépuisable, gratuite et non polluante : le soleil.
L’utilisation à outrance des pesticides, engrais, herbicides, les rejets des effluents industriels (même faiblement concentrés en produits toxiques) ainsi que le stockage des déchets ménagers (décharges municipales) sont les principales sources de contamination des eaux de surface et des nappes phréatiques. Il est évident que si l’on veut avoir une eau qui soit consommable ou sans risque pour l’environnement, il faut soit limiter la pollution à la source soit la traiter de manière à obtenir la qualité nécessaire à son utilisation (eau potable ou rejet dans la nature). Le traitement de l’eau est basé sur des combinaisons de procédés tels que la filtration, la floculation, la décantation, la stérilisation ou encore l’oxydation chimique des polluants organiques. Le traitement idéal est celui qui consiste (après filtration et élimination par décantation de toutes les particules en suspension) à éliminer les composés organiques toxiques par voie biologique. En d’autres termes à faire une élimination naturelle de la pollution. Malheureusement ce type de traitement a ses limites car certains produits organiques ne peuvent pas être éliminés par cette voie, ceux que l’on appelle les Composés organiques biologiquement récalcitrants (COBR). Les progrès les plus récents dans le traitement de l’eau ont été faits dans l’oxydation de ces fameux COBR. Ces méthodes reposent sur la formation d’entités chimiques très réactives qui vont décomposer les molécules les plus récalcitrantes en molécules biologiquement dégradables.
C’est ce que l’on nomme les Techniques d’oxydation avancées (TOA). Les TOA les plus efficaces sont celles qui conduisent à la formation des radicaux hydroxyles °OH, dotés d’un fort pouvoir oxydant. Ils sont capables de minéraliser partiellement ou en totalité les composés organiques. Ces méthodes sont basées sur l’irradiation U.V. de l’eau à traiter, en présence d’eau oxygénée, d’ozone ou d’une combinaison des deux. Cependant ces radicaux peuvent aussi être générés avec un semi-conducteur qui va adsorber les photons émis soit par une lampe UV soit par le soleil, lorsqu’il est au contact de l’eau : c’est cela que l’on appelle la photocatalyse. Le spectre d’absorption du dioxyde de titane et le spectre d’émission du Soleil ont une plage commune, pour les photons de longueur d’onde comprise entre 300 et 400 nanomètres. Lorsque le dioxyde de titane est exposé au soleil, l’énergie des photons qu’il absorbe est suffisante pour éjecter un électron de sa bande de valence vers sa bande de conduction. Les « trous » ainsi créés dans la bande de valence sont des oxydants puissants : ils oxydent directement les molécules organiques toxiques, ou bien ils attaquent les molécules d’eau, produisant des radicaux hydroxyles, qui restent adsorbés à la surface du dioxyde de titane. La dégradation a lieu au contact du photocatalyseur : c’est la photocatalyse hétérogène (voir schéma). Toutefois, en l’absence d’accepteurs d’électrons adsorbés à la surface du catalyseur, les électrons éjectés sur la bande de conduction et les trous sur la bande de valence se recombinent en quelques nanosecondes. Ainsi, le rendement de la photocatalyse dépend de la concentration d’oxygène dissous dans l’eau ou de celle d’un autre accepteur d’électrons tels que l’eau oxygénée ou des ions ferriques. Actuellement les applications de la photocatalyse solaire dans le domaine du traitement de l’eau restent marginales et peinent à sortir des laboratoires. Peu d’équipes en France travaillent d’ailleurs dans ce domaine et les plus actives sont à Lyon (IRCELYON) et sur le site de Saint-Avold (antenne du Laboratoire des matériaux, surfaces et procédés pour la catalyse LMSPC), où des prototypes existent déjà et sont en cours de développement.
En collaboration avec des pays d’Afrique de l’Ouest et notamment la Côte d’Ivoire et avec des financements de l’Agence Universitaire de la Francophonie (AUF), nous mettons au point un réacteur pilote qui combinera la technologie des adsorbants carbonés (préparé à partir de déchets de noix de coco) avec la photocatalyse solaire. Plusieurs matériaux photocatalytiques sont à l’étude (Support cellulosique de la société Ahlstrom et support à base de fibres de quartz de Saint-Gobain) pour la production à terme de 200 à 300 litres d’eau potable en faveur des quartiers précaires de la banlieue d’Abidjan. L’idée est de mettre au point un système autonome (d’un point de vue énergétique) permettant à des régions isolées le traitement d’eau potable.
Le devenir de la photocatalyse comme procédé efficace de traitement des effluents dans le cadre d’une politique de développement durable nécessite que la communauté scientifique et les industriels impliqués dans ce domaine relèvent un certain nombre de défis. Pour la recherche fondamentale, le premier défi est la mise au point de matériaux photocatalytiques de nouvelle génération permettant d’améliorer les performances des catalyseurs utilisés jusqu’à présent dans le proche UV (UVA) mais aussi et surtout de développer les catalyseurs du futur, actifs dans le visible. Parallèlement, un autre défi mené en partenariat avec les industriels sera de rendre ces matériaux intégrables dans des procédés industriels pour une commercialisation viable. Dans cet objectif, une nouvelle étape doit être franchie avec la mise au point de nouvelles formulations de matériaux photocatalytiques plus efficaces, à base de TiO2 et/ou d’autres semi-conducteurs. L’obtention de nouveaux matériaux plus performants à base de TiO2 implique des modifications de nature chimique et/ou électronique, des modifications de type structural ou morphologique et une optimisation de la mise en forme macroscopique. En effet pour une application à l’échelle industrielle de ce procédé, il est indispensable de déposer le photocatalyseur (Dioxyde de titane) sur un support approprié. Ceci sera réalisé par le développement d’un substrat ou média photocatalytique tridimensionnel à géométrie alvéolaire adaptée et flexible permettant à la fois une bonne transmission de la lumière et un écoulement optimal pour un contact accru entre le revêtement photocatalytique actif et l’eau polluée. C’est le cas des nouveaux médias/mousses photocatalytiques tridimensionnelles (à base de carbone ou de SiC) développées au LMSPC, dont certaines en collaboration avec la Société SICAT. Il n’est pas exagéré de penser que les procédés de détoxification de l’eau par photocatalyse soient des solutions d’avenir. Les progrès réalisés au cours des dix dernières années sont là pour le constater. L’utilisation de catalyseur supporté (et ce quelque soit le support) semble le procédé le plus apte à une mise en concurrence rapide avec d’autres solutions plus classiques. L’utilisation du soleil comme source principale d’énergie en fait un procédé utilisable dans les pays en voie de développement, notamment en afrique subsaharienne et en Amérique du sud, où des Etats comme le Brésil et la Colombie ont déjà beaucoup investi dans cette voie.
source : http://www.lemensuel.net/2009/06/11/la-purification-de-l’eau-par-photocatalyse-solaire-une-technique-d’avenir/
L’utilisation à outrance des pesticides, engrais, herbicides, les rejets des effluents industriels (même faiblement concentrés en produits toxiques) ainsi que le stockage des déchets ménagers (décharges municipales) sont les principales sources de contamination des eaux de surface et des nappes phréatiques. Il est évident que si l’on veut avoir une eau qui soit consommable ou sans risque pour l’environnement, il faut soit limiter la pollution à la source soit la traiter de manière à obtenir la qualité nécessaire à son utilisation (eau potable ou rejet dans la nature). Le traitement de l’eau est basé sur des combinaisons de procédés tels que la filtration, la floculation, la décantation, la stérilisation ou encore l’oxydation chimique des polluants organiques. Le traitement idéal est celui qui consiste (après filtration et élimination par décantation de toutes les particules en suspension) à éliminer les composés organiques toxiques par voie biologique. En d’autres termes à faire une élimination naturelle de la pollution. Malheureusement ce type de traitement a ses limites car certains produits organiques ne peuvent pas être éliminés par cette voie, ceux que l’on appelle les Composés organiques biologiquement récalcitrants (COBR). Les progrès les plus récents dans le traitement de l’eau ont été faits dans l’oxydation de ces fameux COBR. Ces méthodes reposent sur la formation d’entités chimiques très réactives qui vont décomposer les molécules les plus récalcitrantes en molécules biologiquement dégradables.
C’est ce que l’on nomme les Techniques d’oxydation avancées (TOA). Les TOA les plus efficaces sont celles qui conduisent à la formation des radicaux hydroxyles °OH, dotés d’un fort pouvoir oxydant. Ils sont capables de minéraliser partiellement ou en totalité les composés organiques. Ces méthodes sont basées sur l’irradiation U.V. de l’eau à traiter, en présence d’eau oxygénée, d’ozone ou d’une combinaison des deux. Cependant ces radicaux peuvent aussi être générés avec un semi-conducteur qui va adsorber les photons émis soit par une lampe UV soit par le soleil, lorsqu’il est au contact de l’eau : c’est cela que l’on appelle la photocatalyse. Le spectre d’absorption du dioxyde de titane et le spectre d’émission du Soleil ont une plage commune, pour les photons de longueur d’onde comprise entre 300 et 400 nanomètres. Lorsque le dioxyde de titane est exposé au soleil, l’énergie des photons qu’il absorbe est suffisante pour éjecter un électron de sa bande de valence vers sa bande de conduction. Les « trous » ainsi créés dans la bande de valence sont des oxydants puissants : ils oxydent directement les molécules organiques toxiques, ou bien ils attaquent les molécules d’eau, produisant des radicaux hydroxyles, qui restent adsorbés à la surface du dioxyde de titane. La dégradation a lieu au contact du photocatalyseur : c’est la photocatalyse hétérogène (voir schéma). Toutefois, en l’absence d’accepteurs d’électrons adsorbés à la surface du catalyseur, les électrons éjectés sur la bande de conduction et les trous sur la bande de valence se recombinent en quelques nanosecondes. Ainsi, le rendement de la photocatalyse dépend de la concentration d’oxygène dissous dans l’eau ou de celle d’un autre accepteur d’électrons tels que l’eau oxygénée ou des ions ferriques. Actuellement les applications de la photocatalyse solaire dans le domaine du traitement de l’eau restent marginales et peinent à sortir des laboratoires. Peu d’équipes en France travaillent d’ailleurs dans ce domaine et les plus actives sont à Lyon (IRCELYON) et sur le site de Saint-Avold (antenne du Laboratoire des matériaux, surfaces et procédés pour la catalyse LMSPC), où des prototypes existent déjà et sont en cours de développement.
En collaboration avec des pays d’Afrique de l’Ouest et notamment la Côte d’Ivoire et avec des financements de l’Agence Universitaire de la Francophonie (AUF), nous mettons au point un réacteur pilote qui combinera la technologie des adsorbants carbonés (préparé à partir de déchets de noix de coco) avec la photocatalyse solaire. Plusieurs matériaux photocatalytiques sont à l’étude (Support cellulosique de la société Ahlstrom et support à base de fibres de quartz de Saint-Gobain) pour la production à terme de 200 à 300 litres d’eau potable en faveur des quartiers précaires de la banlieue d’Abidjan. L’idée est de mettre au point un système autonome (d’un point de vue énergétique) permettant à des régions isolées le traitement d’eau potable.
Le devenir de la photocatalyse comme procédé efficace de traitement des effluents dans le cadre d’une politique de développement durable nécessite que la communauté scientifique et les industriels impliqués dans ce domaine relèvent un certain nombre de défis. Pour la recherche fondamentale, le premier défi est la mise au point de matériaux photocatalytiques de nouvelle génération permettant d’améliorer les performances des catalyseurs utilisés jusqu’à présent dans le proche UV (UVA) mais aussi et surtout de développer les catalyseurs du futur, actifs dans le visible. Parallèlement, un autre défi mené en partenariat avec les industriels sera de rendre ces matériaux intégrables dans des procédés industriels pour une commercialisation viable. Dans cet objectif, une nouvelle étape doit être franchie avec la mise au point de nouvelles formulations de matériaux photocatalytiques plus efficaces, à base de TiO2 et/ou d’autres semi-conducteurs. L’obtention de nouveaux matériaux plus performants à base de TiO2 implique des modifications de nature chimique et/ou électronique, des modifications de type structural ou morphologique et une optimisation de la mise en forme macroscopique. En effet pour une application à l’échelle industrielle de ce procédé, il est indispensable de déposer le photocatalyseur (Dioxyde de titane) sur un support approprié. Ceci sera réalisé par le développement d’un substrat ou média photocatalytique tridimensionnel à géométrie alvéolaire adaptée et flexible permettant à la fois une bonne transmission de la lumière et un écoulement optimal pour un contact accru entre le revêtement photocatalytique actif et l’eau polluée. C’est le cas des nouveaux médias/mousses photocatalytiques tridimensionnelles (à base de carbone ou de SiC) développées au LMSPC, dont certaines en collaboration avec la Société SICAT. Il n’est pas exagéré de penser que les procédés de détoxification de l’eau par photocatalyse soient des solutions d’avenir. Les progrès réalisés au cours des dix dernières années sont là pour le constater. L’utilisation de catalyseur supporté (et ce quelque soit le support) semble le procédé le plus apte à une mise en concurrence rapide avec d’autres solutions plus classiques. L’utilisation du soleil comme source principale d’énergie en fait un procédé utilisable dans les pays en voie de développement, notamment en afrique subsaharienne et en Amérique du sud, où des Etats comme le Brésil et la Colombie ont déjà beaucoup investi dans cette voie.
source : http://www.lemensuel.net/2009/06/11/la-purification-de-l’eau-par-photocatalyse-solaire-une-technique-d’avenir/
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