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Couplage Electro-Oxydation et Nanofiltration pour le traitement d’effluents – CElectrON

L’électron, un réactif non toxique pour traiter les polluants émergents dans l’eau

Traiter, sans intrants chimiques, des effluents industriels et domestiques liquides chargés en polluants bio-réfractaires, pour permettre leur prise en charge sans danger dans les stations d’épuration.

Eliminer des résidus pharmaceutiques sur membranes électrochimiquement réactives assurant, par convection forcée et oxydation, la collecte d’un filtrat épuré.

D’une grande complexité, les eaux de rejet de l’industrie pharmaceutique peuvent contenir des micro-polluants bio-réfractaires (antibiotiques, anti-inflammatoires, béta-bloquants, etc.) difficiles à éliminer. Ces effluents ne peuvent pas être rejetés dans le milieu naturel et il existe, actuellement, un manque de technologies compatibles et fiables pour les traiter et les recycler, tout en évitant le gaspillage d’eau associé. Par ailleurs, il est maintenant reconnu que de nombreuses molécules de ce type sont présentes dans les effluents hospitaliers et qu’elles sont identifiées à des concentrations non négligeables dans les eaux usées domestiques ou les lixiviats de décharge. Leur toxicité pour les organismes vivants, quels qu’ils soient, est avérée. <br />Le projet CElectrON contribue à la gestion durable de l’eau, à travers le développement d’une technologie de type « one pot » basée sur le couplage entre séparation ou contact membranaire et oxydation avancée électrochimique. Cette technologie a été mise en place pour permettre, initialement, d’assurer le traitement et le recyclage de l’eau dans les procédés industriels mais d’autres champs d’application pourront être explorés compte tenu de la problématique exprimée précédemment. L’utilisation d’un matériau poreux, robuste, conducteur électrique et générateur de radicaux hydroxyles (espèce très oxydante et réactive donc non rémanente) va permettre la dégradation in situ des polluants émergents et le transfert d’un liquide « propre » et assimilable par les stations d’épuration classiques.

Le coeur du système de traitement des effluents est le matériau d’électrode qui doit avoir deux fonctions : permettre la rétention des composés ciblés et leur dégradation par électrochimie. Dans le cas de la minéralisation par électrochimie (transformation du carbone organique de la molécule polluante en carbone minéral non-toxique), il est nécessaire de développer des matériaux poreux permettant la production de radicaux hydroxyles, moteur de la réaction de dépollution, en présence de l’effluent à traiter. Cet objectif a été atteint grâce à la mise en oeuvre de techniques d’élaboration de matériaux céramiques maîtrisées par la société Saint-Gobain CREE et l’Institut Européen des Membranes de Montpellier (IEM) (extrusion, frittage sous atmosphère contrôlée, dépôt plasma…). Ces matériaux ont été testés par l’IEM et le laboratoire de Géomatériaux et Environnement de l’Université de Paris Est, Marne La Vallée, pour quantifier leur potentialité vis-à-vis de la minéralisation de composés pharmaceutiques modèles (par exemple le paracétamol ou acétaminophène, molécule universellement utilisée). Les matériaux membranaires préparés ont également été évalués sur le site toulousain du Laboratoire de Génie Chimique de l’Université Paul Sabatier, dans un pilote conçu par le consortium dans le cadre du projet CElectrON. Au dernier stade du projet, nous avons enfin dimensionné un pilote de troisième génération qui est actuellement en test au sein de la société ACTIBIO pour traiter des effluents industriels réels.

Un pilote novateur, équipés d’un nouveau type d’électrodes : matériau 3D en feutre de carbone à la cathode et membrane électrochimiquement réactive (REM) en oxyde de titane à l’anode, a été développé pour traiter des effluents chargés en polluants bio-réfractaires. Ce système fonctionne sans intrants chimiques et permet dans un court délai de détruire tous les composés toxiques, aussi bien sur des effluents synthétiques que réels, testés dans le projet. Ces travaux ont permis en outre de mettre au point un système analytique de contrôle de l’ensemble du processus de dépollution. La société Saint-Gobain CREE a breveté la méthode de fabrication des REM et un brevet est en cours de dépôt par le consortium académique sur l’ensemble de la technologie de traitement. Des discussions sont en cours avec de potentiels utilisateurs de cette technologie (principalement des grands groupes de l’industrie chimique et pharmaceutique) ainsi que la plateforme de transfert de technologie de l‘Université de Montpellier.

Les perspectives ouvertes par le projet sont donc importantes en termes d’applications et d’usage. La solution de traitement d’effluents aqueux que nous proposons intéresse à la fois des groupes pharmaceutiques et de l’industrie chimique mais aussi des sociétés d’exploitation de sites de déchets ultimes ou certainement à l’avenir les grands groupes exploitants la ressource eau. Nous menons actuellement une étude technico-économique avec un bureau d’étude spécialisé dans le traitement d’effluents industriels. Nos efforts vont désormais se porter sur l’étude d’un éventail plus large d’effluents réels potentiellement traitables par notre technologie.

Les travaux publiés dans le cadre de ce projet sont associés à différents domaines d’expertise scientifique :
(i) Dans le domaine des matériaux de cathode, nous avons proposé de nouvelles solutions pour modifier des feutres de carbone commerciaux p

Le projet CElectrON vise à contribuer à la gestion durable d’une ressource naturelle essentielle, l’eau, à travers le développement d’une technologie innovante basée sur le couplage entre un procédé de séparation membranaire, la nanofiltration, et un procédé d’oxydation avancée, le procédé électro-Fenton. Cette technologie « one-pot » doit permettre d’assurer le traitement et le recyclage de l’eau dans les procédés industriels. Un traitement au plus proche de la source de pollution permet une meilleure identification des polluants et donc de leur destruction en évitant le mélange avec d’autres effluents. Notre stratégie est basée sur l’étude de cas concrets : les effluents issus de l’industrie pharmaceutique. En effet, ces effluents sont sources de micropolluants bio-réfractaires qui ne peuvent pas être rejetés dans le milieu naturel et il existe, actuellement, un manque de technologies compatibles et fiables pour les traiter et les recycler en évitant le gaspillage d’eau associé. En cas de succès de ce projet, il serait très facilement envisageable de développer cette technologie de couplage pour d’autres cas de traitement à la source d’eaux usées présentant un caractère organique persistant (autres effluents industriels, effluents hospitaliers et agricoles de faible débit, etc.).

Plus précisément, Les objectifs scientifiques et techniques majeurs du projet CElectrON sont : (i) l’élaboration de membranes de nanofiltration conductrices à base de carbone graphite et/ou de TiOx permettant le couplage nanofiltration/oxydation électrochimique, (ii) l’optimisation de la dégradation de polluants organiques sur ces membranes par le procédé électro-Fenton en établissant des corrélations entre leur géométrie, leur structure, les conditions hydrodynamiques, les caractéristiques physico-chimiques du milieu à traiter et les caractéristiques du courant électrique appliqué, (iii) la mise en œuvre d’un procédé de couplage entre la filtration baro-membranaire et le procédé électro-Fenton, (iv) la conception et le dimensionnement d’un système pouvant être intégré directement au niveau du rejet des effluents ciblés et permettre ainsi le traitement et le recyclage de l’eau directement au "point d’utilisation" et (v) l’étude de l’impact environnemental et l’analyse technico-économique de la nouvelle technologie proposée.

Coordinateur du projet

Monsieur Marc Cretin (Institut Européen des Membranes) – marc.cretin@umontpellier.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IEM Institut Européen des Membranes
LGC Laboratoire de Génie Chimique
LGE Laboratoire Géomatériaux et Environnement
SG CREE Saint-Gobain Centre de Recherche et d'Etudes Européen
ACTIBIO ACTIBIO

Aide de l'ANR 758 592 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2014 - 42 Mois

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