Développement d'un procédé photocatalytique d'élimination de micropolluants organiques persistants (MOP) en vue de l'application de potabilisation des eaux naturelles

L'eau étant une ressource dont la qualité est détériorée par l'intensification et la diversification des activités humaines, différents traitements physico-chimiques/biologiques sont mis en oeuvre dans les stations d'épuration. Malheureusement, ces traitements conventionnels, efficaces pour abattre la majorité des polluants présents en concentration importante, s'avèrent être insuffisants face aux micropolluants organiques persistants, qui sont parfois très toxiques. Dans cette optique, des procédés d'oxydation avancée (POA) ont été développés. La photocatalyse, POA avantageuse par l'absence du recours à des réactifs, utilise un rayonnement énergétique (UV) afin d'activer un catalyseur capable de produire à partir de l'eau des radicaux oxydants puissants comme OH° (voir figure 1 et tableau 1 ). En outre, l'utilisation de ce procédé pour traiter des teneurs en polluants de l'ordre du µg/l, voire du ng/l, est tout à fait innovante et suggère l'intervention préalable d'une phase d'adsorption afin de préconcentrer les micropolluants sur le photocatalyseur supporté. Des études menées sur le choix d'un photocatalyseur efficace ont montré que le TiO2 sous sa forme mixte anatase/rutile constituait le meilleur catalyseur face à un grand nombre de composés. En effet, il comptabilise quelques avantages non-négligeables comme son inertie chimique et biologique, sa facilité de production, son coût peu onéreux et sa très bonne activité photocatalytique [1].
In fine, le travail vise la conception et le dimensionnement d'un réacteur de photodégradation catalytique à partir d'un dispositif expérimental qui sera mis à profit comme traitement complémentaire dans les stations d'épuration et les installations de potabilisation.
Afin d'y parvenir, une démarche expérimentale réfléchie est nécessaire à l'obtention de paramètres clés relatifs à la cinétique (de photodégradation) et l'état d'équilibre (adsorption) du système physico-chimique, nécessitant une caractérisation de l'hydrodynamique et du transfert de matière.
Une première étape consistera en l'optimisation des propriétés adsorbantes et photocatalytiques du support actif via des techniques de texturation et une formulation adéquate de la solution d'imprégnation.
Il découlera, en conséquence, une recherche sur la géométrie du photocalyseur qui apportera les meilleures performances de dégradation, déterminées par le biais d'un TOCmètre et d'une chromatographie ionique.
Après la sélection de 3 micropolluants prioritaires sur base de critères pertinents tels que la toxicité, la fréquence d'apparition et la concentration, la campagne expérimentale débutera avec, comme première phase, l'identification par HPLC-MS d'éventuels sous-produits de dégradation qui seront examinés sur leur aspect toxicologique.
Chaque polluant organique sera ensuite étudié séparément pour tirer lesdits paramètres cinétiques directement liés aux conditions opératoires.
Un plan d'expériences sera aussi établi pour analyser l'influence de la modification des conditions opératoires telles que la température, le débit, la concentration en polluant, la quantité de TiO2, etc.
Notre attention se focalisera enfin sur l'expérimentation avec une matrice d'eau réelle afin de mettre en évidence les effets, néfastes ou bénéfiques, sur le catalyseur d'éléments inhérents à l'eau.
Grâce à l'ensemble des informations qui ont auront été recueillies via ces diverses étapes, il sera dès lors possible de modéliser les phénomènes afin d'aboutir au dimensionnement des installations.

Référence
[1] F. Zaviska, P. Drogui, G. Mercier, and J.-F. Blais, 'Procédés d'oxydation avancée dans le traitement des eaux et des effluents industriels: Application à la dégradation des polluants réfractaires,' Rev. des Sci. l'eau, vol. 22, no. 4, p. 535, 2009.