Soutenance mémoire
Les activités humaines industrielles (chimie, papeterie, plasturgie, pharmacie. . . ), urbaines (entretien des rues. . . ) ou agricoles sont synonymes de production de particules et de molécules toxiques. Il en découle l’émergence de nouveaux polluants dans les eaux usées qui sont parfois résistants aux procédés de traitement classiques mis en place dans les stations d’épuration. L’impact de la dégradation de l’environnement sur la santé humaine est à la fois une des préoccupations majeures de santé publique et un thème écologique central. Le 2ème Plan National Santé-Environnement (PNSE 2) établi par un groupe partenarial du Grenelle de l’Environnement vise à proposer des mesures concrètes pour l’élimination de ces micropolluants réfractaires dans les milieux aqueux.
Un traitement tertiaire par un Procédé d’Oxydation Avancé (POA) est reconnu comme une solution de complément de la chaîne traditionnelle pour la dégradation de molécules pathogènes réfractaires. La photocatalyse fait partie des POA référencés dans la littérature. Son principe d’action réside dans la production de radicaux hydroxyles par irradiation UV d’un matériau semi-conducteur. Ces espèces ont un puissant pouvoir oxydant et peuvent dégrader les composés les plus résistants. La réaction photocatalytique n’a lieu qu’en cas de contact entre les molécules et le catalyseur actif. Ainsi, de nombreux procédés photocatalytiques ont vu le jour lors des dernières décennies suite à des études expérimentales et numériques. Ces investigations ont été réalisées pour mieux comprendre l’impact du design sur l’amélioration des performances de dépollution de ces réacteurs. Un compromis entre la dépense énergétique et l’efficacité de dégradation macroscopique représente l’intérêt industriel d’un tel procédé. Ces dernières années, l’essor de la simulation numérique symbolisé par l’émergence des outils CFD (Computational Fluid Dynamics) a permis de prédire le comportement de tels systèmes en limitant le recours aux essais expérimentaux systématiques souvent chronophage et coûteux. Un autre avantage de la CFD est de pouvoir développer une analyse approfondie des mécanismes à l’échelle microscopique. Dans une approche microscopique il s’agit alors de modéliser le couplage entre l’écoulement, le transport, le rayonnement et la réaction catalytique sur un domaine géométrique représentatif du système étudié. La connaissance des caractéristiques microscopiques par une étude de sensibilité aux différents paramètres du système permet alors d’envisager des améliorations du réacteur pour accroitre ces performances. Pour mettre en œuvre un modèle réaliste d’un procédé, il est toutefois nécessaire d’acquérir des données expérimentales de référence. Elles peuvent servir à valider le modèle numérique ou être utilisées comme données pour trouver un paramètre de calage manquant.
L’efficacité des réacteurs dépend fortement du volume de fluide circulant au voisinage du catalyseur activé par irradiation UV. Pour garantir un traitement volumique, le catalyseur peut être en suspension dans la solution à dépolluer. Néanmoins, il existe un risque de pollution résiduel par les particules de catalyseur ainsi un procédé de filtration doit être obligatoirement associé en post-traitement de ces systèmes. Une deuxième catégorie de réacteur met en œuvre un catalyseur fixé à un matériau inerte, à un film ou une membrane etc. Il est alors irradié par une source de lumière externe.
La présente thèse traite d’un nouveau matériau du second type appelé ‘textile photocatalytique’. Elle fait partie du projet AQUAPHOTEX qui s’inscrit dans la continuité du projet PHOTEX. Le projet PHOTEX visait à développer un textile lumineux photocatalytique pour le traitement de l’air agissant comme source d’irradiation UV et support du photocatalyseur, afin de lever les limitations liées aux systèmes à lampe UV rigides concernant le rendement énergétique et le rapport de surface. Les objectifs techniques étaient d’optimiser la dégradation de composés organiques volatils (COV) dans l’air. Ce projet est arrivé à terme en décembre 2010 avec des résultats très positifs, qui ont amené la société Brochier Technologies (manufacturier du textile photocatalytique) à démarrer un transfert du matériau innovant aux industriels du domaine de traitement de l’air. Aussi, le consortium de PHOTEX a souhaité poursuivre le développement pour l’application au traitement de l’eau. Le textile dépolluant mis au point pour le traitement de l’air, ne peut être appliqué au traitement de l’eau. Les contraintes liées au fluide aqueux par rapport au fluide gazeux sont différents, notamment l’impact de la turbidité du fluide sur le matériau photocatalytique et la mouillabilité du matériau photocatalytique sont des paramètres critiques qui ont mené à la création d’un nouveau textile.
Procédé d’Oxydation Avancée
En France, trois grandes catégories d’eaux usées peuvent être distinguées : les eaux domestiques provenant de l’activité dans les foyers tels que la vaisselle ou l’utilisation des sanitaires, les eaux industrielles et agricoles, et les eaux pluviales. Après collecte, ces eaux sont traitées dans les stations d’épuration afin d’être rejetées dans le milieu naturel avec la meilleure qualité possible. Il existe d’autres types de traitement des eaux adaptés à la production d’eau potable.
Plusieurs procédés communs de traitement sont répertoriés :
– Oxydation : c’est l’étape préalable pour dégrader les matières organiques présentes par réaction avec le chlore ou l’ozone
– Clarification : elle permet d’éliminer les particules en suspension par passage de l’eau à travers une grille (dégrillage) puis par passage à travers un tamis (tamisage)
– Floculation et décantation : elle permet l’agrégation des particules en suspension restantes dans le fond d’un bassin par ajout d’un coagulant
– Filtration sur sable : elle permet la filtration l’eau par passage à travers un ou plusieurs substrats granulaires
– Désinfection ou chloration : elle permet l’élimination des micro-organismes pathogènes en utilisant un désinfectant chimique (chlore ou ozone) ou des rayons UV.
Lorsque que la chaîne traditionnelle de traitement des eaux potable ou usées ne suffit pas à répondre aux critères de qualité de l’eau, certains traitements spécifiques peuvent être appliqués. En effet, l’activité humaine génère de nouveaux types de polluants comme les produits phytosanitaires, les produits pharmaceutiques, les composés industriels, les produits de beauté, les stéroïdes ou hormones ou en encore les drogues. La croissance de la concentration de ces micropolluants dans l’eau a été mise en évidence dans des milliers de publications au cours de ces dernières décennies (Jurado et al., 2012).
Certains de ces composés sont des perturbateurs endocriniens. Il est prouvé que ces molécules peuvent être facteur de pathologies. Par exemple, les agriculteurs sont une population où le risque d’avoir un cancer de la prostate ou des problèmes d’infertilité est très élevé. La manipulation fréquente de pesticides est à l’origine de cette recrudescence (Testud et al., 2007; Mehrpour et al., 2014). De plus, ces substances cancérogènes sont aussi des polluants organiques persistants qui sont toxiques pour la faune et la flore aquatiques. Le terme « pesticide » désigne plus de 800 produits chimiques utilisées pour protéger les végétaux contre les organismes nuisibles. Néanmoins, leur utilisation implique l’infiltration dans les nappes souterraines et la pollution des cours d’eau .
Afin de limiter les rejets de ses substances dans les milieux récepteurs, il est nécessaire de prévenir les risques, de contrôler et de réglementer l’utilisation des produits chimiques. Néanmoins, l’interdiction totale n’est pas en vigueur, une quantité même minime de ces micropolluants est susceptible de contaminer les eaux. Des normes sanitaires et des réglementations très strictes ont donc été mises en place pour répondre à ce danger et ainsi préserver l’écosystème, la biodiversité et la santé humaine. Parmi les 54 paramètres définissant la qualité d’une eau potable la concentration en pesticide ne doit pas excéder 0, 5 µg par litre. Ces suivis ont pour but de protéger la qualité des ressources et concernent de nombreux produits chimiques autres que les pesticides .
Comme dit précédemment, le fonctionnement des stations d’épuration n’est pas prévu pour faire face à ce type de pollution récente. Des solutions complémentaires ont donc été trouvées pour éviter une exposition croissante à ces polluants. Le procédé sur charbon actif est couramment utilisé après un traitement d’oxydation. Il permet de fixer les molécules de polluants par pénétration à travers ces pores de taille réduite. Une alternative est d’appliquer un procédé d’oxydation avancée (POA) après le traitement classique. Les Procédés d’Oxydation Avancée peuvent être appliqués en prétraitement ou en posttraitement des processus biologiques. L’intégration des POA dans une séquence de procédés complémentaires est une solution pour obtenir un effluent constitué de composés biodégradable (Comninellis et al., 2008). L’incorporation de ces nouvelles technologies est nécessaire à la modernisation des stations d’épuration pour la minéralisation totale de micropolluants ou leur conversion en composés moins nocifs. Le principe des POA est de générer des radicaux hydroxyles OH• qui sont hautement réactifs et attaquent les micropolluants toxiques présents dans l’eau. Ces puissants oxydants (E0 = 2, 80V ) (E0 = 2, 80V ) peuvent dégrader indifféremment les micropolluants avec des constantes de vitesse de réaction généralement autour de 100 mol.L.s−1 en cédant du dioxyde de carbone (CO2) et des molécules d’eau (H2O) et éventuellement des ions inorganiques comme produits finaux (Hoigné, 1997). La réactivité de ces radicaux est tellement élevée qu’elle entraîne des réactions secondaires avec d’autres substances présentes naturellement dans l’eau. Il est nécessaire de limiter les réactions secondaires pour accroître l’efficacité de ces procédés.
Après le fluor, le radical hydroxyle est l’oxydant plus fort (Pera-Titus et al., 2004) et sa production peut être faite par plusieurs voies. Les POA comprennent plusieurs technologies efficaces pour traiter l’eau en appliquant soit des rayons ultraviolets (UV), de l’ozone (O3), le peroxyde d’hydrogène (H2O2) ou de l’oxygène (O2) entre autres. Parmi les POA classiques, les processus peuvent être qualifiés d’homogène ou d’hétérogène. Les procédés homogènes sont caractérisés par des modifications chimiques qui sont fonction uniquement des interactions entre les réactifs chimiques et les composés cibles (Oliveira et al., 2014). Quelques exemples :
– Ozone comprenant O3 + UV , O3 + H2O2, O3 + UV + H2O2 (Feng et al., 2013)
– Oxydation du peroxyde humide à des températures inférieures à 373 K (Kolaczkowski et al., 1997)
– Les réactions de Fenton comme photo-Fenton, sono-Fenton, electro-fenton (PeraTitus et al., 2004)
– Oxydation par voie humide à haute pression et haute température où l’oxygène dissous est utilisé comme agent oxydant (Faye et al., 2009) .
Les procédés hétérogènes dépendent quant à eux, de l’adsorption des réactifs et de la désorption des produits qui se déroulent au niveau de la surface du catalyseur (Soon & Hameed, 2011). Les POA hétérogènes, les plus communément employés sont :
– Photocatalyse hétérogène où un photocatalyseur semi-conducteur est irradié par UV (Hoffmann et al., 1995)
– Oxydation catalytique de peroxyde d’hydrogène humide (Kolaczkowski et al., 1997)
– Ozonation catalytique où un catalyseur hétérogène accélère la production d’espèces hautement réactives (Chen et al., 2015)
– Procédé Fenton hétérogène (Pera-Titus et al., 2004) .
Il est montré que les procédés Fenton sont les technologies les plus utilisés (31%), suivis par la photocatalyse (20%). Le paragraphe suivant présente un focus sur la photocatalyse appliquée au traitement de l’eau (Ribeiro et al., 2015).
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Table des matières
Introduction générale
I Revue bibliographique
I.1 Procédé d’Oxydation Avancée
I.2 Photocatalyse
I.2.1 Principe
I.2.2 Réacteurs photocatalytiques
I.2.3 Textile photocatalytique
I.3 Ecoulement en milieu fibreux
I.3.1 Modélisation d’un milieu fibreux
I.3.2 Caractérisation expérimentale unidimensionnel des milieux poreux
I.3.3 Stratégie de modélisation hydrodynamique
I.4 Simulation de réacteurs photocatalytiques
I.4.1 Modélisation des réacteurs par des outils de CFD
I.4.2 Stratégie de modélisation
I.5 Objectifs de l’étude
II Matériel et méthodes
II.1 Outils expérimentaux
II.1.1 Textile photocatalytique
II.1.2 Dispositif expérimental
II.1.2.1 Mesures hydrodynamiques
II.1.2.2 Distribution des Temps de Séjour au sein du réacteur
II.1.2.3 Mesures de dégradation photocatalytique
II.2 Outils numériques d’analyse microscopique
II.2.1 Volume élémentaire représentatif du textile photocatalytique
II.2.2 Modèle hydrodynamique
II.2.2.1 Couplage Navier-Stokes et Darcy-Brinkman
II.2.2.2 Conditions aux limites
II.2.3 Modèle de transport-réactif
II.2.3.1 Equation de transport et modèle de Langmuir-Hinshelwood
II.2.3.2 Hypothèses et simplifications
II.2.3.3 Conditions aux limites
II.2.4 Conditions aux limites pseudo-périodiques
II.2.5 Modèle sans dimension
II.2.5.1 Modèle hydrodynamique
II.2.5.2 Modèle de transport-réactif sans dimension
II.2.6 Simulation numérique et choix du maillage
II.3 Outils numériques d’analyse macroscopique
II.3.1 Modèle de résistance hydrauliques
II.3.2 Modèle unidimensionnel de transport réactif
II.4 Bilan
III Etude de l’écoulement au sein du textile photocatalytique
III.1 Présentation du travail, objectifs et approche
III.2 Article 1 : Multiscale analysis and modelling of fluid flow within a photocatalytic textile
III.3 Conclusion
IV Etude du transport et du mélange au sein du textile photocatalytique
IV.1 Présentation du travail, objectifs et approche
IV.2 Article 2 : Age distribution and mixing analysis within a photocatalytic textile
IV.3 Conclusion
V Modèle théorique du transport réactif au sein du textile photocatalytique
V.1 Présentation du travail, objectifs et approche
V.2 Article 3 : Model of reactive transport within a light photocatalytic textile
V.3 Conclusion
VI Analyse multi-échelle de la degradation par le textile photocatalytique
VI.1 Présentation du travail, objectifs et approche
VI.2 Article 4 : Multiscale analysis of reactive transport within a photocatalytic textile
VI.3 Conclusion
Conclusion générale
