Les enjeux de l’eau et les technologies innovantes de dépollution

La terre est occupée dans sa grande partie par l’eau. Les réserves aquatiques terrestres se chiffrent à environ 14.10¹⁷ m3 , dont 97,2 % sont contenus dans les mers et les océans. L’eau douce ne représente qu’une faible part de ce total (2,8%) [1]. L’eau douce est donc considérée comme une richesse rare. C’est un élément vital dont l’importance au niveau planétaire est sans cesse rappelée. Si la molécule est assurée de subsister à profusion sauf en milieux arides, sa qualité nécessaire à une utilisation saine par la nature et l’humanité, est en grand péril. Parmi les nombreux dangers qui menacent l’eau, la pollution par les activités humaines et industrielles constitue un sujet de préoccupation majeur de nos sociétés développées.

La gravité et l’étendue des problèmes causés par les rejets deviennent de plus en plus inquiétantes, la communauté scientifique consciente de la situation pousse les gouvernements à mettre en place une réglementation de plus en plus stricte en matière de rejets de polluants. Dans ce contexte, un vaste sujet d’études pour réduire cette pollution à la source si possible, dans les effluents si nécessaire avec des traitements curatifs appropries, est développé.

Plusieurs moyens conventionnels de traitement de l’eau ont été développés et ont permis de lutter efficacement contre les polluants. Cependant, le développement des industries a entrainé l’apparition des polluants émergents et récalcitrants, résistants aux procédés classiques de dépollution. Il est donc évident de s’orienter vers l’emploi de technologie innovante de dépollution plus efficace et énergétiquement économique. Les procédés d’oxydation avancés basés sur la génération in situ d’entités très réactives et très oxydantes, les radicaux hydroxyles •OH [2 ; 3] ont été développés. Parmi ces procédés, le procédé plasma obtenu à température et pression ambiante est de plus en plus utilisé pour la dépollution des effluents liquides à cause de son efficacité, car il permet la minéralisation en milieu aqueux des molécules organiques toxiques pour l’homme et pour l’environnement. Parmi ces procédés, le plasma glidarc et le plasma à décharge à barrière diélectrique ont montré leurs capacités dans l’élimination des polluants organiques récalcitrants.

Le laboratoire de chimie minérale de l’université de Yaoundé 1, mène depuis quelques années des recherches sur la dépollution des effluents en utilisant le procédé plasma glidarc de dépollution. Deux réacteurs glidarcs batch, première et deuxième génération, sont utilisés. L’utilisation de l’air comme gaz plasmagène et la forte puissance du générateur favorisent la production massive des NOx qui réduit l’efficacité du procédé. L’alternative est donc de s’orienter vers le réacteur DBD qui utilise une puissance énergétique modérée avec argon comme gaz vecteur. L’objectif principal de ces travaux de Thèse en cotutelle réalisés entre le laboratoire de Chimie minérale de l’université de Yaoundé 1 (Cameroun) et l’équipe Procédés Plasmas Microsystème (2PM) de l’université Pierre et Marie Curie (France), est de comparer la performance de réacteur glidarc première et deuxième génération et d’étudier l’élimination d’un polluant récalcitrant dans un procédé innovant DBD.

Les enjeux de l’eau et les techniques innovantes de dépollution

Les enjeux de l’eau

Généralité sur l’eau

L’eau est la matière première la plus importante sur notre planète, pour les êtres humains, les animaux, les plantes et les microorganismes. Suivant l’évolution de la température, on la retrouve sur trois états physiques : Solide, liquide et gazeux. De nombreuses études faites sur l’eau [1] révèlent que 97,2% de l’eau de la planète est salée (mers et océans), donc impropre à la consommation domestique, industrielle et agricole. L’eau douce ne représente que 2,8% de volume total, dont la majeure partie (99,4%) se trouve confiner dans la glace ou dans des nappes souterraines. Cette ressource, bien qu’une infime partie constituée par des eaux superficielles et souterraines soit directement accessible, il se trouve qu’elle est très inégalement repartie (Fig. I-1), devenant ainsi un enjeu géopolitique majeur.

Une dizaine de pays seulement se partage les 2/3 de la ressource en eau (Fig. 2). Un rapport des Nation Unies [2] a établi que neuf pays (le Brésil, la Colombie, la Russie, l’Inde, le Canada, les Etats-Unis, l’Indonésie, le Congo et la Chine) se partagent 60% du débit annuel mondial de l’eau. 37 pays dans le monde connaissent un stress hydrique extrêmement élevé : conséquence, les tensions régionales s’aggravent, notamment dans le bassin méditerranéen, où la pression sur la ressource en eau se fait plus forte [3].

Bien qu’inégalement réparti à la surface de la Terre, le stock global des ressources en eau douce est menacé par les besoins, qui augmentent et qui en font un enjeu central. En effet, le vingt-et-unième siècle est caractérisé par un progrès technique considérable, accompagné d’un boom démographique sans précédent. Ces deux facteurs ont contribué à une forte consommation mondiale en eau qui est passée de 400 à 7000 milliards de mètre cube. Cette consommation varie d’une zone à une autre et par secteur d’activité. Les pays dont l’indice de développement humain est la plus faible qui connaissent les forts taux de croissance démographique (principalement Afrique) ont un usage d’eau principalement domestique, tandis que dans les pays développés, avec une croissance démographique ralentie, l’usage est essentiellement industriel et agricole. Notons que dans le monde, comme en témoigne la figure 3, l’agriculture consomme 70% de l’eau douce, principalement dans l’irrigation, ce qui risque de pâtir d’un phénomène inquiétant : le déséquilibre croissant dans l’accès à l’eau dont la consommation globale va doubler. 22% sont consommés par les activités industrielles dont les plus gourmandes en eau sont notamment la métallurgie, l’agroalimentaire, les raffineries du pétrole et l’industrie de la pâte à papier. L’usage domestique de l’eau ne représente qu’une infime partie (8%).

La pollution de l’eau

Définition
La pollution est la contamination de l’air, de l’eau ou du sol (par des substances chimiques, organiques ou radioactives) altérant la santé de l’homme, la qualité de la vie ou le fonctionnement naturel des écosystèmes [4]. Une eau polluée est donc une eau qui a subi, du fait de l’activité humaine, directement ou indirectement ou sous l’action d’un effet biologique ou géologique, une modification de son état ou de sa composition qui a pour conséquence de la rendre impropre à l’utilisation à laquelle elle est destinée. Compte tenu de la complexité liée à sa définition, la pollution de l’eau ne peut provenir que de diverses sources.

Sources de la pollution
La pollution de l’eau est essentiellement due aux activités humaines ainsi qu’aux phénomènes naturels. L’origine naturelle de la pollution de l’eau est due soit par l’érosion, qui par l’usure des roches, entraine les éléments toxiques tels que les métaux lourds, les substances indésirables et tout autre polluant dans les eaux superficielles par ruissellement et dans les eaux souterrains par infiltration, soit par les éruptions volcaniques, caractérisées par l’entrainement des coulées de laves dans l’eau lors des éruptions volcaniques, de façon à engendrer des concentrations inhabituelles en métaux toxiques, à l’exemple de l’arsenic, du sélénium et bien d’autres. Les glissements de terrain et les ouragans constituent aussi les sources de la pollution de l’eau par les phénomènes naturelles. L’origine anthropique de la pollution est liée à la présence des êtres humains et de leurs manières à vouloir simplifier la vie à travers les innovations technologiques et scientifiques. Selon leur origine, on peut distinguer trois catégories à savoir: la pollution domestique, agricole et industrielle.

★ La pollution domestique est due principalement aux rejets domestiques (eaux de lavages, huiles de vidanges, matières fécales, etc.). C’est la cause principale de l’augmentation du phosphore dans les eaux usées, substance responsable, avec les nitrates des phénomènes d’eutrophisation.
★ La pollution agricole est caractérisée par l’utilisation abusive d’engrais chimiques et l’élevage industriel, qui chargent les nappes phréatiques en phosphates et en nitrates.
★ La pollution industrielle est la plus impressionnante de toutes les sources de la pollution. Celle-ci est due à sa grande diversité liée au développement de l’industrie et surtout à la variété des activités industrielles. Nous pouvons donc citer entre autres :

• Les colorants provenant des industries textiles.
• Les hydrocarbures provenant des industries pétrolières, les transports ferroviaires ou aériens, etc.
• Les matières radioactives provenant des centrales nucléaires et du traitement des déchets radioactifs.
• Les cendres volantes des centrales thermiques alimentées au charbon et des cimenteries.

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
Bibliographie
CHAPITRE I : LES ENJEUX DE L’EAU ET LES TECHNOLOGIES INNOVANTES DE DÉPOLLUTION
I.1 Les enjeux de l’eau
I.1.1 Généralité sur l’eau
I.1.2 La pollution de l’eau
I.1.2.1 Définition
I.1.2.2 Sources de la pollution
I.1.2.3 Effet sur l’environnement
I.1.2.4 Traitement de l’eau
I.2 Les technologies innovantes de dépollution de l’eau
I.2.1 Procédé Hydrothermale d’oxydation optique (HOO)
I.2.2 Procédé électrochimique d’oxydation [15;16]
I.2.3 Procédés d’oxydation avancés
I.2.3.1 Procédés chimique d’oxydation avancés
I.2.3.2 Procédés photochimiques d’oxydation avancés
I.2.3.3 Procédés catalytiques d’oxydation avancés
I.2.3.4 Autres procédés d’oxydation avancés
I.2.3.5 Avantages et inconvénients de procédés innovants de traitement de l’eau
I.3 Procédé Plasma
I.3.1 Différents types de plasma
I.3.1.1 Plasma thermique ou plasma chaud
I.3.1.2 Plasma tiède ou effluvage électrique
I.3.1.3 Plasma froid ou Plasma hors équilibre thermique
I.3.1.3.1 Décharge glidarc
I.3.1.3.1 Décharge à barrière diélectrique
I.3.2 Caractérisation des plasmas non-thermiques à pression atmosphérique
I.3.2.1 Interaction au sein du plasma
I.3.2.2 Composition chimique d’un plasma d’air humide
I.3.2.3 Composition chimique d’un plasma d’oxygène humide
I.3.3 Traitement de l’eau polluée par plasma froid : Etat de l’art
I.3.3.1 Comparaison des performances des réacteurs
I.3.3.2 Principaux paramètres influençant les décharges
Biographie
CHAPITRE II : MATÉRIEL ET MÉTHODES
II.1 Matériel utilisé
II.1.1 Réacteur glidarc
II.1.1.1 Mode de fonctionnement du réacteur glidarc
II.1.1.1.1 Dispositif expérimental du réacteur glidarc batch première génération
II.1.1.1.2 Dispositif expérimental du réacteur glidarc batch deuxième génération
II.1.1.2 Quantification de l’énergie
II.1.2 Réacteur DBD
II.1.2.1 Description du réacteur
II.1.2.2 Quantification d’énergie dans le réacteur utilisé
II.2 Choix des polluants
II.3 Méthode d’analyse
II.3.1 Analyse en phase liquide
II.3.1.1 Mesure des espèces réactives générées dans le liquide
II.3.1.2 Détermination de la concentration résiduelle en polluant et taux de dégradation
II.3.1.2.1 Mesure par HPLC
Principe
Mode opératoire
II.3.1.2.2 Mesure de carbone organique total (COT)
Principe
Mode opératoire
II.3.1.2 .3 Mesure de spectrophotometre UV
Principe
Mode opératoire
II.3.2 Analyse en phase gazeuse
II.3.2.1 Mesure des oxydants totaux
II.3.2.2 Mesure des NOx et d’ozone
II.5 ANNEXE
Annexe II- 1 : Glidarc
Annexe II-2 : DBD pointe/plan
Annexe II-3 : Dosage spectrophotométrique des nitrites par la méthode au réactif de Griess
Mode opératoire
Annexe II-4 : Dosage spectrophotométrique des nitrates par la méthode au réactif de Griess
Mode opératoire
Annexe II-5 : Protocole de mesures des oxydants totaux en phase gazeuse
Bibliographie
CHAPITRE III. ETUDE COMPARATIVE DE LA PERFORMANCE DU RÉACTEUR GLIDARC BATCH PREMIÈRE ET DEUXIÈME GÉNÉRATION
III.1 Etude des espèces réactives stables créées dans le réacteur plasma glidarc en circulation et analyse du transfert en phase liquide
III.1.1 Caractérisation des espèces stables gazeuses créées par la décharge
III.1.2. Caractérisation du transfert gaz-liquide
III.1.2.1. Choix des conditions opératoires
III.1.2.2 Etude du transfert des espèces stables générées par la décharge en présence de l’eau distillée
III.1.2.2.1 Mesure des espèces stables générées par la décharge en présence de l’eau dans le réacteur
III.1.2.2.2 Mesures des espèces générées par la décharge dans l’eau distillée
III.1.2.2.3 Bilan matière
III.1.2.3. Etude du transfert des espèces stables gazeuses générées par la décharge en présence de la solution du phénol
III.1.2.3.1 Mesure des espèces stables générées par la décharge en présence du phénol dans le réacteur
III.1.2. 3.2 Analyse en phase liquide
III.2. Etude d’élimination du phénol
III.2.1. Analyse UV-visible
III.2.2. Analyse par HPLC
III.2.3. Analyse de COT
III.3. Etude comparative des deux réacteurs étudiés
III.3.1. Comparaison de l’efficacité du transfert gaz-liquide
III.3.2. Comparaison des espèces issues du transfert dans la phase liquide
III.3.3. Comparaison de l’efficacité énergétique des deux réacteurs utilisés
III.3.4. Coût énergétique du traitement
Bibliographie
CONCLUSION GÉNÉRALE

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