Ce document contient la transcription textuelle d’une vidéo du MOOC UVED « Énergies renouvelables ». Ce n’est donc pas un cours écrit au sens propre du terme ; le choix des mots, l'articulation des idées et l’absence de chapitrage sont propres aux interventions orales des auteurs.

Comment traiter nos eaux par voie solaire ?

Gaël PLANTARD, Maître de Conférences – Université de Perpignan

1. Pollutions de l’eau

Les pollutions de l’eau ont diverses origines. Elles sont liées à notre activité agricole avec la présence de pesticides. Nous sommes de très forts consommateurs et utilisateurs de pesticides. Elles sont aussi liées à l'activité industrielle avec l'utilisation de produits dérivés des produits hydrocarbures, à l'industrie chimique et pharmaceutique. L'ensemble de ces industries produit de nombreux polluants. Cette pollution se retrouve dans nos eaux. Cette eau est traitée actuellement par des moyens dits biologiques qui permettent de traiter, pour vous donner un ordre de grandeur, jusqu'à 90 à 95% de cette pollution. Les 5 % ou 5 à 10 % de cette pollution restante contient en fait ce qu'on appelle des bio récalcitrants. Ce n’est pas tant cette quantité qui pose problème mais c'est plus en fait leur capacité à résister à des procédés de traitement biologique classique. On met donc en place différents outils pour traiter cette pollution. On est aidés par des directives européennes qui visent à limiter les émissions de ces polluants : à hauteur de 30 à 70 % des substances dangereuses prioritaires doivent être réduites à l'horizon 2020. On cherche également à réhabiliter les nappes phréatiques, alors on essaie de cibler des polluants qui sont présents en très faible quantité dans ces eaux et à réduire cette pollution. On vise également la réutilisation des eaux usées, comme par exemple la réutilisation des eaux en sortie de station d'épuration pour de l'irrigation d’espaces verts ou de zones agricoles. Les procédés biologiques ne permettant pas de traiter totalement cette pollution, on développe des procédés originaux qui sont les procédés d'oxydation avancée qui permettent de s'attaquer à cette pollution récalcitrante.

2. La photocatalyse : principe

La photocatalyse fait partie des procédés de d’oxydation avancée. Le principe est relativement simple. Il consiste à utiliser un semi-conducteur qui est un matériau photosensible. Il va permettre de capter le rayonnement UV et de photo-exciter des électrons qui sont contenus dans ce qu'on appelle la bande de valence. Ils vont libérer ces électrons pour les orienter vers la bande de conduction et donc les rendre accessibles. Ces électrons vont réagir en surface avec des molécules environnantes (donc ça peut être de l'eau, des espèces contenues dans l'eau, formes ioniques), qui vont générer des réactions qu'on appelle d'oxydo-réduction et générer ce qu'on appelle des espèces radicalaires. Ces espèces radicalaires sont sympathiques puisqu'elles permettent de s'attaquer aux polluants biorécalcitrants évoquées plus haut. Elles le permettent parce qu'elles sont extrêmement réactives du fait qu'elles ont des durées de vie extrêmement courtes, de l'ordre de la nanoseconde. Elles vont donc permettre de minéraliser, c'est-à-dire de dégrader des polluants pour les rendre et les transformer sous la forme de CO2 et d’eau.

3. Modélisation

Comment transposer ce qui se passe à la petite échelle à des applications concrètes comme des applications développées par la société Résolution ou des irrigations des espaces verts ? Nous procédons en deux étapes. La première étape consiste à travailler dans des conditions contrôlées de façon à comprendre et maîtriser le processus de dégradation. On travaille donc avec des molécules cibles qui sont représentatives des familles de polluants évoquées plus haut. On va les placer dans des volumes de 1 litre par exemple, à une concentration donnée. On va faire circuler cette solution devant ce qu'on appelle un photoréacteur et on va appliquer des conditions d'irradiation variable. On va mesurer à l'aide de différents moyens l'évolution de cette concentration au cours du temps. On peut suivre sur une molécule cible. On utilise ce qu’on appelle les moyens HPLC : on suit une molécule ou alors la matière organique totale par des moyennes qu'on appelle les TOC donc qui suit le carbone organique total. En suivant cette cinétique au cours du temps, on voit sur le graphique ci-dessous qu’on a différentes évolutions. Ces évolutions vont évidemment dépendre des conditions d'irradiation et des conditions dans lesquelles on a réalisé ces mesures et nous, ce qu'on essaie de faire derrière, c'est de faire coller des modèles en fait qui vont être capables de représenter l'évolution de cette concentration.

Ces modèles tiennent compte de paramètres cinétiques dont l'intensité et d’autres paramètres. Une fois que l'on a modélisé cette réaction, on peut essayer de valider ces mécanismes dans des conditions dites réelles, c'est-à-dire conditions solaires.

4. Contraintes

Quelles sont les contraintes posées par l'utilisation de l'énergie solaire ? Elles sont multiples mais la principale est que c'est une ressource intermittente. On va se retrouver avec une densité de flux inégalement répartie sur le territoire. Vous savez bien que le rayonnement n'est pas le même à Paris qu’il ne l'est par exemple à Perpignan. De la même manière, on va se retrouver avec des intermittences liées à la météo avec par exemple des passages nuageux mais également l'alternance des cycles jour/nuit et également des saisons. Nous n'avons pas le même ensoleillement donc été que nous avons l'hiver, aussi bien en temps qu’en intensité. Pour représenter ça, on voit sur le graphique ci-dessous les courbes bleues qui représentent les alternances de différents jours au cours du temps.

5. Validation

On va valider nos expériences dans des conditions réelles. On a donc développé ce qu'on appelle des prototypes qui sont des proto à petite échelle, qui font par exemple deux mètres carrés exposés au soleil, avec des réservoirs de quelques dizaines de litres et on va faire circuler de la même manière notre solution au soleil de façon à pouvoir la traiter. On suit donc, comme on peut le voir sur le graphique ci-dessous, à la fois les conditions d'irradiation, avec ce qu’on appelle un pyranomètre qui va enregistrer la densité de flux UV reçu par le pilote et on va également suivre (donc c'est ce qu'on voit, les points rouges) des points expérimentaux qui vont correspondre à la concentration de ce polluant qui évolue au cours du temps. Ce qu'on peut voir, c'est que le modèle est bien représentatif de nos expériences.

Ça veut dire que le modèle qu'on a validé en conditions internes, dans des conditions parfaitement maîtrisées, représente bien finalement l'évolution de la concentration dans des conditions dites réelles, c’est à dire conditions d'irradiation solaire. L'intérêt de valider ce modèle est multiple mais le principal est qu'on peut utiliser ce modèle pour évaluer la capacité que va avoir ce pilote à traiter nos eaux sur des plus grandes échelles, c'est-à-dire sur des plus grandes surfaces mais surtout sur des plus grandes échelles de temps. Par exemple qu’est-ce qui se passe sur un mois voire sur une année ?

6. Application

Pour illustrer nos propos et pour vous proposer une application concrète en fait, qui consiste à réutiliser nos eaux. Si on se place en sortie de station d'épuration, on a une pollution qui est multiple. On a différents polluants qui rentrent dans nos stations et qui vont être traités biologiquement. Ils vont être traités partiellement biologiquement et donc en sortie de station d'épuration, on va se retrouver avec une pollution dite rémanente, persistante. On peut alors y positionner un procédé d'oxydation avancée. Le problème est que les capacités de traitement de ces procédés sont insuffisantes pour pouvoir s'attaquer à de tels volumes. On va alors essayer d'hybrider ce procédé avec un procédé membranaire.

Ce procédé membranaire va permettre de concentrer fortement la pollution. D'une part il va séparer les eaux et donc filtrer et rendre une eau propre pour une application d'irrigation par exemple avec un niveau sanitaire qui est suffisant, et ensuite il va concentrer la pollution (dont il va y avoir une partie de l'eau qui va être concentrée), il va concentrer cette pollution de façon à pouvoir l'envoyer vers le procédé photo catalytique. Ce procédé photo catalytiques va permettre de traiter ces eaux. Dans ce cas-là, on ne va pas viser la minéralisation complète qui serait trop longue mais on va essayer tout simplement de rendre ces polluants biodégradables, c'est-à-dire qu'on va casser ces macromolécules de façon à les rendre assimilables par le procédé biologique et ainsi pouvoir renvoyer en tête de station en fait cette pollution de façon à ce qu’elle puisse être traitée par les procédés classiques conventionnels que sont les procédés d'oxydation avancée.