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Adsorption réversible de micropolluants et polluants émergents

Le procédé d’adsorption réversible de micropolluants et polluants émergents est basé sur la combinaison des propriétés liées à la nanotexture poreuse et aux excellentes conductivités électriques de tissus de carbone activés. Il vise à permettre une adsorption contrôlée et optimisée de micropolluants, présents à des concentrations allant du ng/L au µg/L, sur des tissus de carbone activé, suivie d’une régénération de la porosité de l’adsorbant par polarisation. Les applications concernent le traitement des eaux souterraines, le traitement tertiaire et le traitement à la source (rejets chimiques ou hospitaliers) ainsi que l’amélioration des performances et la miniaturisation des procédés actuels utilisant les carbones activés.
Les recherches sont effectuées dans le cadre d’un projet partenarial financé par l’ANR : PARME.

On assiste à une pollution croissante et diffuse des eaux usées par des molécules organiques émergentes (pesticides, solvants, additifs, hormones, médicaments, etc..) à l’état de traces (du ng/L à quelques µg/L). Ces micropolluants ne sont pour la plupart que peu ou pas éliminés par les stations d’épuration. On peut aussi les retrouver à l’état de traces dans les eaux de consommation humaine. Du fait de leur large spectre d’adsorption, les carbones activés sont des matériaux potentiellement performants pour éliminer efficacement ces micropolluants cibles de taille nanométrique, par exemple en affinage dans les filières de traitement de l’eau. Néanmoins, dans leur utilisation actuelle, les carbones activés arrivés au stade de la saturation ne sont que rarement régénérés ex situ et le coût de leur remplacement périodique est onéreux.

Dans une stratégie « d’eaux plus sûres », le procédé d’adsorption réversible sous polarisation proposé permet de procéder à une régénération in-situ de la porosité saturée en micropolluants, par désorption réversible, grâce à l’application d’une polarisation électrochimique.

Les adsorbants utilisés sont des tissus de carbone activé qui possèdent à la fois des cinétiques d’adsorption élevées, d’excellentes conductivités électriques et une bonne tenue mécanique. Différents matériaux présentant des nanotextures poreuses et des propriétés physico-chimiques de surface différentes sont étudiés. Une caractérisation fine de la porosité des adsorbants est effectuée en réalisant des expériences d’adsorption de gaz (N2 et CO2). Les fonctions chimiques de surface sont déterminées par analyse élémentaire, XPS, TPD, dosages potentiométriques.

Morphologie des Tissus de carbone activé (Images MEB)

Une vingtaine de polluants, résistants aux procédés actuels de traitement et par conséquent fréquemment retrouvées dans les stations d’épuration, ont été sélectionnés de manière à étudier des molécules de famille chimique et de taille différentes. Il s’agit de pesticides (bentazone, mecoprop, atrazine), solvants (pentachlorophénol, chlorure de méthylène, additif (bisphénol A), antalgiques (paracétamol, ibuprofène), anti-inflammatoires (diclofénac, aspirine), anticholestérol (acide clofibrique), antibiotique (ofloxacine), neuroléptique (carbamazépine)…Le suivi des polluants en solution est mené par un système HPLC muni d’un détecteur à barette de diodes.

Les travaux menés consistent à définir les caractéristiques de l’adsorbant nécessaires à une adsorption optimisée. Les isothermes et cinétiques d’adsorption à différents pH, sont dressées pour chaque polluant et corrélées aux propriétés physico-chimiques de l’adsorbat et aux caractéristiques de l’adsorbant. Ainsi, les différents mécanismes d’adsorption pourront être identifiés pour chaque famille de molécules. En particulier, la gamme de porosité impliquée lors de l’adsorption est mise en évidence par des expériences d’adsorption de gaz réalisées sur des adsorbants bruts et à différents stades de saturation par les micropolluants.

Isotherme d’adsorption de l’acide clofibrique, du paracétamol et de l’acide salicylique sur un tissu de carbone activé ; les capacités d’adsorption Qm sont données en mg/g.

Les potentialités de régénération sous polarisation sont étudiées en fonction des caractéristiques de l’adsorbant, des propriétés physico-chimiques de l’adsorbat ainsi que des paramètres de la polarisation (nature du collecteur de courant et de la contre électrode, densité de charge…). Les effets de sélectivité et de compétitivité sont étudiés sur des mélanges de polluants et sur des eaux réelles à épurer et/ou à potabiliser.

Pour une majorité de polluants une désorption rapide et complète est observée en maintenant une polarisation négative à l’électrode de carbone pendant une durée qui varie de quelques minutes à une à deux heures. Les cinétiques de désorption observée dépendent fortement des caractéristiques de l’adsorbat (solubilité dans l’eau, taille, spéciation au pH de travail). La présence de mésopores au sein de la texture poreuse de l’adsorbant semble favorable au processus de désorption sous polarisation, en favorisant le transport de l’adsorbat de la surface de l’adsorbant vers la solution.

Cinétiques de désorption d’un mélange équimolaire d’acide clofibrique et de paracétamol préalablement adsorbés sur un tissu de carbone activé.