Généralités sur la pollution et les techniques classiques et modernes de dépollution

Généralités sur la pollution

Dans les sociétés modernes où les progrès technologiques et les évolutions sociologiques ont profondément modifié le mode de vie de l’homme et des espaces qui l’entourent, le respect de l’environnement est devenu l’une des préoccupations majeures, voire un problème mondial dans la mesure où sa dégradation, sa pollution et ses modifications ont atteint des proportions importantes dans la plus part des grandes villes, à l’instar de la crise de déchets à Naple (Italie, 2008) et Pékin (Chine) [1]. Cette prise de conscience sur la pollution se traduit sur le terrain par l’organisation de nombreux forums, séminaires et conférences sur la thématique très sensible de la sauvegarde du patrimoine naturel.

Avant donc d’aborder ce problème sérieux qui est d’actualité, nous avons jugé utile de définir d’abord le terme pollution : qui est l’introduction de substances (substances chimique, substances biologiques et microbiologiques ou énergie sous forme de bruit, de chaleur ou de lumière) dans l’environnement à un point que ses effets deviennent nuisibles à la santé humaine, à celle d’autres organismes vivants et à l’environnement ou au climat [2].

Source et type de pollution

Les principales sources de pollution de la biosphère, dues aux activités humaines sont les suivantes :

– La production d’énergie, notamment de l’énergie électrique ;
– Le transport routier, mais aussi ferroviaire ou aérien ;
– L’industrie et surtout l’industrie chimique ;
– L’agriculture intensive et la déforestation ;
– Les agglomérations urbaines (ce dernier point englobe les établissements sanitaires, les logements communs et individuels etc.).

De même, il existe une très grande diversité de polluants (les insecticides, les colorants, les bactéries, le bruit, les POPs et bien d’autres) mais il est très difficile de donner une classification exhaustive car aucun des nombreux critères possibles n’est entièrement satisfaisant. On peut considérer néanmoins les agents polluants selon leurs natures (physiques, chimiques, microbiologiques etc.) ou de façon écologique en tenant compte du milieu dans lequel il est émis où ils exercent leurs méfaits (atmosphère, eaux et sols) [3]. Ainsi, d’une manière générale, la pollution peut être physique, microbiologique et chimique. Le dernier type de pollution (pollution chimique) est le plus répandu de nos jours. Ceci à cause de l’accroissement fulgurant des industries chimiques. Parmi les molécules chimiques polluantes, on peut avoir entre autres, les Polluants Organiques Persistants (POPs) qui sont difficiles à être oxydés et lourds de conséquences sur l’environnement.

Pollution chimique par les POPs 

Les polluants organiques persistants sont des molécules qui, contrairement aux autres polluants, ne sont pas définies à partir de leurs natures chimiques mais à partir de 4 propriétés qui sont les suivantes :
– Toxicité : elles présentent un ou plusieurs impacts prouvés sur la santé humaine
– Persistance : les substances qui se dégradent très lentement
– Bioaccumulation : ce sont des molécules qui s’accumulent au sein des êtres vivants
– Transport longue distance : mesure de concentrations élevées loin des points de rejet.

Plusieurs dizaines de familles de molécules organiques sont susceptibles de répondre à ces critères. Cependant, les POPs les plus répandus sont ceux qui sont halogénés, le plus souvent chlorés. Ces molécules ont des propriétés chimiques très particulières, à l’instar de la liaison carbone-chlore qui est très stable et résiste à l’hydrolyse. En outre, plus la molécule comporte d’atomes de chlore et d’autres groupements fonctionnels, plus elle est résistante à la dégradation biologique et photolytique. Le chlore fixé à un noyau aromatique (benzène) est plus difficile à hydrolyser que le chlore fixé à une chaîne aliphatique. Ainsi, les POPs chlorés ont habituellement des structures cycliques comportant des chaînes ramifiées ou non. L’exemple type est le polychlorobiphényle (PCB) et ses dérivés.

Les propriétés physico-chimiques des POPs conditionnent la dispersion (transfert) dans les trois compartiments de l’environnement (air-sol-eau).

Propriétés physico-chimiques et distribution des POPs dans l’environnement

Les propriétés physiques les plus importantes sont la solubilité dans l’eau qui est liée à la pression de vapeur, la constante de Henry (He), la masse moléculaire (Ȧ), la température de fusion (°C) et le point éclair (°C).

La pression de vapeur (mm Hg ou Pa) : elle est la pression partielle de la vapeur d’un corps présent également sous forme liquide ou solide. Plus cette valeur est grande, plus le composé aura tendance à s’évaporer (exemple : PBiphényles décachloré = 3×10-5 Pa). La plage de pression de vapeur déterminant la sensibilité d’un composé à s’évaporer est :
– Faible : 10-7 à 10-6 mm Hg
– Moyenne : 10-6 à 10-5 mm Hg
– Élevée : 10-5 à 10-4 mm Hg
– Très élevée : 10-4 à 10-3 mm Hg

Généralités sur les techniques classiques et modernes de dépollution des eaux

Les techniques d’élimination des déchets sont très anciennes. On a trouvé des égouts d’évacuation des eaux sanitaires dans les sites antiques d’Assyrie [5], mais c’est à partir du XXe siècle que les techniques de traitement proprement dites ont pris un essor remarquable. De nos jours, avec la modernisation et l’avancée de la technologie, nous possédons un nombre important de techniques de traitement des eaux usées dont nous allons faire un bref survol.

Procédés classiques de dépollution

Les procédés classiques sont utilisés dans les installations municipales de traitement des eaux usées [6]. Les techniques couramment utilisées sont : l’adsorption sur charbon actif, les résines échangeuses d’ions ou encore un traitement par membrane.

Procédés modernes de dépollution

L’exigence croissante de la protection de l’environnement (nouvelles réglementations plus strictes) et les coûts élevés de certaines techniques de traitement, nécessitent une attention toute particulière à la gestion des effluents. Dans un premiers temps, il s’agit de minimiser ces effluents à la source grâce au bon choix de procédés et à l’optimisation de la gestion des différents flux générés par le procédé : l’emploi des technologies propres est l’une des solutions. La technologie propre est une opération d’intégration antipollution au sein du processus industriel afin de produire moins de déchets plus faciles à détruire ou à valoriser et moins toxiques [3]. La plupart des « technologies propres » reposent sur l’utilisation des d’agents oxydants forts ayant des potentiels oxydants très élevés (Tableau I-1) [7].

Ces valeurs montrent que le radical hydroxyle est l’espèce chimique ayant le pouvoir d’oxydation le plus élevé des oxydants chimiques utilisés en milieu aqueux. Il est d’ailleurs l’espèce chimique la plus oxydante, après le fluor (E° = 3,03 V/ESH à 25 °C). Aux oxydants présentés sur le tableau ci-dessus, viennent se rajouter la température et les phénomènes électriques. En fonction donc des principes et des réactifs mis en jeux nous pouvons classer les technologies propres en trois familles : la famille des procédés Hydrothermales Oxydation Option (HOO), les Procédés Électrochimiques d’Oxydation (P.E.O) et les Procédés d’Oxydation Avancée (POA).

Les procédés Hydrothermales Oxydation Option (HOO)

Les procédés Hydrothermales Oxydation Option, consistent en une minéralisation à basse température de la matière organique (généralement les eaux usées, pesticides, huiles et solvants usagés, déchets complexes et/ou toxiques et réfractaires, boues biologiques issues du traitement de l’eau, etc.). Cette technique met en jeu deux paramètres : la pression pour obtenir une solubilité totale de l’oxygène et la température pour activer les réactions. On parle d’oxydation sous critique (oxydation voie humide) ou supercritique selon la pression et la température critique de l’eau (218,3atm et 374,1°C). Le principe de l’oxydation hydrothermale (OHT) ou oxydation dans l’eau supercritique consiste à « brûler sans flamme » des déchets organiques aqueux dans une enceinte confinée qui permet le contrôle des effluents. Ce procédé est une solution écologiquement satisfaisante car il permet d’obtenir des produits finaux non toxiques (dioxyde de carbone, eau, azote). Les émissions gazeuses de dioxine, d’oxydes d’azote ou de soufre et de poussières acides sont inexistantes [8].

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Table des matières

Introduction
Références bibliographiques
Chapitre I : Généralités sur la pollution et les techniques classiques et modernes de dépollution.
I.1. Généralités sur la pollution
I.1.1. Source et type de pollution
I.1.1.1. Pollution chimique par les POPs
I.1.1.1.1. Propriétés physico-chimiques et distribution des POPs dans l’environnement
I.2. Généralités sur les techniques classiques et modernes de dépollution des eaux
I.2.1. Procédés classiques de dépollution
I.2.2. Procédés modernes de dépollution
I.2.2.1. Les procédés Hydrothermales Oxydation Option (HOO)
I.2.2.1.1. Le procédé d’oxydation catalytique à l’air humide (oxydation par voie humide)
I.2.2.1.2. Oxydation par l’eau supercritique [9,10]
I.2.2.2. Les procédés électrochimiques d’oxydation [11-15]
I.2.2.2.1.Oxydation directe
I.2.2.2.2.Oxydation indirecte (utilisation d’un médiateur chimique électrogénéré)
I.2.2.3. Les procédés d’Oxydation Avancée (POA)
I.2.2.3.1. Bombardement électronique [18,19]
I.2.2.3.2. Ozonation [20,21]
I.2.2.3.3. Procédé fenton (Fe2+/H2O2)
I.2.2.3.4. Photodissociation directe (UV)
I.2.2.3.5. Photolyse de H2O2 (H2O2/UV)
I.2.2.3.6. Photolyse de l’ozone (O3/UV)
I.2.2.3.7. Photo-peroxonation (UV/H2O2/O3) [35,36]
I.2.2.3.8. Peroxonation (H2O2/O3)
I.2.2.3.9. Photocatalyse hétérogène (UV/TiO2/H2O/O2) [35,36,39,40]
I.2.2.3.10. Radiolyse
I.2.2.3.11. Procédés plasmas
I.2.3. Avantages et inconvénients des procédés de dépollution
Conclusion du chapitre
Références bibliographiques
Chapitre II : État de l’art sur le traitement des effluents aqueux par décharges électriques à la pression atmosphérique
II.1.1. Type de Collisions au sein du plasma (élastiques et inélastiques)
II.1.2. Amorçage de la décharge dans le gaz : Loi de Paschen
II.1.3. Les grandes familles des plasmas
II.1.3.1. Les plasmas thermiques (chauds)
II.1.3.1.1. L’arc électrique [9, 10]
II.1.3.2. Les plasmas non thermiques
II.1.3.2.1. La décharge couronne
II.1.3.2.2. La décharge d’arc rampante « Glidarc »
II.1.3.2.3. La Décharge à Barrière Diélectrique
II.2.1.1. Espèces radicalaires et ioniques à courte durées de vie
II.2.2. Espèces stables à longue durée de vie
II.2.2.1. Espèces Oxygénées
II.2.2.2. Espèces azotées [18,15, 39,40]
II.2.2. Paramètres influençant la formation des espèces en phase gazeuse
II.2.2.1. L’énergie électrique injectée dans la décharge
II.2.2.2. Nature du gaz plasmagène
II.3. Traitement des effluents aqueux par procédés à décharge directe, Transfert des espèces plasmagènes dans la solution et interactions espèces-solutions (polluants)
II.3.1. État de l’art sur le traitement des liquides par le procédé plasma
II.3.1.1. Description des réacteurs
II.3.1.1.1.Procédés DBD
II.3.1.2. Performances des différents réacteurs
II.3.2. Mécanismes réactionnels et de transfert dans les procédés gaz-liquide à décharge directe
II.3.2.1. Interaction plasma-liquide
II.3.2.2. Oxydation des polluants en phase liquide
Conclusion du Chapitre
Chapitre III : Méthodologie et matériels
III.2. Mode de fonctionnement des réacteurs utilisés
III.2.1. Description du réacteur GLIDARC
III.2.1.1. Calcul de la puissance injectée
III.2.2. Description du réacteur DBD
III.2.2.1. Caractéristique électrique et calcul de la puissance injectée
III.3. Choix des polluants modèles
III.4. Méthodes d’analyse
III.4.1.Mesures en phase liquide
III.4.1.1 Quantification des espèces actives oxydantes en phase liquide
a) Méthode volumétrique de mesure des oxydants totaux dans la phase liquide
b) Méthode de mesure du peroxyde d’hydrogène (H2O2)
c) Mesure des ions nitrites et nitrates en solution par la chromatographie ionique
III-3-1-2 Quantification de la charge polluante
a) Analyse par HPLC
b) Analyse par SPME/GC-FID
c) Analyse du GC- MS
d) Analyse par COT-mètre
III.3.2.Mesure des échantillons gazeux
a) Méthode volumétrique de mesure des oxydants totaux dans la phase gazeuse
b) Mesure du CO2 et des NOx
III.5. Manipulations supplémentaires : Validation des hypothèses
Conclusion de chapitre
III.6. Annexes
III.6.1. Annexe III-1 : Dispositifs expérimentaux Glidarc et DBD
III.6.2. Annexe III-2 : Principe et le mode opératoire de la détermination des oxydants
totaux par la méthode au KI.
III.6.3. Annexe III-3 : Principe et le mode opératoire de la détermination du H2O2
III.6.4. Annexe III-4 : Protocole de mesures des oxydants totaux en phase gazeuse
III.6.6. Annexe III-6 : Manipulations supplémentaires
Références bibliographiques
Conclusion

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