Projet ANR-14-CE04-0006 – SOFENcoMEM : Procédé hybride pour le traitement d'eau en continu : couplage de la réaction Sono-Photo-Fenton hétérogène avec une filtration membranaire
Programme : Innovation technologique pour analyser, remédier ou réduire les risques environnementaux	 (DS0102) 2014
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Madame Laurie Barthe (Laboratoire de Génie Chimique)
Partenaires : Laboratoire public
Montant : 219512.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 60 mois
Résumé : Les préoccupations environnementales et sanitaires conduisent à se tourner vers des technologies de pointe pour le traitement des eaux polluées par des composés bio-récalcitrants et/ou toxiques. La recherche actuelle s'oriente ainsi vers le couplage des procédés, traditionnels ou novateurs. Les procédés membranaires sont en plein essor, mais ils doivent être associés à des techniques de destruction des polluants pour être utilisés directement à la source plutôt qu’en post-traitement. D'autre part, les procédés d'oxydations avancées (POA) sont également beaucoup étudiés, car ils génèrent des espèces très réactives, les radicaux hydroxyles. Ces derniers attaquent la plupart des composés organiques non-sélectivement avec des constantes de vitesse de réaction autour de 10^9 /M/s. Cependant les POA se sont avérés peu rentables pour des solutions diluées. Le couplage des deux procédés est d'un grand intérêt à la fois scientifique et technique, et passe par la modélisation et l’optimisation des 2 étapes.
Parmi les POA, la réaction Fenton (RF), basée sur l'utilisation de peroxyde d'hydrogène et des ions Fe2+ en solution, a été appliquée avec succès pour la dégradation de divers polluants. Cependant, elle est limitée par une fenêtre étroite de pH (2 à 4) et la récupération difficile du fer. Pour pallier ces inconvénients, des catalyseurs hétérogènes d'oxyde de fer, supportés sur des matériaux poreux (charbon actif, zéolithe ...) ou dispersés sous la forme de nanoparticules sont développés. Dans ce cas, le couplage avec la filtration membranaire (microfiltration ou ultrafiltration) assure le maintien du catalyseur lors du traitement en continu.
La réaction de Fenton est classiquement opérée sous irradiation UV/visible (photo-Fenton). Cette activation empêche la formation d'espèces inactives de catalyseurs et favorise la réduction de Fe3+ en Fe2+ (étape limitante de la RF), tout en générant des radicaux supplémentaires. 
De même, l'application d'ultrasons (US) (sono-Fenton) devrait jouer plusieurs rôles dans la promotion de la réaction hétérogène. En solution, une synergie entre réaction Fenton et US a été prouvée : régénération de Fe2+ et formation accrue de radicaux. En outre, la cavitation acoustique donne lieu à des conditions extrêmes à l'intérieur et autour de la bulle - jusqu'à 5000 K et 500 bar - qui peuvent dégrader thermiquement les molécules volatiles et améliorer ainsi l'efficacité de minéralisation. Par ailleurs, les US basse fréquence induisent des effets mécaniques, permettant la fragmentation des agrégats de particules (augmentation de la surface accessible) et l’activation ou réactivation de leur surface (modifications structurales ou exfoliation de couches passivantes). Un dernier atout est que le fer à la valence zéro peut être activé par de courtes impulsions ultrasonores. Il en résulte la formation d’espèces catalytiques très efficaces nécessitant des doses modérées de H2O2. Un tel couplage permettrait d'utiliser des catalyseurs bon marché (déchets d’aciérie) et d’opérer avec un plus faible coût de fonctionnement.
Dans ce contexte, ce projet propose d'étudier un procédé hybride continu de traitement des eaux couplant la réaction de Fenton hétérogène activée par deux techniques (ultrasons et/ou ultraviolets) à la filtration membranaire (module immergé). A titre d’exemple, les micropolluants ciblés sont des anti-inflammatoires non-stéroïdiens, l'ibuprofène et le diclofénac, dont la consommation a explosé lors de la dernière décennie. En outre, le diclofénac est pressenti pour intégrer la liste des polluants visés par la directive européenne sur l'eau.
Ces techniques hybrides seront examinées en termes d'efficacité du procédé et de coût global, nécessitant l’évaluation de la stabilité du catalyseur, du colmatage de la membrane et de son vieillissement en milieu agressif, mais aussi la quantification des effets individuels et combinés des techniques d’activation.