Projet ANR-13-ECOT-0003 – CElectrON : Couplage Electro-Oxydation et Nanofiltration pour le traitement d’effluents
Programme : Ecotechnologies & EcoServices (ECO-TS)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Marc CRETIN (Institut Européen des Membranes)
Partenaires : ACTIBIO SA; Institut Européen des Membranes; Laboratoire de Génie Chimique; Laboratoire Géomatériaux et Environnement; SAINT GOBAIN C.R.E.E
Montant : 758592.0 euros
Durée : 42 mois
Résumé : Les électrons au service du traitement de l’eau : un procédé vert pour les polluants émergentsTraitement d’effluents chargés en polluants bioréfractaires, non éliminés par les méthodes conventionnelles, pour permettre un rejet sans danger dans les stations d’épuration
Eliminer des résidus pharmaceutiques par filtration et électro-conversion en H2O et CO2D’une grande complexité, les eaux de rejet de l’industrie pharmaceutique peuvent contenir des micropolluants bio-réfractaires (antibiotiques, anti-inflammatoires, bétabloquants, etc.) difficiles à éliminer. Ces effluents ne peuvent pas être rejetés dans le milieu naturel et il existe, actuellement, un manque de technologies compatibles et fiables pour les traiter et les recycler en évitant le gaspillage d’eau associé. Un rejet dans le réseau des eaux usés pourrait perturber le fonctionnement des stations d’épuration.Le projet CElectrON vise à contribuer à la gestion durable de l’eau, à travers le développement d’une technologie innovante basée sur le couplage entre un procédé de séparation membranaire, la nanofiltration, et un procédé d’oxydation avancée, le procédé électro-Fenton. Cette technologie « one-pot » permettra d’assurer le traitement et le recyclage de l’eau dans les procédés industriels. La nanofiltration permettra de confiner les micropolluants et leurs sous-produits intermédiaires pendant que le procédé électrochimique électro-Fenton contribuera à leur minéralisation en espèces simples, l’eau, le CO2 et de petits acides organiques non toxiques tels que l’acide acétique par exemple. En cas de succès de ce projet, il serait très facilement envisageable de développer cette technologie de couplage pour d’autres cas de traitement à la source d’eaux usées présentant un caractère organique persistant (autres effluents industriels, effluents hospitaliers et agricoles de faible débit, etc.).
Préparer et mettre en œuvre des matériaux poreux électroactifs pour optimiser la conversion des polluantsLe cœur du système de traitement des effluents est le matériau membranaire qui doit avoir deux fonctions : permettre la rétention des composés ciblés et leur dégradation par électrochimie. Dans le cas de la minéralisation par électrochimie (transformation du carbone organique de la molécule polluante en carbone minéral non-toxique), il est nécessaire de développer des matériaux poreux permettant la production de radicaux hydroxyles, moteur de la réaction de dépollution, en présence de l’effluent à traiter. Cet objectif a été atteint grâce à la mise en œuvre de techniques d’élaboration de matériaux céramiques maîtrisées par la société Saint Gobain et l’Institut Européen des Membranes (extrusion, frittage sous atmosphère contrôlé, dépôt plasma…). Ces matériaux sont actuellement testés par le laboratoire de Géomatériaux et Environnement, de l’Université de Paris Est, Marne La Vallée pour quantifier leur potentialité vis-à-vis de la minéralisation de composés pharmaceutiques modèles (par exemple le paracétamol ou acétaminophène, molécule universellement utilisée). Les matériaux membranaires préparés sont également évalués sur le site toulousain du  Laboratoire de Génie Chimique de l’Université Paul Sabatier, dans un pilote conçu par le consortium. Pour la suite du projet, des effluents réels fournis par la société ACTIBIO seront traités par le système développé.
Résumé de la soumission : Le projet CElectrON vise à contribuer à la gestion durable d’une ressource naturelle essentielle, l’eau, à travers le développement d’une technologie innovante basée sur le couplage entre un procédé de séparation membranaire, la nanofiltration, et un procédé d’oxydation avancée, le procédé électro-Fenton. Cette technologie « one-pot » doit permettre d’assurer le traitement et le recyclage de l’eau dans les procédés industriels. Un traitement au plus proche de la source de pollution permet une meilleure identification des polluants et donc de leur destruction en évitant le mélange avec d’autres effluents. Notre stratégie est basée sur l’étude de cas concrets : les effluents issus de l’industrie pharmaceutique. En effet, ces effluents sont sources de micropolluants bio-réfractaires qui ne peuvent pas être rejetés dans le milieu naturel et il existe, actuellement, un manque de technologies compatibles et fiables pour les traiter et les recycler en évitant le gaspillage d’eau associé. En cas de succès de ce projet, il serait très facilement envisageable de développer cette technologie de couplage pour d’autres cas de traitement à la source d’eaux usées présentant un caractère organique persistant (autres effluents industriels, effluents hospitaliers et agricoles de faible débit, etc.).Plus précisément, Les objectifs scientifiques et techniques majeurs du projet CElectrON sont : (i) l’élaboration de membranes de nanofiltration conductrices à base de carbone graphite et/ou de TiOx permettant le couplage nanofiltration/oxydation électrochimique, (ii) l’optimisation de la dégradation de polluants organiques sur ces membranes par le procédé électro-Fenton en établissant des corrélations entre leur géométrie, leur structure, les conditions hydrodynamiques, les caractéristiques physico-chimiques du milieu à traiter et les caractéristiques du courant électrique appliqué, (iii) la mise en œuvre d’un procédé de couplage entre la filtration baro-membranaire et le procédé électro-Fenton, (iv) la conception et le dimensionnement d’un système pouvant être intégré directement au niveau du rejet des effluents ciblés et permettre ainsi le traitement et le recyclage de l’eau directement au "point d’utilisation" et (v) l’étude de l’impact environnemental et l’analyse technico-économique de la nouvelle technologie proposée.
Résultats : Les principaux faits et résultats marquants à ce stade de l’étude sont les suivants :
(i)	Des matériaux membranaires tubulaires en carbone, présentant une porosité de 30% environ et un diamètre de pores de 4 microns ont été synthétisés. Ils seront utilisés comme cathode dans le système de traitement. 
(ii)	De nouveaux matériaux membranaires en oxyde de titane sous-stœchiométrique sont en cours d’élaboration. A terme, ils seront utilisés comme anode.
(iii)	Des modifications des structures carbone par du graphène ont été réalisées pour améliorer les performances de dégradation des polluants. Des taux particulièrement élevés de dépollution ont été obtenus avec ces nouveaux matériaux.  
(iv)	L’identification des chemins réactionnels de dégradation du paracétamol par exemple et la détermination de l’écotoxicité des solutions aux différents stades de l’électrolyse ont été réalisées et ont montré l’abattement de la toxicité des solutions modèles. 
(v)	Un pilote permettant le couplage électrochimie/filtration baromembranaire a été conçu par le consortium, mis en place sur le site de Toulouse et les premiers tests sont en cours.
Perspectives : Nos récents travaux ont montré la faisabilité de notre concept de filtration/dégradation. Cependant des verrous persistent principalement au niveau des matériaux cathodiques et anodiques. Sur les matériaux cathodiques à base de carbone, nous poursuivons notre travail pour  l’optimisation de la production de radicaux en déposant des couches de graphène en surface des électrodes. Avec la mise en service du pilote de filtration/dégradation, les perspectives de tests de performance des matériaux conçus d’une part mais aussi de dégradation d’un panel de  molécules bioréfractaires vont être nombreuses. Actuellement, nous avons ciblé nos efforts sur le paracétamol, principe actif de la classe des antalgiques-antipyrétiques. D’autres  molécules de la classe des antibiotiques seront ensuite rapidement testées.
Publications et brevets : Le travail du consortium porte ces fruits puisque deux publications impliquant deux partenaires ont déjà été réalisées. La première concerne la synthèse de nouvelles électrodes à haute performances pour l’abattement de polluants bioréfractaires.