Brevet FR3127506A1 — publié le 20230331

L’invention concerne un procédé de production de dihydrogène gazeux et de sulfate d’ammonium à partir d’un effluent liquide aqueux contenant des matières organiques et minérales ou d’un mélange d’effluents liquides aqueux, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - nanofiltration dudit effluent liquide aqueux ou dudit mélange d’effluents liquides aqueux de sorte à obtenir un perméat ; - stripping de l’ammoniac du perméat issu de ladite étape de nanofiltration dans une unité de stripping de l’ammoniac de sorte à obtenir du sulfate d’ammonium ; - traitement par osmose inverse d’au moins une partie du perméat extrait de l’unité de stripping de l’ammoniac après ladite étape de stripping de l’ammoniac, de sorte à obtenir une solution aqueuse osmosée ; - électrolyse d’au moins une partie de ladite solution aqueuse osmosée de sorte à décomposer ladite partie de ladite solution aqueuse osmosée en au moins du dihydrogène gazeux. Figure à publier : 1 Procédé de production de dihydrogène gazeux et de sulfate d’ammonium à partir d’un effluent liquide aqueux, tel que la fraction liquide d’un lisier de porcins ou des urines d’êtres humains Domaine de l’invention Le domaine de l’invention est celui de la valorisation des effluents agricoles. Plus précisément, l’invention concerne un procédé de production d’hydrogène gazeux à partir d’un effluent liquide aqueux contenant des matières organiques et minérales ou d’un mélange d’effluents liquides aqueux contenant des matières organiques et minérales. L’invention trouve notamment une application dans la valorisation des lisiers de porcs, de la fraction liquide d’un digestat de méthaniseur, de la fraction liquide d’un digestat de boues de station d’épuration, des eaux usées et des urines d’êtres humains. Art antérieur En 2019, la France et l’Europe ont exprimé la volonté de développer une filière d’hydrogène « vert » basée sur l’électrolyse de l’eau. Actuellement, environ 4% de l’hydrogène gazeux au niveau mondial est produit par une technique d’électrolyse de l’eau. Ces techniques de production connues reposent principalement sur l’utilisation d’eau douce. L’eau douce étant une ressource précieuse et limitée, on a proposé récemment de produire du dihydrogène gazeux à partir d’eau de mer. Un inconvénient de l’eau de mer est que les ions chlorure qu’elle contient peuvent corroder l’anode de l’électrolyseur et qu’ils peuvent empêcher ou limiter les réactions d’oxydo-réduction. Dans le domaine agricole, on connait des techniques de production d’hydrogène consistant à méthaniser des déchets végétaux, et des effluents d’élevage, tels que du fumier ou du lisier, afin de produire du biogaz, qui, après avoir été purifié, est mélangé avec de la vapeur d’eau à haute température et à haute pression en présence d’un catalyseur afin d’obtenir de l’hydrogène, par vaporeformage. Un inconvénient de cette technique connue est que pour 1kg d’hydrogène produit, 9 kg de CO 2 est rejeté à l’atmosphère. Il s’agit donc d’une technique qui est peu respectueuse de l’environnement. On connait d’autres techniques de valorisation des lisiers. Ainsi, il est connu de pratiquer l’épandage du lisier sur des terres agricoles. Les surfaces d’épandage sont toutefois limitées. Par ailleurs, l’épandage est source de pollution azotée des cours d’eau et l’épandage du lisier entraine des émissions d’ammoniac importantes dans l’atmosphère. Pour remédier à ces inconvénients, on a proposé par exemple de traiter la fraction liquide des lisiers par des méthodes de « stripping » permettant d’extraire l’azote ammoniacal de cette fraction liquide et de former un engrais minéral, le sulfate d’ammonium. On connait également des techniques de déshydratation des lisiers permettant d’obtenir un tourteau organique sec et riche en azote, plus facilement valorisable que la fraction liquide du lisier. Un inconvénient des techniques de stripping et de déshydratation est qu’elles sont consommatrices d’énergie. Objectifs de l’invention L’invention a donc notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l’art antérieur cités ci-dessus. Plus précisément l’invention a pour objectif de fournir une technique de production de dihydrogène gazeux et de sulfate d’ammonium à partir d’un effluent liquide aqueux, tel qu’une fraction liquide d’un lisier de porcs, une fraction liquide d’un digestat de méthaniseur, une fraction liquide d’un digestat de boues de station d’épuration, des eaux usées, des urines d’êtres humains ou un mélange d’un ou plusieurs de ces effluents, qui soit fiable. Notamment un objectif particulier de l’invention est de fournir une technique qui permette de valoriser l’ammoniac gazeux contenu dans la fraction liquide d’un lisier, dans la fraction liquide d’un digestat de méthaniseur, dans la fraction liquide d’un digestat de boues de station d’épuration, dans des eaux usées ou dans des urines d’êtres humains sous forme de sulfate d’ammonium. Un objectif de l’invention est également de fournir une telle technique qui soit peu énergivore. Un autre objectif de l’invention est de fournir une telle technique qui soit simple à mettre en œuvre, et d’un coût de revient réduit. Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaitront par la suite sont atteints à l’aide d’un procédé de production de dihydrogène gazeux à partir d’un effluent liquide aqueux contenant des matières organiques et minérales ou d’un mélange d’effluents liquides aqueux contenant des matières organiques et minérales, ledit ou lesdits effluents liquides aqueux étant sélectionné parmi les effluents suivants : - fraction liquide d’un lisier, tel qu’un lisier de porcins ; - fraction liquide d’un digestat de méthaniseur ; - fraction liquide d’un digestat de boues de station d’épuration ; - eaux usées ; - urines d’animaux ou d’êtres humains. L’invention concerne donc la production d’hydrogène gazeux et de sulfate d’ammonium à partir d’effluents liquides aqueux d’origine agricole, issus de l’élevage, ou d’origine urbaine. Il convient de noter que l’invention ne se limite pas à une production d’hydrogène gazeux et de sulfate d’ammonium à partir d’un des cinq effluents liquides aqueux précités, mais concerne également une production d’hydrogène gazeux à partir d’un mélange de deux, trois, quatre ou de l’ensemble des effluents liquides aqueux précités. On notera que dans des modes de réalisation particuliers de l’invention dans lesquels du dihydrogène gazeux et le sulfate d’ammonium est produit essentiellement ou partiellement à partir d’urine de porcs et/ou d’urine d’être humain, cette urine peut être chaulée ou additivée avec de la soude, sans sortir du cadre de l’invention. On notera également que les eaux usées peuvent être des eaux usées domestiques ou d’origine industrielle ayant subi ou non un traitement dans une station d’épuration. Selon l’invention, ledit procédé comprend les étapes suivantes : - nanofiltration dudit effluent liquide aqueux ou dudit mélange d’effluents liquides aqueux de sorte à obtenir un perméat ; - stripping de l’ammoniac du perméat issu de ladite étape de nanofiltration dans une unité de stripping de l’ammoniac de sorte à obtenir un sulfate d’ammonium ; - traitement par osmose inverse d’au moins une partie du perméat extrait de l’unité de stripping de l’ammoniac après ladite étape de stripping de l’ammoniac, de sorte à obtenir une solution aqueuse osmosée ; - électrolyse d’au moins une partie de ladite solution aqueuse osmosée de sorte à décomposer ladite partie de ladite solution aqueuse osmosée en au moins du dihydrogène gazeux. Ainsi le perméat issu de l’étape de nanofiltration est avantageusement utilisé successivement pour produire du sulfate d’ammonium en chauffant le perméat pour dégager de l’ammoniac qui est injecté dans une installation de stripping de l’ammoniac, puis pour obtenir de l’eau osmosée, après traitement par osmose inverse, afin de produire du dihydrogène gazeux. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l’invention, un tel procédé comprend une étape de chauffage à au moins 50°C, et de préférence entre 50 et 65°C, dudit perméat issu de l’étape de nanofiltration au moyen de la chaleur émise lors de ladite étape d’électrolyse, précédant ladite étape de stripping de l’ammoniac. La chaleur récupérée sur l’électrolyseur est ainsi avantageusement utilisée pour augmenter la volatilité de l’ammoniaque contenu dans le perméat et par conséquent la quantité d’ammoniac gazeux pouvant être exploitée à l’étape de stripping. Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, ladite étape d’électrolyse est mise en œuvre dans un électrolyseur alimentée en énergie électrique par des moyens de captage photovoltaïque et/ou par une ou plusieurs éoliennes. Avantageusement, la taille des pores de la ou des membranes de nanofiltration mises en œuvre lors de ladite étape de nanofiltration est comprise entre 4 et 9 nm et de préférence entre 4 et 6 nm. Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, la ou lesdites membranes sont des membranes en céramique. Selon un aspect particulier de l’invention, lors de ladite étape de nanofiltration, le différentiel de pression entre l’amont et l’aval de ladite ou desdites membranes de nanofiltration est compris entre 3 et 4 bars. Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, lors de ladite étape de nanofiltration, ledit effluent liquide aqueux ou ledit mélange d’effluents liquides aqueux est filtré au travers de deux et seulement deux membranes de nanofiltration. De préférence, la pression dudit perméat avant d’être traité par osmose inverse est comprise entre 3 et 19 bars. Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, la pression dudit perméat avant d’être traité par osmose inverse est comprise entre 12 et 16 bars. Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, un procédé tel que décrit ci-dessus comprend une étape de chauffage dudit effluent liquide aqueux ou dudit mélange d’effluents liquides aqueux précédant ladite étape de nanofiltration. On diminue ainsi la viscosité de l’effluent liquide aqueux ou du mélange d’effluents liquides aqueux pénétrant dans les membranes de nanofiltration. Liste des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d’un mode de réalisation de l’invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et de l’unique figure annexée : représente un premier exemple de système de production de dihydrogène gazeux adapté pour mettre en œuvre un mode de réalisation d’un procédé de production de dihydrogène gazeux selon l’invention. Procédé de production de dihydrogène gazeux et de sulfate d’ammonium à partir d’un effluent liquide aqueux contenant des matières organiques et minérales ou d’un mélange d’effluents liquides aqueux contenant des matières organiques et minérales, ledit ou lesdits effluents liquides aqueux étant sélectionné parmi les effluents suivants : - fraction liquide d’un lisier, tel qu’un lisier de porcins ; - fraction liquide d’un digestat de méthaniseur ; - fraction liquide d’un digestat de boues de station d’épuration ; - eaux usées ; - urines d’animaux ou d’êtres humains, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - nanofiltration dudit effluent liquide aqueux ou dudit mélange d’effluents liquides aqueux de sorte à obtenir un perméat ; - stripping de l’ammoniac du perméat issu de ladite étape de nanofiltration dans une unité de stripping de l’ammoniac de sorte à obtenir un sulfate d’ammonium ; - traitement par osmose inverse d’au moins une partie du perméat extrait de l’unité de stripping de l’ammoniac après ladite étape de stripping de l’ammoniac, de sorte à obtenir une solution aqueuse osmosée ; - électrolyse d’au moins une partie de ladite solution aqueuse osmosée de sorte à décomposer ladite partie de ladite solution aqueuse osmosée en au moins du dihydrogène gazeux. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de chauffage à au moins 50°C, et de préférence entre 50 et 65°C, dudit perméat issu de l’étape de nanofiltration au moyen de la chaleur émise lors de ladite étape d’électrolyse, précédant ladite étape de stripping de l’ammoniac. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite étape d’électrolyse est mise en œuvre dans un électrolyseur alimentée en énergie électrique par des moyens de captage photovoltaïque et/ou par une ou plusieurs éoliennes. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la taille des pores de la ou des membranes de nanofiltration mises en œuvre lors de ladite étape de nanofiltration est comprise entre 4 et 9 nm et de préférence entre 4 et 6 nm. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4, caractérisé en ce que la ou lesdites membranes sont des membranes en céramique. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que lors de ladite étape de nanofiltration, le différentiel de pression entre l’amont et l’aval de ladite ou desdites membranes de nanofiltration est compris entre 3 et 4 bars. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que lors de ladite étape de nanofiltration ledit effluent liquide aqueux ou ledit mélange d’effluents liquides aqueux est filtré au travers de deux et seulement deux membranes de nanofiltration. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pression dudit perméat avant d’être traité par osmose inverse est comprise entre 3 et 19 bars. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de chauffage dudit effluent liquide aqueux ou dudit mélange d’effluents liquides aqueux précédant ladite étape de nanofiltration.