Traitement tertiaire : Photoréacteur UV/TiO2

 

Traitement tertiaire :

Photoréacteur UV/TiO2

 


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-1- Pré-design : réacteur piston

Les recherches que nous avons menées nous ont conduits à fixer une constante cinétique de dégradation des molécules médicamenteuses égale à k = 0,01 min-1. Celle-ci correspond à une valeur moyenne de nombreuses expériences ayant été faites sur le paracétamol, le diclofénac et la carbamazépine notamment (voir bibliographie). Ne disposant pas de données pour nos molécules, nous l'extrapolons à notre étude, considérant que le type et la structure des molécules sont semblables.

Nous choisissons par ailleurs de viser un abattement lors de cette étape de Xmax = 95%. En effet, étant donné la concentration de 10 ng/L visée en sortie et celle en entrée de cette dernière étape (de l'ordre de 0,1 et 0,2 µg/L pour l'ifosfamide et la cyclophosphamide respectivement - suite aux étapes précédentes : voir résultats du dimensionnement et notamment la note de calcul jointe).

 

En adoptant l'hypothèse du fonctionnement piston et en effectuant un bilan matière sur notre réacteur, on établit :

 

Or, C = C0 (1-X) donne :

 

Connaissant le débit à traiter dans cette dernière étape de la filière de traitement, nous pouvons déterminer le volume, ainsi que le temps de séjour t = V/Q0, de notre réacteur.

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-2- Dimensionnement : différentes configurations possibles

a) Cas du lit fluidisé

Dans un premier temps, nous avons envisagé de fluidiser le catalyseur TiO2 au sein de notre réacteur cylindrique; une rapide étude nous a montré que le TiO2 disponible sur le marché était essentiellement sous forme de poudre dont les particules avaient une taille nanométrique (de 20 à 85 nm par exemple pour le Degussa P-25).

Lors d'un échange avec M. Florent Bourgeois du LGC, nous avons pu apprendre qu'à cette taille de particules, les règles de transport sur lesquelles nous basons les dimensionnements de lits fluidisés ne s'appliquent plus. De même, les lois de trainées classiques ne s'appliquent plus et il faut donc considérer que les particules suivent le fluide porteur quelle que soit la vitesse.

Un essai de dimensionnement malgré cela nous a indiqué des vitesses de fluidisation extrêmement faibles, de l'ordre de 10-4 m/s, ainsi que d'autres résultats qui nous ont laissé assez dubitatifs, notamment pour les nombres de Galilée (rapport des effets de flottabilité sur les effets de viscosité) et de Reynolds (rapport entre les forces d'inertie et les forces visqueuses, caractéristique de l'écoulement).

Nous en avons finalement conclu que l'hypothèse du lit fluidisé dans notre photo-réacteur n'était pas envisageable.

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b) Catalyseur supporté

Après recherche, nous avons pu trouver un exemple pertinent de cas où un réacteur assez similaire au nôtre comportait du TiO2 supporté (voir bibliographie sur les POA).

Le support utilisé dans ce cas était de la fibre de verre. Mais nous pouvons également envisager d'utiliser des supports à grande surface spécifique, tels que le charbon actif ou les zéolithes.

Une rencontre avec Mme Andriantsiferana du LGC nous a permis de faire le point sur les différents supports potentiels, ainsi que sur la configuration en elle-même du procédé. La technologie la plus prometteuse semble être celle utilisant des tissus adsorbants intégrés comme support : ces tissus, fabriqués par exemple par Ahlstrom, sont constitués de TiO2 disposé sur une face et de charbon actif à l'intérieur.

Cependant, on peut également utiliser le même principe avec adsorption sans tissu spécial. Cela a été fait sur un réacteur de laboratoire où la lampe UV était entourée d'un anneau de zéolithes supportant le TiO2.

Dans de tels systèmes, la meilleure façon de procéder est de faire circuler l'effluent une première fois lampe éteinte pour adsorber les polluants puis de faire recirculer celui-ci lampe allumée pour dégrader photocatalytiquement les molécules adsorbées. C'est en tout cas ce que nous a recommandé Mme Andriantsiferana par rapport à ce qui avait été effectué lors d'essais au LGC.

NB : pour cette étape de traitement, on pourrait s'affranchir de la partie photochimie en procédant uniquement à une adsorption des polluants, sur charbon actif par exemple. Mais l'avantage indéniable apporté par l'utilisation des rayons UV est double : d'une part cela permet une véritable dégradation des molécules indésirables et d'autre part l'action de ceux-ci induit la régénération du support. A long terme, on peut inférer que l'utilisation d'une lampe UV coûtera moins cher que le changement régulier du support qui serait à mettre en place sinon (confirmé par nos contacts).

 

 

Figure 1 : Schéma du réacteur tubulaire du traitement tertiaire

 

Dans tous les cas de support envisagés, il nous faut dimensionner un ou des réacteurs tubulaires assez petits pour pouvoir être efficaces (voir figure 1). Le diamètre de ces réacteurs sera dicté par la taille de la lampe (de 5 à 10 cm en général), sachant en outre que la longueur d'irradiation par les UV n'excède pas quelques centimètres (entre 2 et 5 selon Mme Oliveros des IMRCP). Nous nous limiterons par conséquent à des réacteurs de diamètre inférieur à 20 cm.

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c) Réacteur parfaitement mélangé (batch)
  

Le procédé se présente sous la forme suivante (voir figure 2):

  • Un premier bac de rétention est installé en aval de la nanofiltration.
  • Ce dernier est connecté à un autre réservoir contenant les lampes UV et une suspension de TiO2 (comme d'abord envisagé). Le passage du fluide entre les deux bacs se fera par gravité afin de ne pas installer de pompe. Ce choix est justifié : le remplissage du bac peut se faire rapidement et le prix d'installation et d'entretien d'une pompe sera économisé.
  • L'agitation se fera par  une recirculation du fluide contenant les particules de dioxyde de titane dans le réacteur.

Figure 2 : Schéma du procédé batch contenant des lampes UV (en violet)

 

 

Après discussion avec Mme Oliveros, nous estimons qu'une partie du fluide à l'instant t n'est pas irradié par les lampes. Il existe toutefois des réactions chimiques de destruction dans cette zone "noire" qui permettent d'hydrolyser les molécules : les radicaux HO° migrent dans ces zones non irradiées et réagissent avec les polluants présents.

Nous estimerons le volume de ces zones non irradiées lors du dimensionnement.

Le but de ce dimensionnement sera de connaître le volume à traiter en batch et de déterminer le nombre de lampes qui seront nécessaires à la destruction des molécules visées.
 

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