Photocatalyse hétérogène en réacteurs ouverts pour la gestion de la ressource solaire

Depuis sa présence sur terre, l’Homme a considérablement modifié son environnement pour gagner en confort de vie. Son mode de vie, en particulier celui dit occidental, fait l’objet de débats dans la société en raison de ses conséquences délétères sur l’environnement, telles que le réchauffement climatique, la 6ième extinction de la biodiversité ou encore la surexploitation des ressources de la Terre . L’eau est l’une de ces ressources vitales fortement impactée pour laquelle il est urgent d’en changer radicalement la gestion sans quoi « le monde devra faire face à un déficit hydrique global de 40 % dès 2030 » selon l’Organisation des Nations Unies . En France, moins de 1% des eaux usées traitées sont réutilisées, et ce dans le cadre de l’irrigation des cultures ou espaces verts . Le souhait actuel est de parvenir à augmenter ce pourcentage, à l’image d’autres pays (l’Australie, la Californie, Chypre, l’Espagne, la Floride, Israël, la Jordanie, Malte ou Singapour) qui ont pour objectif de satisfaire 10 à 60% de leurs besoins en eau par la réutilisation des eaux usées traitées (REUT) (Barber et al., 2019; Inbar, 2007; Jodar-Abellan et al., 2019). La complexité de la tâche est de choisir la méthode de traitement selon l’application de la REUT afin de parvenir aux exigences de qualité de l’eau. La mise en place d’un système de circularité de l’eau génère en effet, outre l’acceptabilité sociale (Mukherjee and Jensen, 2020), une problématique majeure concernant le niveau de qualité des eaux usées traitées requis selon l’application . Depuis plusieurs décennies, des substances dites micropolluants se retrouvent en sortie des stations d’épuration. Elles sont définies comme des substances présentes à des concentrations de l’ordre du microgramme ou nanogramme par litre, introduites par l’Homme, et pouvant nuire aux écosystèmes en raison de leur toxicité, persistance et bioaccumulation . Ces micropolluants sont des pesticides, des molécules pharmaceutiques, des composés de l’industrie, etc. et représentent des milliers de molécules disséminées en permanence dans les eaux, dont les effets cocktail sont peu prévisibles (Luo et al., 2014).

L’objectif est d’une part de limiter leur dissémination dans l’environnement et d’autre part, de parvenir à des normes de qualité suffisante pour cycler l’eau (Mendret et al., 2019). Outre le fait que la solution la plus naturelle mais non des moindres, est de stopper le problème à la source (cas des pesticides par exemple en interdisant leurs usages ou des polluants pharmaceutiques en les traitant à la source (Joannis-Cassan et al., 2020)), de nombreuses technologies de traitement ont vu le jour. Ces technologies peuvent consister en une amélioration de la filière existante de traitement avec la mise au point de boues modifiées (Julcour Lebigue et al., 2010) ou en la mise au point de nouvelles méthodes de post ou prétraitement telles que les procédés d’oxydation avancée. Ces derniers présentent l’avantage d’être non sélectifs et peuvent ainsi dégrader la plupart des micropolluants bio-récalcitrants (Kanakaraju et al., 2018). La difficulté de la problématique est qu’il n’existe pas de méthode universelle et que la stratégie de dépollution dépend fortement de l’objectif de traitement et des coûts économiques associés. Les recherches travaillent ainsi sur l’intégration de stratégies afin d’optimiser la dépollution de cette ressource, telles que le couplage de différentes technologies ou procédés (Bustillo-Lecompte and Mehrvar, 2016; Malato et al., 2009; Mansas et al., 2020; Mendret et al., 2019; Oller et al., 2011; Roccamante et al., 2019; T-T Lim et al., 2011).

Ces travaux de recherche s’inscrivent parmi ceux portant sur les procédés d’oxydation avancée (POA) et portent en particulier sur le procédé de photocatalyse hétérogène en phase liquide. Ce procédé a la particularité de pouvoir être directement mis en œuvre à partir de la ressource solaire ce qui en fait un candidat d’intérêt d’un point de vue énergétique et durable. L’utilisation de la ressource solaire soulève en revanche de multiples contraintes technicoscientifiques. En effet, cette dernière se caractérise par sa disparité géographique (en termes de densité de flux), son caractère fluctuant à l’échelle de la journée ou de la saison (selon les conditions météorologiques ou le cycle terrestre) et son caractère intermittent à l’échelle du cycle jour/nuit (Bernard, 2004). À l’image des problématiques de production d’énergies dites renouvelables (éolien, solaire), ces caractéristiques spatio temporelles impactent la capacité de traitement du procédé. Les études portant sur la possibilité de dégrader des polluants cibles par voie solaire sont très nombreuses (Guillard et al., 2003; Khan et al., 2012; Malato et al., 2002; Monteiro et al., 2015; Reoyo-Pratz et al., 2020; Salgado-Tránsito et al., 2015) et valident la faisabilité d’un traitement solaire. En revanche, la littérature de photo-oxydation comporte très peu d’études sur l’influence et la prise en compte de ces caractéristiques (fluctuations, intermittence) pour la gestion du procédé bien qu’elles soient identifiées par la communauté comme un verrou scientifique et technique pour envisager une application (Blanco-Galvez et al., 2006; Cabrera Reina et al., 2020; Zhang et al., 2018). D’autre part, les réacteurs de photooxydation solaires étudiés fonctionnent pour la plupart en mode batch et les travaux en mode continu sont très récents et concernent essentiellement le photo-fenton (Costa et al., 2020; De la Obra Jiménez et al., 2019). Les réacteurs de photocatalyse hétérogène en mode continu ont pour le moment été développés à l’échelle du laboratoire et sous conditions artificielles de lumière. Le mode continu à l’échelle solaire et pilote en photocatalyse hétérogène constitue l’un des prochains enjeux de la recherche ainsi que la question qui en découle de la mise en place de stratégies de gestion de l’intermittence (Zhang et al., 2018).