CONCEPTION D’UN PILOTE D’ELECTROCOAGULATION POUR LE PRETRAITEMENT DES EFFLUENTS INDUSTRIELS

CONCEPTION D’UN PILOTED’ELECTROCOAGULATION
POUR LE PRETRAITEMENT DES EFFLUENTS
INDUSTRIELS

Conception d’une unité d’électrocoagulation

 La conception d’une cellule d’électrocoagulation dépend des objectifs épuratoires à atteindre et des contraintes inhérentes à son installation pour une application particulière. Il existe pratiquement autant de concepts d’unités d’électrocoagulation qu’il y a d’articles scientifiques publiés dans ce domaine. Ces unités varient en taille, forme, mode opératoire, régime hydraulique, structure des électrodes, etc. 39 Pour simplifier les démarches entreprises lors de la création d’unités d’électrocoagulation, Rajeshwar et Ibanez (1997) (59) ont établi une liste exhaustive des critères de conception qu’il faut considérer: la température d’opération, le régime opératoire, la technique d’agitation, le contrôle du flux énergétique, la source d’alimentation, la configuration et la géométrie des électrodes, l’espacement entre les électrodes, la technique de séparation des solides, etc. Certaines de ces caractéristiques ont une influence notable sur le processus d’électrocoagulation. Pour clarifier leur importance au sein de ce processus, il est nécessaire de les passer en revue de manière détaillée. 

 Température d’opération

 Il est reconnu que la température du milieu aqueux peut avoir une influence sur les mécanismes de la coagulation classique. De plus, la température de l’effluent peut entraîner la variation du potentiel de réduction du. processus électrolytique ainsi que la variation des constantes de solubilité des précipités d’aluminium. Généralement, les valeurs des potentiels standards de réduction et les valeurs des constantes de solubilité sont établies à 25°C. La plupart des chercheurs préfèrent maintenir la température de leur unité d’électrocoagulation à température ambiante, oscillant entre 20 et 25°C (27), (60-62). Une étude de l’influence de la température sur le processus d’électrocoagulation serait souhaitable. 

Régime opératoire 

Les cellules électrochimiques opèrent généralement selon deux régimes: continu ou discontinu. Un mode d’opération en régime continu implique que la cellule soit continuellement alimentée en eaux usées. Par l’application d’un régime pseudo-permanent dans la cellule, la concentration en polluants qui lui est associée est considérée constante et donc la quantité de coagulants requise est fixe. Il est certain que le temps de rétention hydraulique peut avoir une influence notable sur l’enlèvement des polluants. Ce paramètre s’avère important lors de la conception d’unités électrochimiques en régime continu. Il faut que ce paramètre soit optimisé de manière à assurer un temps de contact suffisant entre les particules polluantes et les agents coagulants. Il est possible de contrôler ce paramètre en variant le volume de la cellule d’électrocoagulation ou le débit de l’effluent. Les cellules électrochimiques fonctionnant en régime discontinu (communément appelé «batch» ou cuvée) traitent un volume constant d’effluent. La concentration en polluants de l’effluent baisse au cours du temps grâce à la constante alimentation de la cellule en ions 40 métalliques. Ces systèmes fonctionnent en régime dynamique; leurs cinétiques épuratrices varient avec le temps. Certains auteurs tendent à croire qu’un procédé d’électrocoagulation fonctionnant en régime continu est plus adéquat pour des systèmes à forts débits comme des systèmes de traitement des eaux usées municipaux et industriels alors que les systèmes œuvrant en régime dynamique sont plus appropriés en laboratoire

Techniques d’agitation

 Une bonne agrégation requiert un temps de contact suffisant entre les particules polluantes et l’agent coagulant. Le régime fluidique à l’intérieur de la cellule est important (27). Les techniques de mélange sont intimement liées aux régimes d’opération sélectionnés. Un procédé d’électrocoagulation par cuvée (discontinu) nécessite l’installation d’un agitateur externe pour assurer l’homogénéité soutenue de l’effluent. Il est évident que les bulles de gaz électrolytique produites durant le processus peuvent aussi aider à favoriser le contact entre les différentes particules de l’effluent (27). Certains des procédés opérant en régime continu, comme les réacteurs parfaitement mélangés, requièrent aussi un agitateur externe pour assurer l’homogénéisation du mélange. Pour satisfaire aux exigences d’un réacteur parfaitement mélangé, il est nécessaire que l’agitation soit soutenue afin d’assurer une concentration en polluants constante dans l’ensemble du réacteur (63). Dans le cas des réacteurs pistons «flash», l’agitation est, quant à elle, assurée par l’étranglement de l’effluent dans le passage restreint du réacteur piston. Le temps de rétention hydraulique ainsi que la trajectoire de l’effluent à l’intérieur des cellules en régime continu peuvent influencer l’efficacité de l’agitation dans les deux cas. Il est toutefois important de préciser qu’une étude d’optimisation des conditions opératoires par plan factoriel d’expériences a révélé que la vitesse d’agitation n’a pas d’influence significative sur la concentration résiduelle en phosphore d’un effluent polluée (64). L’agitation n’avait d’influence que sur le processus de floculation. 

Source d’alimentation 

Pour le fonctionnement du montage d’électrocoagulation, il est possible d’utiliser une source d’alimentation en courant continu ou encore en courant alternatif. Certains auteurs considèrent l’utilisation d’une source d’alimentation en courant alternatif préférable (39) (65) (66). En effet, la formation d’une couche imperméable à la cathode et la passivation de l’anode surviennent inévitablement lorsqu’est utilisée une source d’alimentation en courant direct (39). 41 De par l’inversion cyclique de la direction du flux électrique (anode – cathode) en courant alternatif, ces désagréments sont retardés. Pour pallier aux difficultés encourues lors de l’usage d’une source d’alimentation en courant direct (CD), l’utilisation additionnelle d’électrodes sacrificielles placées en parallèle dans la configuration du bloc d’électrodes peut retarder les effets négatifs (67). L’utilisation d’un inverseur de polarité, relié au bloc d’alimentation, peut aussi retarder la dégradation des électrodes et leur assurer ainsi une plus grande longévité (68). Cet appareil est fréquemment employé afin de renverser le sens du courant, en intervertissant périodiquement le rôle des électrodes dans le cas où l’anode et la cathode sont de même nature. Nombre des scientifiques qui étudient l’électrocoagulation préfèrent ‘utiliser une source d’alimentation stabilisée en courant continu munie d’un inverseur de polarité plutôt que d’utiliser une source en courant alternatif pour des raisons de coût et de variété d’équipements (69) (70) (71). 

Contrôle potentiostatique ou galvanostatique

 Il est possible de contrôler l’apport électrique de la cellule d’électrocoagulation en contrôlant le potentiel (voltage) et en laissant libre cours à la variation du courant (ampérage) selon la résistance de la cellule. Le contrôle est alors qualifié de «potentiostatique». Il existe une seconde option, dite «galvanostatique». Elle est employée lorsque le contrôle d’énergie s’effectue en stabilisant le courant I du montage électrique et en laissant libre cours à la variation du potentiel selon les conditions et caractéristiques de la solution. La vaste majorité des scientifiques font le choix de contrôler le courant (galvanostatique) versus le potentiel (potentiostatique). Afin de pouvoir établir une base de comparaison entre les divers procédés d’électrocoagulation, la mesure de l’ampérage fourni au système est établie en termes de densité de courant, qui n’est autre que la valeur de l’ampérage qui traverse chaque m2 de surface anodique (A/m2 ). Les densités de courant varient largement dans la littérature, passant de 100 à 1112,5A/m2 (72) (27) (69). L’étendue des densités de courant employées peut s’expliquer par la grande variété et les charges des polluants extraits et par les caractéristiques de conception et d’opération de la cellule (métal des électrodes, temps de rétention hydraulique, ratio surface anodique sur le volume du réacteur, etc…). Plus la densité de courant est grande, plus l’efficacité d’enlèvement des polluants est importante. Cependant, une forte hausse de la densité de courant peut entraîner une surdose en 42 aluminium qui se traduit par une augmentation du pH de l’effluent et par une consommation énergétique superflue. 

Configuration des électrodes 

Une cellule d’électrocoagulation typique est composée d’une anode et d’une cathode toutes deux reliées à une source d’alimentation, telle que présentée à la figure 1. Toutefois, cette configuration s’avère généralement peu efficace à long terme et ce pour diverses raisons:  la cathode perd de son efficacité graduellement alors que l’anode se dissout par oxydation, ce qui affaiblit inévitablement l’efficacité du traitement au fil du temps ;  les surfaces des électrodes doivent être très grandes pour assurer une solubilisation suffisante de métal dans la cellule d’électrocoagulation (39).