«Nouveaux» traitements pour polluants émergents

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1 «Nouveaux» traitements pour polluants émergents Valérie HEQUET Colloque IMT «Ressources naturelles et environnement» les 5 et 6 Novembre 2014, Paris

2 Laboratoire GEPEA UMR CNRS 6144

3 Unité Mixte de Recherche 2014 : 199 personnes Permanents : 81 Pers. Ad & Technique : 41 Non permanents : 4 Doctorants : 73 4 axes de recherche: Ingénierie de l Environnement Ingénierie de l Energie Bioprocédés et séparation en milieux marins Matrices & aliments Procédés/Propriétés/Structures/Sensoriel 3

4 DSEE Axe Ingénierie de l Environnement Bioprocédés et séparation en milieux marins Matrices & aliments Ingénierie de l Energie Ingénierie de l Environnement

5 Problématique scientifique Réduction de l impact environnemental et sanitaire de l activité anthropique Polluants & micro-polluants Polluants émergents Adéquation procédés en fonction des spécificités des cibles Milieux hyperdilués et multi-composés Cibles phase liquide Micropolluants organiques Ions métalliques Nutriments Microorganismes Poussières Composés organiques volatils (COV) Molécules odorantes CO 2 Cibles phase gaz Procédés de traitement et /ou de séparation Absorption Adsorption Biodégradation Biorémédiation Réactions chimiques Photocatalyse Filtration Biofiltration Optimisation des paramètres Efficacité de traitement Intensification 6

6 C:\Xcalibur\...\Rawfiles\LinAlkyl16 6/21/2007 6:23:42 AM 20 RT: Time (min) NL: 8.14E5 TIC MS LinAlkyl16 Problématique scientifique Approche multi-échelle des mécanismes aux procédés Matériaux Milieu hétér. Mécanismes Interface fluide - solide Mesure et Caractérisation Simulations Modélisation Procédés NPEC OPEC Relative Abundance BPA OP NP Propriétés de structure et de surface des matériaux, phase hétér. Amélioration des transferts de masse et de la réactivité Mécanismes de transfert et réactionnels Compréhension des phénomènes Ecriture de lois cinétiques Pilotes expérimentaux et paramètres influents Optimisation des paramètres opératoires 8

7 Thématique Eau Projet Clean Water : Polluants émergents

8 Contexte and Objectifs Clean Water : «Water Detoxification Using Innovative vi-nanocatalysts, 7 partenaires, 1,7 M Objectif général Formulation de catalyseurs nano-structurés utilisant l irradiation solaire pour le traitement de l eau Evaluation de l activité des matériaux sur l élimination de polluants émergents : tétracycline, 17b-oestradiol et bisphénol A Objectifs spécifiques Efficacité et coût du système utilisant l irradiation solaire Compréhension des mécanismes, chemins de dégradation des polluants modèles Minéralisation incomplète : identification des intermédiaires réactionnels et évaluation en termes d impact, toxicité et perturbation endocrinienne 10

9 Méthodologie Test en réacteur de laboratoire Analyses HPLC tests biologiques Réacteur de laboratoire I=2,35 mw/cm 2 ss UV I=1,85 mw/cm 2 ss UV-visible à λ=365 nm nm: E p = Einstein/s 200 nm-30 µm: E p = Einstein/s 3 conditions d irradiation : o 200 nm λ 30 µm (UV-visible) o 280 nm λ 400 nm (UV) o 420 nm λ 630 nm (visible) Indicateurs biologiques (WatchFrog) Negative control: Fry+ Evian Positive control 1: Fry+ EE2 (direct effect) Positive control 2: Fry+ testosterone (non direct effect) Positive control 3: Fry+ testosterone +prochloraz (non direct effect) 11

10 Résultats principaux Effet œstrogénique des intermédiaires réactionnels : exemple de la 17b-œstradiol Performances de dégradation Effet œstrogénique Tous les échantillons présentent un effet oestrogénique Pour des taux de conversion < 80%: [E2]> LOEC (0,17µg/L) Effet induit par E2 En début de dégradation : effet plus important de la solution traitée qu à t = 0 Effet induit par E2 et intermédiaires Pour des taux de conversion de 99%: effet commence à décroitre Importance des intermédiaires Importance d une mesure globale LOD = 12 µg/l Analyses LC/MS/MS 12

11 Micro-polluants Polluants Emergents Thématique Eau Mesure, caractérisation des performances Analyses spécifiques Milieux dilués et multi-composés Analyses globales et tests biologiques Adéquation procédé - cibles Optimisation procédé 13

12 Thématique Air Projets «Air Intérieur» Bioaérosols Particules Composés gazeux

13 Contexte and Objectifs Projets en cours : PhotoCair (Carnot Mines), ETAPE (ADEME), CUBAIR (ADEME), Partenaires académiques (EMD, EMST), Partenaires industriels Objectif général Validation des efficacités et de l innocuité des stratégies envisagées afin de réduire les risques liés aux particules, aux aérosols microbiens et aux COVs Objectifs spécifiques Compréhension des mécanismes (capture, dégradation, inactivation, relargage) Evaluation des paramètres influents (opératoires ou environnementaux), performances des systèmes à coût énergétique raisonné Validation de l innocuité: identification des intermédiaires réactionnels, des AOS, des particules et bioaérosols relâchés dans les conditions proches des conditions réelles, multi-polluants et faibles concentrations 15

14 Méthodologie Bancs expérimentaux à échelle laboratoire Equipements spécifiques représentatifs des conditions réelles Banc expérimentaux dynamiques one-pass et multi-pass Pilote aérosols à flux traversant en régime continu onepass Pilote photocatalytique à flux traversant en régime continu multi-pass Equipements spécifiques Génération polluants gazeux, aérosols, bioaérosols, air de qualité contrôlée (air zéro) Mesures de COVs (ppb), particules, identification microorganismes, paramètres physico-chimiques 16

15 Résultats principaux Evaluation des performances et innocuité des systèmes photocatalytiques Influence des paramètres procédés Etablissement de relations entre les lois de vitesse de dégradation et paramètres : intensité lumineuse, vitesse débitante Simulation du temps de contact selon les géométries des systèmes Etablissement de lois de vitesse Influence des paramètres sur la dégradation du toluène Calcul du temps de contact fluide-matériau (CFD) Compréhension des mécanismes Paramètres pertinents et influents pour le dimensionnement 17

16 Résultats principaux Evaluation des performances et innocuité des systèmes photocatalytiques Suivi des intermédiaires réactionnels et minéralisation Dégradation du toluène seul et en mélange (conditions d essais : C0=800 ppb, HR=50 %, Q=28 Nm3h-1, 1 mwcm-2) Faible présence des intermédiaires en phase gaz Minéralisation et régénération des matériaux possibles Photo-dégradation du toluène et suivi du CO 2 18

17 Résultats principaux Evaluation des performances et innocuité des systèmes photocatalytiques Performances énergétiques des procédés Intégration des capteurs (réponses globale et spécifique) Contrôle commande des procédés Système d asservissement de la tension d alimentation des lampes en fonction des injections successives de vapeur de toluène (conditions : AZ 50 % HR, T = 25 C, concentrations équivalentes en toluène [toluène] = 150 ppb, [toluène] = 1 ppm et [toluène] = 1 ppm Schéma de stratégie d asservissement 19

18 Diversité des polluants Matrice multicomposés Thématique Air Mécanismes Interface fluide - solide Analyses spécifiques et globales Simulation, Modélisation Lois de vitesse Optimisation Contrôlecommande Intensification procédé 20

19 «Nouveaux» traitements pour polluants émergents Compréhension des Mécanismes et Innovation Procédé pour Problématiques Emergentes 21