[Photo : Production du CO₂]
Le CO₂ (dioxyde de carbone) est l’élément d’oxydation ultime des composés carbonés. Il est notamment produit par la combustion des matières organiques ou minérales et l'air expiré des poumons des êtres vivants en contient plus de 5 %.
Qu’est-ce que le CO₂ ?
Le CO₂ est un produit abondant dans le milieu naturel qui en contient des milliards de tonnes, soit sous forme gazeuse (en moyenne 0,035 % dans l’atmosphère), soit sous forme dissoute dans les eaux (océans, rivières et eaux souterraines), à raison de plusieurs grammes par m³, soit sous forme combinée dans les roches calcaires (carbonate de calcium).
C'est un fluide inerte plus lourd que l’air à l'état gazeux, incolore et présentant une odeur légèrement acide à concentration élevée dans l’air. Comme nous le verrons par la suite, sa mise en œuvre en traitement des eaux est extrêmement intéressante.
La production et le conditionnement du CO₂
La principale origine industrielle du CO₂ est
[Photo : Figure 2 : Domaines de prédominance des différentes entités chimiques issues de la combinaison du CO2 et de l'eau]
[Photo : Figure 3 : Comparaison d'une neutralisation avec un acide fort et avec le CO2]
chimique. Il est issu d’effluents gazeux provenant d’industries de production d’engrais, en particulier d’ammoniac (figure 1). Il est extrait des fumées émises. Ces fumées sont comprimées, déshydratées, purifiées. Le CO2, ultrapur ainsi obtenu est liquéfié et stocké à une pression d’environ 20 bar et une température d’environ -20 °C.
Le CO2 est produit industriellement sous ses trois phases :
- Liquide à -20 °C et 20 bar dans un réservoir de stockage cryogénique, ou bien dans une bouteille ou une sphère, à température ambiante, sous sa pression de vapeur saturante (57 bar à 20 °C).
- Gazeux par soutirage direct d'une bouteille ou vaporisation du liquide.
- Solide sous forme de neige carbonique ou de Carboglace à une température de -78 °C à pression atmosphérique.
Les principales utilisations du CO2 sous ces trois formes sont résumées dans le tableau I.
Tableau I : propriétés et exemples d'utilisation du CO2
| Propriétés |
Fluide inerte et bactériostatiqueAgent cryogéniqueSolvantAgent de carbonatationAgent de propulsionAgent accélérateur de la photosynthèseAgent de neutralisationAgent d’acidification |
| État physique |
GazeuxSolideConditions supercritiques (T ≥ 31 °C et P > 74 bar)Gaz dissous |
| Applications |
Protection des silosExtinction du taux de O2Conservation sous gaz des alimentsSurgélation rapideTransport de produits fraisNettoyage par projection de particules de glace carbonique (procédé CO2 Cleanblast)Extraction super-critiqueNettoyageGazéification des sodas et bièresSubstitution des CFCEnrichissement de l’atmosphère des serresAjustement de la dureté de l’eauAjustement de pH |
Les propriétés acides du CO2
Le CO2 se combine à l’eau pour donner l'acide carbonique :
CO2 + H2O ⇌ H2CO3
L’acide carbonique est un diacide dont les équilibres de dissociation sont (figure 2) :
H2CO3 ⇌ HCO3- + H+ pK1 = 6,4
HCO3- ⇌ CO3 2- + H+ pK2 = 10,2
Dans la mesure où l'on ne recherche pas des pH très acides (le pH de l’eau distillée à 25 °C saturée en CO2 est égal à 3,8), les propriétés chimiques de l'acide carbonique sont similaires à celles des autres acides.
Neutralisation et régulation fine du pH
De nombreuses industries : textiles, agroalimentaires, chimiques, pharmaceutiques, métallurgiques, etc. rejettent des effluents basiques dont la neutralisation est progressivement imposée par la loi dans le cadre de la lutte antipollution.
La norme française concernant le pH impose qu'il soit compris entre 5,5 et 8,5. De plus certains procédés de fabrication nécessitent un ajustement rigoureux du pH. Le caractère faible de l’acidité de H2CO3 permet alors d'avoir une régulation très fine du pH (figure 3).
Des acides minéraux forts, tels que HCl, H2SO4 et HNO3, sont traditionnellement utilisés. Ils présentent cependant de nombreux inconvénients (tableau II).
Mise en œuvre du CO2
Carboxyque a développé la gamme de matériels Carb’ECO afin de répondre aux multiples demandes de ses clients. Du coffret au châssis d’injection, de la simple régulation manuelle à la régulation PID, en injection liquide ou gazeuse, avec dissolution statique ou dynamique, nos équipements permettent de réaliser l’installation parfaitement adaptée à la demande du client.
Exemple de réalisations industrielles
L’injection du CO2 est spécialement dimensionnée pour les installations nouvelles et également adaptée au dimensionnement des équipements existants.
Installation chez un industriel du textile
Chez cet industriel, la nouvelle installation intégrait une neutralisation des effluents au
[Photo : Installation d'injection de CO₂ gazeux à régulation manuelle (matériel Carb’ECO)]
CO₂, dès sa conception. Dans ce cas de figure, l’installation d’injection de CO₂ a été conçue en collaboration avec l’ingénierie maître d’œuvre de la station dans son ensemble. Ses caractéristiques sont les suivantes :
Débit d'eau traité : 250 m³/h (15 h/j)pH initial : 11pH final : 8,5
Ces valeurs étaient constantes au cours du temps.
Une formule a permis de calculer le débit de CO₂ horaire : QCO₂ = 11 kg/h.
Le débit de CO₂ demandé étant constant, nous avons choisi d’installer un châssis Carb’ECO à régulation manuelle (figure 4). L’injection proprement dite a, quant à elle, été effectuée en fond de bassin par l’intermédiaire de poreux.
Tableau II : les avantages du CO₂
| Caractéristiques |
|---|
| - Le CO₂ est chimiquement inerte avant son introduction dans l’eau.- Le CO₂ est livré liquéfié sous sa propre pression de vapeur.- Une fois dissous dans l’eau, le CO₂ constitue un acide faible (H₂CO₃), libérant successivement des carbonates (CO₃²⁻) et des bicarbonates (HCO₃⁻). |
| Conséquences |
|---|
| - Pas de protection individuelle de sécurité (bottes, lunettes, gants, poste de rinçage…).- Pas de bac de rétention à prévoir autour du réservoir.- Pas de corrosion ou de vieillissement des installations.- Pas de machine tournante (pompe ou compresseur) pour véhiculer le produit.- Dégivrement possible entre stockage et utilisation (pression de transport gratuite).- Pas d’ion(s) dur(s) étrangers (chlorures ou sulfates) dans l’eau ; seuls les ions bicarbonates sont générés pour pH > 8,3.- Aucun risque de suracidification lors d’erreurs de dosage.- Stabilisation du pH (courbe de neutralisation à faible pente).- Le CO₂ n’est pas remis à l’état gazeux dans l’atmosphère, mais recyclé dans le milieu naturel sous les formes bicarbonate et carbonate. |
Installation chez un industriel de la chimie
Chez cet industriel de la chimie, les débits étaient beaucoup plus fluctuants et importants. La station existait et il fallait s’adapter à sa configuration. De plus, il convenait de remplacer de l’acide sulfurique par du CO₂. Dans ce cas, il est facile de déterminer les quantités de CO₂ à injecter grâce à l’équivalence théorique CO₂/H₂SO₄ qui est de 0,88 kg de CO₂ pour 1 kg d’acide sulfurique à 98 %.
Les débits de pointe qui devaient être atteints étaient de plusieurs centaines de kg de CO₂ par heure. Afin d’éviter le coût de l’évaporation du CO₂ (investissement du vaporiseur et coût énergétique), il a été décidé d’injecter le CO₂ sous sa forme liquide.
Le matériel Carb’ECO L a donc été choisi puisqu’il permet d’injecter le CO₂ en canalisation, le débit étant régulé avec asservissement au pH.
Conclusion
Nous avons voulu présenter le CO₂ comme agent de traitement des effluents.
Nous avons insisté sur les propriétés du CO₂, inerte et non corrosif, qui n’acquiert les propriétés recherchées qu’après sa mise en solution dans l’eau. Les réalisations citées démontrent sa grande facilité de mise en œuvre. D’autres applications du CO₂ en traitement des eaux existent : traitement des eaux potables, des eaux de piscine,…
