Valorisation de l’oxygène O2 et du carbone C extraits du craquage de CO2 par résonance électromagnétique dans le traitement des eaux usées

INTRODUCTION

Le réchauffement climatique, causé par les gaz à effet de serre, est devenu une préoccupation majeure de la population mondiale. Le dioxyde de carbone est le principal représentant des gaz à effet de serre, ses émissions mondiales augmentent depuis l’époque préindustrielle. La majorité de ces émissions anthropiques sont liées à la production d’énergie. En effet, cette dernière est principalement produite à partir de ressources fossiles (charbon, pétrole, gaz). En outre, ces sources d’énergie sont limitées et présentent un risque d’épuisement alors que la demande énergétique mondiale est en augmentation continue. Tout cela a conduit à un fort développement des énergies renouvelables électriques (notamment éolien et photovoltaïque) au cours de cette dernière décennie. Cependant, ces sources d’énergies sont intermittentes. 

Le développement des moyens de stockage/déstockage efficaces est donc nécessaire afin de pallier les surplus et déficits qui seront engendrés par l’intégration massive de ces sources d’énergies. L’objectif principal du présent travail consiste à développer un système performant pour l’extraction de l’oxygène pur et du carbone de la molécule CO2 , et les valoriser dans le traitement des eaux usées industrielles. La technique que nous avons utilisée est le craquage de dioxyde de carbone par résonnance électromagnétique, et celle du traitement des effluents liquides est la filtration percolation après oxygénation des eaux brutes pendant une durée de 1 heure. 

La matrice de purification utilisée est constituée du sable marin de taille granulométrique 160 µm, du sol argileux très riche en silice et d’une couche de carbone extraite du craquage deCO2 . Le traitement des eaux usées par oxygène avant filtration peut être utilisé dans deux optiques différentes. Tout d’abord l’oxygène peut être introduit dans l’eau usée en tant que traitement lui-même, car un taux d’oxygène optimal dissous dans l’eau permet d’équilibrer les pics de DCO / DBO, c’est-à‑dire la «respiration» des micro-organismes présents dans l’eau. 

Ce traitement permet de contrôler la prolifération de ces micro-organismes et permet de lutter contre la constitution du sulfure d’oxygène (H2S). Cette source d’azote constitue un gaz désagréable et ultra toxique pour l’homme ainsi que pour la planète entière. Les résultats que nous avons obtenus sont très intéressants que ce soit du point de vue des analyses physicochimiques, où de l'étude des métaux lourds. Notre étude est scindée en trois parties dont la première concerne la méthode de craquage deCO2 , la seconde traite les paramètres physico-chimiques de notre effluent oxygéné avant et après traitement, et la dernière partie concerne l’étude des évolutions des métaux lourds des rejets liquides avant et après purification.

MATÉRIELS ET MÉTHODES Principe de craquage de CO2

La méthodologie du craquage du CO2 par résonance électromagnétique repose sur la mise en place d’une bobine génératrice de champ électromagnétique. Après avoir purifié le CO2 , il est introduit dans cette bobine où les molécules de CO2 sont exposées à un champ électromagnétique de fréquence spécifique. À cette fréquence, les molécules absorbent de l’énergie, entraînant la rupture de leurs liaisons et la formation de fragments moléculaires plus simples. Les produits résultants sont ensuite collectés et analysés pour évaluer l’efficacité du processus. L’optimisation des paramètres tels que l’intensité du champ électromagnétique et la pression permet de maximiser la conversion du CO2 en produits souhaités. 

Cette approche novatrice ouvre des perspectives pour la conversion durable du CO2 en produits utiles. Cette méthode expérimentale est une technique puissante et simple qui améliore les procédures de recherche en utilisant des plans orthogonaux pour évaluer l’influence des différents facteurs sur les réponses du processus. Elle intègre une fonction de perte pour mesurer l’écart par rapport à la valeur souhaitée et établit une relation signal/ bruit(S/B).Cette relation peut être classée comme une valeur nominale, plus grande est meilleure, ou plus petite est meilleure, selon le contexte spécifique en cours. Le tableau 1, présente les différents paramètres utilisés pour le craquage de la molécule CO2 [1- 13].

Principe de filtration des eaux brutes

Le sable utilisé a été prélevé le long du littoral de la ville d’El Jadida. Ce dernier a été lavé et finalement séché soigneusement dans une étuve à 40°c. Le sol agricole provient d’un champ voisin de la ville d’ElJadida très riche encalcite et silice. Le prélèvementdes eauxusées a été effectué directement au niveau d’un lac servant aux rejets liquides que ce soit urbains, industriels, médicaux et autres de la ville deBerrechid (figure 2).Ces rejets liquides ont été stockés à 5°Cet conservés à l’abri de la lumière pour éviter toute éventuelle modification physico-chimique

RÉSULTATS ET DISCUSSIONS 
Caractérisations physicochimiques

Le tableau 2, ci-dessous, regroupe les résultats des paramètres physicochimiques obtenus avant et après traitement des eaux usées bien oxygénées étudiées à travers la matrice filtrante formée du sable, sol et carbone. Pour mieux comprendre les résultats obtenus (tableau 2), et dans le but de mieux comparer les valeurs des différents paramètres physico-chimiques obtenus avant et après traitement, il seraittrès utile de représenter ces résultats sous formes d’histogrammes.

• Régulation du pH 

Le rejet liquide étudié a un caractère basique avec une valeur dépassant 8 degrés pH, un tel effluent rejeté dans la nature aurait un impact négatif sur l’environnement et peut causer des déséquilibres physicochimiques des milieux récepteurs (figure 3). Le passage de ces eaux usées à travers la matrice composée de sable, du sol agricole, et de la couche de carbone a permis la régulation du Ph à une valeur de 7,13. Cette neutralisation peut être expliquée par le caractère basique des supports filtrants utilisés en impliquant des processus d’échange d’ions et des phénomènes de complexation de surface qui se font entre les supports etles ions hydrogène, qui tendent ainsi à diminuer le pH des eaux filtrées [14- 17].

• Diminution des matières en suspension

• Diminution de la conductivité électrique

• Réduction des ions chlorure

Les eaux usées étudiées représentent une charge en ions chlorures avec des concentrations de l’ordre de 1200 mg/l (figure 6). Le traitement de ces rejets liquides par le système utilisé a permis une bonne réduction de ces ions. Cette élimination peut être expliquée par des phénomènes de fixation et par échange d’ions, les différents cations (Na+ , Ca2+, Fe2+, Al3+, …) des supports utilisés piégeant ces ions par adsorption au niveau de leur surface [16-18]. La couche de carbone et le sol sont connus comme des matériaux naturels présentant une bonne capacité d’échange d’ions et un pouvoir d’adsorption des ions chlorures ainsi que d’autres polluants [26-27].

• Abattement des ions ammonium

Les effluents étudiés présentent une forte charge en ions ammonium dépassant les 500 mg/l (figure 7). De telles concentrations auraient un impact négatif sur le milieu récepteur, ainsi elles peuvent provoquer des problèmes de corrosion des conduites et des canalisations qui véhiculent les eaux usées [22‑24]. Après passage à travers les filtres composant notre système de traitement, nous avons constaté une réduction de plus de 90% en concentration de ces ions. Cette élimination peut se faire soit par phénomène d’adsorption sur les différents supports utilisés pour la filtration ou par capacité d’échange d’ions. Des travaux récents ont montré l’efficacité etla capacité d’échange et de sorption des ions ammonium par le carbone solide et par les différentes argiles composant le sol agricole et grâce à la présence des bactéries nitrifiantes dans le sol [28-29].

• Diminution des ions orthophosphates

Les concentrations élevées en ions orthophosphates, rencontrées dans les eaux usées étudiées peuvent être d’origine de différentes activités industrielles, telles que la production des engrais et détergents. Les rejets liquides étudiés présentent des concentrations dépassant les 75 mg/l (figure 8). Ces fortes charges en phosphore peuvent engendrer différents problèmes au niveau des milieux récepteurs tels que le phénomène d’eutrophisation, qui se traduit par une croissance excessive des algues dans les écosystèmes aquatiques [28]. Aprèspassage sur lesdifférentes couches de notre matrice filtrante, nous avons noté un taux d’élimination dépassantles 40%. Cette élimination peut être expliquée par le phénomène de précipitation et complexation avec des éléments constituants les feuilles des supports composants le lit filtrant,tels que Al2 O3 , Fe2 O3 etCaO, qui sont considérés comme précipitant pour l’élimination physicochimique du phosphore [30].

• Réduction de la demande chimique en oxygène

La pollution organique englobe des matières organiques biodégradables ou non, qui résultent de différentes activités humaines, agricoles et industrielles (figure 9). Cette pollution organique peut générer différents problèmes au niveau du milieu récepteur, mauvaises odeurs,dégradationde la faune etlaflore, appauvrissement en oxygène [30]. Les effluents liquides étudiés sont chargés en matières organiques, le passage sur les différents supports composantle systèmedefiltrationa permisunabattement de la pollutionorganique sans oublier que l’oxygène introduit dans l’eau usée avant sa filtration est considéré comme traitementlui-même, car un taux l’oxygène dissous dans l’eau usée avant sa filtration a permis d’équilibrer les pics de DCO / DBO, c’est-à‑dire la «respiration» des micro-organismes présents dans l’eau. Ce traitement permet de contrôler la prolifération de ces micro-organismes. Le sable marin et le sol agricole utilisés comme supports filtrants ont déjà montré leur efficacité de rétention et d’adsorption de différents polluants organiques et inorganiques. Lors d’une étude de recherche, il a été rapporté que le carbone et d’autres minéraux argileux ont démontré une efficacité à réduire et à enlever des phénols et des métaux lourds ainsi que d’autres polluants organiques présents dans les eaux usées [31].

• Evolution de la demande biologique en oxygène

La diminution de la demande biologique en oxygène a permis un taux de réduction de 75%. (Figure 10). L’abattement de la demande biologique en oxygène fait intervenir des phénomènes physiques de sédimentation et de filtration ainsi que des phénomènes biologiques associés à la flore bactérienne du lit filtrant et la bonne oxygénation des effluents liquides avant d’entamer la filtration par les matrices [28].

Métaux lourds

• Evolution du cobalt

• Evolution du zinc

La concentration du zinc dans les eaux usées oxygénée a pour origine l’exploitation minière, la combustion du charbon, des déchets, etl’industrie de l’acier. Le zinc, relativement mobile est facilement adsorbé par les constituants du sol organiques et minéraux. Le zinc peut donc être mobile et migrer facilement en profondeur. Les résultats obtenus par notre filtre sont très intéressants car les abattements de ce métal ont atteint presque 80% (figure 12) [23].

• Evolution du plomb 

• Evolution du fer 

• Evolution du cuivre 

Le cuivre Cu, provient principalement des rejets industriels comme le traitement de surface, l’industrie chimique et électronique. Le dosage du cuivre dans l’eau percolée révèle des teneurs de l’ordre de 0,04 ppm pour le filtrat récupéré (figure 15), ce qui correspond aux rendements épuratoires de 86%. Il s’agit donc d’un rendement épuratoire très important pour cet élément. La rétention du cuivre est due à son fixation par la matière organique [26].

• Evolution du chrome 

CONCLUSION