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

29 decembre 2023 Paru dans le N°467 à la page 94 ( mots)

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. Dans cet optique nous avons réalisé une technique nouvelle pour le craquage de la molécule CO2 par résonnance électromagnétique, ce qui nous a permis d’extraire l’oxygène pur O2 et le carbone. Ces deux éléments ont été valorisés dans le traitement des eaux usées industrielles de la ville de Berrechid. Le principe consiste à oxygéner les eaux usées dans leur état brut par O2 avant de procéder à sa purification par la technique de filtration percolation. La matrice filtrante que nous avons utilisée est constituée de sable marin de taille granulométrique 160 µm, de sol agricole très riche en silice et d’une couche de carbone extrait du craquage de CO2. Nous avons étudié d’une part les caractéristiques physico-chimiques avant et après filtration, où les paramètres étudiés sont le pH, la conductivité, la matière en suspension MES, la DCO, la DBO5, les orthophosphates, les chlorures et l’ammonium, et d’autre part l’évolution des traces des métaux lourds les plus toxiques à savoir?: le Cu, le Pb, le Co, le Fe, le Zn et le Cr. Les résultats obtenus sont très positifs et satisfaisants car ils ont présenté des abattements spectaculaires aboutissant à un filtrat dans les normes pour une réutilisation dans le domaine d’irrigation et comme liquide de refroidissement des unités industrielles.

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 dispositif expérimental utilisé dans ce travail (figure 1), est composé d’une bobine de craquage de la molécule CO2 , d’une colonne en verre de 20 cm de diamètre et de 100 cm de longueur. La colonne de filtration est composée de trois étages comprenant les trois adsorbants utilisés à savoir : le sable marin de taille granulométrique 160 µm, le sol agricole argileux riche en silice et le carbone extrait après craquage de CO2.

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


Les effluents étudiés sont chargés en matières en suspension avec des valeurs dépassant les 800 mg/l (figure 4). Ces particules fines de nature organique ou minérale augmentent la turbidité des eaux et empêchent la pénétration de la lumière réduisant différentes activités biologiques dans le milieu récepteur [5-7]. Le système de traitement utilisé a permis une élimination quasitotale des matières en suspension. Cette élimination peut être expliquée par des phénomènes de fixation et d’adsorption de ces particules à la surface des différents supports [18-20].


• Diminution de la conductivité électrique

Les eaux usées étudiées présentent une forte conductivité dépassant les 2,6 mS.cm-1, cette conductivité traduit souvent le degré de minéralisation globale des eaux usées, qui peut être due à la présence des sels dissous dans ces effluents (figure 5). Le passage de ces rejets liquides à travers notre matrice a permis une amélioration de la valeur de la conductivité électrique. Cette amélioration peut être expliquée par le phénomène de diffusion ionique ou par le phénomène d’adsorption des différents ions (sels dissous) responsables de cette conductivité, sur les différents supports composant le système de filtration [21-25].


• 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

La troisième partie de notre recherche a été axée principalement sur l’étude des évolutions des métaux lourds dans ces rejets. Toutes nos analyses ont été effectuéespar ICP(Inductively-CoupledPlasma). Les métaux lourds que nous avons poursuivis sont le cobalt, le zinc, leplomb, le fer, le cuivre, etle chrome [19]. Le tableau 3 présente en ppm le taux de présences de quelques éléments très nocifs,détectésdans les effluents étudiés, dans leurs états bruts avant traitement. Pour mieux constater les abattements obtenus après filtration, nous avons présentés nos résultats obtenus sous formes d’histogrammes.


• Evolution du cobalt

Le cobalt dans les eaux usées brutes, provient principalement de la coloration des verres, de la céramique et de l’émail au moyen de dérivés du cobalt. Préparation d’alliages résistant à de hautes températures, à l’usure et à la corrosion. Dans l’industrie chimique, le cobalt intervient dans les catalyseurs homogènes et hétérogènes pour la synthèse des carburants, des alcools et des aldéhydes. La filtration à travers la matrice utilisée a diminué considérablement la concentration du cobalt. Cet abattement est expliqué par l’immobilisation au niveau du substrat via des mécanismes tels que l’adsorption au niveau des sites d’échanges, la fixation a la matière organique, incorporation dans la structure du sol et par précipitation sous forme de composés insolubles (figure 11) [20-22].


• 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 

La purification des rejets liquides bien oxygénée par notre matrice a permis une réductionde99%(figure 13).L’abattement du Plomb s’explique par les différents minéraux argileux existants dans le sol, particulièrement la palygorskite [22].


• Evolution du fer 

Le fer estl’un des métaux les plus abondants de la croûte terrestre. Il est présent dans l’eau sous trois formes, le fer ferreux Fe2+, le fer ferrique Fe3+ et le fer complexé à des matières organiques (acides humiques, fulviques, tanniques, …). Son origine au niveau industriel peut s’expliquer par l’exploitation minière, la sidérurgie, la corrosion des métaux, Le fer donne aussi un goût métallique à l’eau rendant désagréable sa consommation. La filtration des eaux usées, par la matrice que nous avons utilisée a permis une réduction de cet élément de 34% (figure 14). Cette élimination est due, a des micro-organismes presente dans les sols et les sables [25].


• 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 

La teneur du Crome détecté dans les eaux usées, a été réduite considérablement de 83% par notre matrice, comme le montre clairement la figure 16. Cet abattement s’explique par des phénomènes de précipitation et d’adsorption qui jouent certainement un rôle d’atténuateur de la toxicité de cet élément [26-31].

CONCLUSION

Ce travail a été dédié à l’étude de craquage de la molécule du dioxyde de carbone par la technique de résonnance électromagnétique, où nous avons réussi à casser la liaison et extraire séparément l’oxygène etle carbone.Ces derniers éléments nous ont servi en les valorisant dans le traitement des rejets liquides industriels très chargés en matières organiques et en métaux lourds. La technique utilisé estla filtration percolation à travers une matrice purifiante constituée de sable marin de taille granulométrique 160 µm, de sol agricole argileux très riche en silice et d’une couche de carbone qui provient du craquage de la molécule CO2 . Le filtrat obtenu présente des caractéristiques répondant parfaitement aux normes internationales pour une réutilisation dans le domaine d’irrigation par exemple. Les abattements obtenus dépassent parfois les 80% que ce soit au niveau matières organiques où métaux lourds.