Photocatalyse Solaire : Application du rayonnement solaire au traitement de l’eau

Dimanche 26 juin 2011

Réacteur photocatalytique (CDER)Depuis la crise énergétique des années 70, l’intérêt des économies pour la recherche et le développement de nouvelles sources d’énergie (autres que les combustibles fossiles) n’a cessé de croître. C’est dans ce contexte que la photochimie et le développement des applications subséquentes ont connu leur essor à partir des années 80, alors que l’effet thermochimique du soleil était déjà empiriquement observé dans la nature. Ces applications peuvent être scindées en deux groupes : La thermochimie : De même qu’on peut brûler du pétrole pour réchauffer un corps, l’énergie calorifique du soleil peut être captée pour produire le même effet sur le même corps. La photochimie : Les photons solaires sont captés par des substrats, ce qui entraîne la rupture des liaisons chimiques entre les différents atomes constitutifs de ces molécules. Schématiquement, ces deux effets se représentent comme suit :

Vue schématique des applications chimiques de l’énergie solaire

Application du rayonnement solaire au traitement de l’eau

Les techniques d’oxydation avancée sont des procédés de traitement de l’eau ayant connu une évolution rapide au cours des vingt dernières années. Elles appartiennent à la dernière génération de techniques mises au point dans ce domaine. Elles ont pour but la minéralisation totale de polluants en CO2, H2O et composés inorganiques. La photocatalyse fait partie de ces techniques d’oxydation avancée.

Qu’est-ce que la photocatalyse ?

La photocatalyse est un phénomène naturel dans lequel une substance, le photocatalyseur, initie une réaction chimique grâce à l’action de la lumière, sans se dégrader lui-même. Son principe est simple : il réside dans la décomposition et la dégradation de la matière sous l’action des rayons lumineux principalement ultraviolets. Des réactions d’oxydation et de réduction peuvent ainsi se produire entre les électrons capturés et les substances chimiques absorbées. La photocatalyse trouve particulièrement ses lettres de noblesse dans la dépollution de notre environnement. En effet, la technologie photocatalytique s’insère au cœur de multiples applications :

Dépollution de l’eau : purification et potabilisation de l’eau, traitement des effluents industriels afin de limiter les rejets riches en composés toxiques ;

Dépollution de l’air  : destruction des bactéries à l’origine de nuisances olfactives ou présentes en milieu hospitalier, ré- duction de la pollution de l’air d’un environnement urbain ;

Surfaces auto-nettoyantes : augmentation de la durée entre deux nettoyages d’une surface.

Applications de la photocatalyse Applications de la photocatalyse

Les applications photocatalytiques utilisent deux groupes de catalyseurs :

Les catalyseurs homogènes  : Ceux qui constituent avec l’eau une seule phase (ex : Fe3+, Fe3++ H2O2, ...)

Les catalyseurs hétérogènes : Ceux qui forment avec l’eau deux phases (ex : TiO2, ZnO,....etc).

Dégradation photochimique de quelques polluants biorécalcitrants

Au laboratoire de bioénergie environnement de CDER où s’effectue ce travail, deux projets d’études photocatalytiques impliquant ces deux groupes de catalyseurs ont donné des résultats assez prometteurs en termes de traitement de la pollution chimique et de la désinfection de l’eau.

Traitement des effluents pharmaceutiques par le procédé photocatalyse hétérogène TiO2/UV

La photocatalyse héterogène solaire est basée sur le principe de la photo-excitation d’un semi-conducteur (le dioxide de titane, TiO2) soumis au rayonnement UV artificiel ou solaire, permettant d’initier des réactions radicalaires. Les radicaux qui sont des espèces fortement oxydantes permettent la minéralisation d’un très grand nombre de polluants organiques.

Principe de la photocatalyse hétérogène Principe de la photocatalyse hétérogène

Le TiO2 (dioxyde de titane) est le semi-conducteur le plus étudié (stabilité photochimique et activité photocatalytique dans un large domaine de pH).

Oxydation de colorant azoïque par procédé photo-Fenton : photocatalyse homogène

Le système photo-Fenton combine l’irradiation UV au procédé catalytique de décomposition du peroxyde d’hydrogène en présence des ions ferriques.

Principe du procédé photo-Fenton (Photocatalyse homogène) Principe du procédé photo-Fenton (Photocatalyse homogène)

L’étude de la dégradation du colorant BB41 sur une unité pilote utilisant le rayonnement solaire a montré que le procédé photo-Fenton (photocatalyse homogène) est très efficace. Ce procédé s’inscrit dans une perspective de développement durable utilisant une énergie renouvelable.

Souâd Chergui Bouafia, CDER

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