Les usines de traitement des eaux usées utilisent une variété de procédés efficaces et établis pour traiter les eaux usées et les eaux usées. Jusqu'à présent, cependant, il n'y a pas d'idéal, méthode uniformément reconnue pour éliminer les substances à l'état de traces. Des chercheurs de l'Institut Fraun-hofer pour l'environnement, Sécurité et technologie énergétique UMSICHT cherche à changer cela. Dans un projet connu sous le nom de ZeroTrace, ils poursuivent une approche intégrée qui combine leur propre composite de charbon actif avec un processus de régénération électrique nouvellement développé. Le résultat est une méthode qui promet de l'efficacité, durabilité et viabilité à grande échelle.

Quand les Allemands ouvrent le robinet, ils peuvent généralement être sûrs que l'eau qui s'écoule est plus que potable. Ceci est essentiellement dû au grand nombre de stations d'épuration, qui emploient une variété de mécanismes mécaniques très efficaces, méthodes biologiques et chimiques pour débarrasser nos eaux usées des impuretés. Pourtant, des substances à l'état de traces telles que des résidus pharmaceutiques, les produits chimiques ménagers et les agents de contraste utilisés en radiographie sont plus difficiles à éliminer. Malheureusement, ceux-ci peuvent constituer un grave danger pour les humains et les animaux, même à de très faibles concentrations.

Pour faire face à ce problème, de plus en plus d'usines sont désormais modernisées avec un niveau de traitement supplémentaire, conçu pour éliminer ces substances traces. Cela comprend l'utilisation de procédés chimiques-oxydants, qui peuvent créer des sous-produits problématiques. Dans l'ensemble, cependant, la méthode de choix est le charbon actif. Le charbon actif a une structure extrêmement poreuse, ce qui lui donne une immense surface, à l'intérieur et à l'extérieur. Quatre grammes de charbon actif ont une surface de la taille d'un terrain de football. Il est capable d'adsorber d'autres substances - selon leur état chargé - comme une éponge absorbant un liquide.

Accent accru sur la durabilité

En général, le charbon actif offre un moyen efficace d'éliminer les substances traces des eaux usées. En pratique, cependant, il y a souvent un inconvénient majeur. Ilka Gehrke est responsable du département environnement et utilisation des ressources à l'Institut Fraunhofer pour l'environnement, Technologie de la sécurité et de l'énergie UMSICHT à Oberhausen. Elle explique :« Actuellement, la plupart des procédés utilisent du charbon actif sous forme de poudre. Une fois que celui-ci a adsorbé autant de matière que possible, il est éliminé par combustion. C'est évidemment un gros problème en termes de durabilité, d'autant plus que le charbon actif est souvent fabriqué à partir d'une matière première non renouvelable, à savoir, charbon noir standard."

Les chercheurs de Fraunhofer UMSIHT se sont donc associés à un certain nombre de partenaires industriels sur un projet commun financé par le ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche. ZeroTrace vise à optimiser l'utilisation du charbon actif pour l'élimination des substances traces des eaux usées. L'équipe de recherche poursuit une approche intégrée qui comprend également une enquête sur la gestion de l'innovation et la conservation des ressources. Depuis le tout début, les chercheurs ont ainsi pu prendre en compte les différents facteurs moteurs ou freins à l'innovation dans ce domaine.

Gehrke et son équipe étudient l'utilisation de charbon actif granulaire composé de matériaux renouvelables tels que le bois ou les coques de noix de coco. Contrairement au charbon actif sous forme de poudre, ces granulés peuvent être réactivés par traitement à très haute température. Cela élimine les substances adsorbées, réactivant ainsi le charbon usé en vue de sa réutilisation. Maintenant, cependant, ce charbon usé doit souvent être transporté sur de longues distances pour être réactivé. De plus, lorsque les morceaux de carbone sont mélangés dans un lit fluidisé, il y a une forte abrasion, conduisant à un épuisement substantiel de la matière.

Une méthode de régénération adaptée a conduit au bon produit de départ

Les chercheurs se sont donc concentrés sur le développement d'un procédé de régénération pouvant être réalisé directement dans les stations d'épuration. "Le processus utilise un effet physique de champs électriques, " explique Gehrke. " C'est une idée que d'autres ont déjà poursuivie en ce qui concerne la purification du gaz. Pour notre projet, nous avons pu transférer une grande partie des principes dans un scénario liquide. À l'époque, les procédés électriques étaient très coûteux, donc la recherche a fini par être mise de côté. Mais maintenant, nous allons pouvoir utiliser de plus en plus le surplus d'électricité produit à partir de sources renouvelables. À l'avenir, nous pouvons nous attendre à voir de l'électricité bon marché devenir disponible aux heures de pointe de production. »

L'idée derrière le nouveau procédé est basée sur un phénomène connu sous le nom d'adsorption par oscillation de champ électrique (EFSA) :le charbon usé est chauffé électriquement au point où les polluants adsorbés sont soit désorbés, soit brûlés. Pour que cela fonctionne, à la fois le charbon actif et le réacteur doivent répondre à certaines spécifications. Le charbon actif doit avoir une conductivité électrique suffisamment élevée, afin qu'il conduise la quantité d'énergie requise. À la fois, cependant, il doit également avoir une résistance électrique suffisamment élevée, de sorte qu'il chauffe à la température requise au fur et à mesure que le courant le traverse. Dans ce but, Gehrke et son équipe ont développé leur propre composite de charbon actif. Le matériau de base est du charbon de bois en poudre, qui est mélangé avec du graphite. Cela lui confère une conductivité électrique trois fois supérieure à celle du charbon actif normal, sans aucune diminution de ses propriétés d'adsorption. Quant au réacteur, la principale difficulté était de le construire de telle manière qu'il puisse résister à des températures allant jusqu'à 650 degrés Celsius. L'équipe de Gehrke a opté pour un procédé de régénération continue :« L'idée est d'évacuer en continu de petites quantités de charbon usé du décanteur au moyen d'un convoyeur, pour le régénérer puis le réinjecter dans le réservoir. Cela ne nécessite qu'un réacteur relativement petit, car il n'a jamais à traiter plus d'une fraction du total du carbone usé à un moment donné, et la régénération elle-même ne dure que quelques minutes. Et, le charbon usé ne se déplaçant pas à l'intérieur du réacteur, il y a une abrasion minimale, nous estimons donc que nous n'aurons qu'à le reconstituer avec un maximum de 10 % de nouveau charbon actif par cycle. »

Des résultats prometteurs à fort potentiel

L'utilisation de ce composite de charbon actif a fait l'objet d'essais dans la station d'épuration du partenaire industriel Wuppertal-Buchenhofen, où il a été démontré qu'il adsorbe avec succès les substances traces. Pour tester le processus de régénération, les chercheurs ont installé un prototype de réacteur à un endroit éloigné de l'usine de traitement. Ce réacteur, qui a une capacité de 40 à 50 litres, également donné des résultats encourageants. Au terme d'une phase de projet de près de 3 ans, Gehrke est donc confiant :"Nos tests ont montré non seulement que notre procédé préserve les ressources mais aussi qu'il est économique et compétitif." Maintenant, les partenaires discutent d'éventuels projets de suivi impliquant des pilotes à grande échelle situés sur le site de la station d'épuration des eaux usées.