Study of the properties of a porous anode used as a reactive electrochemical membrane (REM) for advanced oxidation treatment of landfill leachates

Face aux défis environnementaux tels que le stress hydrique, il est capital de développer des technologies rentables pour le traitement et la préservation de ressources en eau. À cet égard, le traitement des lixiviats de décharge est un enjeu scientifique et industriel d'intérêt en raison de leur forte charge organique et de la présence de polluants bio-réfractaires toxiques, difficiles à éliminer par des traitements conventionnels. Les procédés électrochimiques d'oxydation avancée (PEOA) représentent des alternatives prometteuses pour l'élimination de ces polluants. Toutefois, ces procédés nécessitent des anodes à forte surtension d'oxygène afin d'oxyder les composés réfractaires à des potentiels élevés. Parmi les matériaux disponibles, les oxydes de titane sous-stœchiométriques (TiOx), notamment le Ti4O7, sont particulièrement intéressants pour leur conductivité électronique élevée et leur capacité à générer des oxydants puissants comme les radicaux hydroxyles (OH). Cependant, leur demi-vie courte (10 ns) limite l'oxydation au voisinage de l'électrode. Parallèlement, les procédés de filtration membranaire (PFM) permettent de traiter divers effluents avec des taux de rétention élevés ; cependant, le colmatage reste l'une des principales problématiques. Il résulte avantageux de développer un procédé hybride qui tire parti des PEOA et des PFM permettant de pallier ces limitations. Ainsi, les membranes électro-réactives (REM), en tant qu'électrode à flux traversant, représentent une rupture technologique dans le domaine du traitement de l'eau. Leur structure poreuse offre une large surface d'échange, favorisant le contact direct avec les OH en mode filtration. Le matériau étudié est une membrane céramique commerciale enduite d'une couche TiOx, employée comme REM dans un pilote dont la configuration permet une filtration frontale. Ce dispositif peut accueillir jusqu'à trois modules REM, pouvant fonctionner en mode continu ou en recirculation. Les propriétés électrocatalytiques de la TiOx-REM ont été évaluées à l'aide de solutions synthétiques contenant de l'acide oxalique (AO) et de l'acide salicylique (AS). En effet, l'oxydation électrochimique de l'AO ne se produit que par transfert électronique direct, alors que celle de l'AS n'est possible que par transfert d'atomes d'oxygène via les OH. L'électrolyse galvanostatique des solutions d'AS a mis en évidence la formation de nombreux intermédiaires réactionnels, avec des de taux d'abattement pouvant atteindre jusqu'à 86 %, ce qui correspond à un taux de minéralisation de 42 %. Alors que l'oxydation de l'AO est réalisée en une seule étape jusqu'à la minéralisation. Après l'analyse cinétique de ces mécanismes réactionnels, leur effet compétitif a été étudié dans des solutions contenant simultanément les deux composés. Les résultats révèlent que l'oxydation via les •OH demeure prépondérante, indépendamment du rapport des concentrations de l'AO et l'AS, avec des taux de dégradation de 49-52 % et 91-95 % après 2340 mA h, respectivement. L'étude a ensuite été étendue aux lixiviats de décharge en conditions réelles. Des techniques analytiques telles que la spectroscopie de fluorescence, notamment les matrices tridimensionnelles d'excitation-émission, ont été utilisées pour suivre l'évolution de la dégradation des lixiviats. Une méthodologie expérimentale s'appuyant sur un réseau de Doehlert a permis d'identifier l'influence des paramètres opératoires sur les cinétiques de disparition de familles de composés. Au vu des résultats présentés, la technologie REM possède un réel potentiel avec une consommation énergétique inférieure à 0,1 kWh/gTOC pour le traitement de solutions synthétiques. Étant moins énergivore et plus rentable que d'autres PEOA, ces avancées ouvrent des perspectives pour déployer son domaine d'application. Dans ce but, des recherches supplémentaires sont nécessaires quant au développement du matériau d'anode poreuse afin de favoriser son application à grande échelle.