Le processus de Fenton
Le réactif de Fenton est une solution de peroxyde d’hydrogène et d’un catalyseur au fer utilisé pour oxyder les contaminants ou les eaux usées. Le réactif de Fenton peut être utilisé pour détruire des composés organiques tels que le trichloroéthylène (TCE) et le tétrachloroéthylène (PCE).
Le fer (II) est oxydé par le peroxyde d’hydrogène en fer (III), formant ainsi un radical hydroxyle et un ion hydroxyde. Le fer (III) est ensuite réduit en fer (II) par une autre molécule de peroxyde d’hydrogène, formant un radical hydroperoxyle et un proton. L’effet net est une dismutation du peroxyde d’hydrogène pour créer deux espèces radicalaires oxygénées différentes, avec de l’eau (H+ + OH-) comme sous-produit.
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO• + OH-
Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HOO• + H+
Les radicaux libres générés par ce processus s’engagent alors dans des réactions secondaires. Par exemple, l’hydroxyle est un oxydant puissant et non sélectif. L’oxydation d’un composé organique par le réactif de Fenton est rapide et exothermique et entraîne l’oxydation des contaminants en dioxyde de carbone et en eau principalement.
Oxydation avec l'ozone
L’ozone est un agent hautement oxydant et peut réagir avec un substrat organique, par une réaction lente et sélective en dessous ou par une réaction radicalaire rapide et non sélective produisant du HO•. Il a été démontré que la décomposition de l’ozone en solution aqueuse forme HO•, surtout lorsqu’elle est initiée par OH-.
La voie peut être initiée de différentes manières, par HO2- , HCOO-, Fe2+, des substances humiques ou principalement par HO-. C’est pourquoi, en principe, l’ozonation est sensiblement plus efficace en milieu alcalin, présentant un optimum autour du pH 9. Avec le complexe d’ozonation, les matières organiques sont transformées en aldéhydes, cétones ou acides carboxyliques, tous des composés facilement biodégradables. L’ozonation est également polyvalente pour être combinée avec d’autres AOP conventionnelles ou conventionnelles.
Cependant, du point de vue opérationnel, le transfert de masse d’ozone gazeux-liquide présente des limites. Par conséquent, le procédé nécessite une conception efficace du réacteur afin de maximiser le coefficient de transfert de masse de l’ozone ; augmentant la zone interfaciale de contact. De plus, augmenter le temps de rétention dans le réacteur au moyen de grandes colonnes de bulles, ou augmenter la solubilité de l’ozone en augmentant la pression jusqu’à plusieurs atmosphères, peut être efficace.
L’ajout de H2O2 au système d’ozonation améliore la capacité d’oxydation du processus grâce à des réactions secondaires. Le peroxyde d’hydrogène initie la décomposition de l’O3 par transfert d’électrons.
O3 + H2O2 → HO• + O2 + HO2•.
Le procédé est coûteux mais rapide, et permet de traiter des polluants organiques à de très faibles concentrations (ppb), à pH compris entre 7 et 8 ; le rapport molaire optimal 03/H2O2 est de 2:1. L’un des principaux domaines d’application de ce traitement est la dégradation des pesticides. Il est également efficace pour le post-traitement de l’eau préalablement traitée au chlore car il peut décomposer les trihalométhanes ou composés apparentés.
Processus d'oxydation photochimique
Lorsque l’ozone est combiné au rayonnement UV, plusieurs processus se produisent. L’irradiation de l’ozone dans l’eau conduit à la formation quantitative de H202 : La photolyse de H2O2 par rayonnement UV produit deux radicaux hydroxyles pour chaque molécule de peroxyde d’hydrogène ; le réactif réagit également avec 03 :
Tout comme le H2O2, l’ozone réagit avec les radicaux hydroxyles pour former des radicaux superoxydes :
Étant donné que l’ozone a un coefficient d’absorption plus élevé que le H2O2, cet AOP combiné peut être utilisé pour traiter l’eau avec un fond d’absorption UV élevé. L’efficacité est supérieure à celle de l’Oz ou des UV directs, car la lumière UV-B (280-315 nm) peut être utilisée, évitant ainsi l’utilisation d’un réacteur à quartz.
Lorsqu’une irradiation UV-C est utilisée, la photolyse de l’O3 génère du HO• supplémentaire. et d’autres oxydants, avec pour conséquence une augmentation de l’efficacité.
Procédés d'oxydation avancés (AOP)
Les AOP au sens large font référence à un ensemble de procédures de traitement chimique conçues pour éliminer les matières organiques (et parfois inorganiques) présentes dans l’eau et les eaux usées par oxydation via des réactions avec des radicaux hydroxyles (OH). Dans de tels processus chimiques qui utilisent de l’ozone (O3), du peroxyde d’hydrogène (H2O2) et/ou de la lumière UV. Un de ces types de processus est appelé oxydation chimique in situ.
Les AOP reposent sur la production in situ de radicaux hydroxyles (OH) hautement réactifs. Ces espèces réactives sont les oxydants les plus puissants pouvant être appliqués dans l’eau et peuvent pratiquement oxyder n’importe quel composé présent dans la matrice aqueuse. Par conséquent, OH réagit de manière non sélective une fois formé et les contaminants seront rapidement et efficacement fragmentés et convertis en petites molécules inorganiques. Les radicaux hydroxyles sont produits à l’aide d’un ou plusieurs oxydants primaires (par exemple l’ozone, le peroxyde d’hydrogène, l’oxygène) et/ou de sources d’énergie (par exemple la lumière ultraviolette) ou de catalyseurs (par exemple le dioxyde de titane).
La procédure AOP est particulièrement utile pour traiter des matières biologiquement toxiques ou non dégradables telles que des aromatiques, des pesticides, des constituants pétroliers, etc. présents dans les eaux usées. De plus, les AOP peuvent être utilisés pour traiter les effluents des eaux usées traitées secondairement, appelés alors traitement tertiaire. Les matières polluantes sont transformées dans une large mesure en composés inorganiques stables tels que l’eau, le dioxyde de carbone et les sels, c’est-à-dire qu’elles subissent une minéralisation.
De manière générale, la chimie des AOP pourrait être essentiellement divisée en trois parties :
Formation de OH
Attaques initiales des molécules cibles par OH et leur dégradation en fragments.
Attaques ultérieures par OH jusqu’à la minéralisation ultime.
L’ozonation, les UV/H2O2 et l’oxydation photocatalytique reposent sur différents mécanismes de génération d’OH :
UV/H202 :
H202 + UV → 2-OH
AOP à base d’ozone :
O3 + HO – HO2 + O2
O3 + HO2 → HO2 : + 03
03 : + H+ – HO3.
H03. → OH + O2
Oxydation photocatalytique avec TiO2 :
TiO2 + UV + e +h+
Ti(IV) + H2O = Ti(IV)-H20
Ti(IV)-H20 +h+ = Ti(IV)–OH + H+
Avantages
- Il pourrait éliminer efficacement les composés organiques en phase aqueuse, plutôt que de collecter ou de transférer les polluants dans une autre phase.
- En raison de la remarquable réactivité de OH, il réagit pratiquement avec presque tous les polluants aqueux sans grande discrimination. Les AOP pourraient donc être applicables dans de nombreux scénarios,
- sinon tous, dans lesquels de nombreux contaminants organiques devraient être éliminés en même temps.
- Certains métaux lourds pourraient également être éliminés sous forme de M(OH)x précipité.
- Dans certaines conceptions d’AOP, la désinfection pourrait également être réalisée, conduisant les AOP à une solution intégrée à certains problèmes de qualité de l’eau.
- Puisque le produit complet de réduction de OH est H20, les AOP n’introduisent théoriquement aucune nouvelle substance dangereuse dans l’eau.
Désavantages
- Plus important encore, les coûts des AOP sont trop élevés, car un apport continu de réactifs chimiques coûteux est nécessaire pour maintenir le fonctionnement de la plupart des systèmes AOP.
- Certaines techniques nécessitent un prétraitement des eaux usées pour garantir des performances fiables, ce qui pourrait s’avérer coûteux et techniquement exigeant. Par exemple, la présence d’ions bicarbonate (HCO3-) peut réduire sensiblement la concentration de •OH en raison de processus de récupération qui produisent du H20 et une espèce beaucoup moins réactive, .CO3-. En conséquence, le bicarbonate doit être éliminé du système, sinon les AOP seraient compromis.
- Compte tenu des coûts potentiels, les AOP ne peuvent pas traiter individuellement une grande quantité d’eaux usées ; les AOP devraient plutôt être déployés dans la phase finale, une fois que les traitements primaire et secondaire ont réussi à éliminer une grande proportion de contaminants.