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Développement d’un procédé électrolytique de désinfection et de traitement des eaux récréatives de piscines.

Naji, Touriya (2017). Développement d’un procédé électrolytique de désinfection et de traitement des eaux récréatives de piscines. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 101 p.

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Résumé

La baignade récréative en piscine est une activité aquatique souvent pratiquée par des populations de tous les âges. Cependant, les eaux de piscines peuvent présenter un risque d’exposition à des contaminants de nature microbiologique et/ou chimique. Les contaminants de nature microbiologique sont sous forme de germes pathogènes issus des corps des baigneurs et peuvent proliférer dans les eaux de piscines si la désinfection n'a pas été correctement entretenue. Quant aux contaminants chimiques, ceux-ci incluent les polluants émergents contenus dans la salive, la sueur, l’urine et aussi dans les produits de soins personnels (cosmétiques, crèmes solaires, etc.). Ils comprennent aussi les sous-produits de désinfection qui résultent de l’ajout d’agents oxydants chimiques comme le chlore par exemple. Les eaux de piscines sont alors un réservoir de contaminants qui peuvent présenter un risque pour la santé des baigneurs surtout les moins âgés. Dans le but de protéger les utilisateurs des piscines, des normes québécoises strictes ont été imposées. Le MDDELCC (Ministère du Développement durable, de l'Environnement et Lutte contre les Changements Climatiques) exige que les unités formant une colonie des indicateurs de contamination fécale, à savoir les coliformes fécaux, Escherichia coli (E. coli), Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) soient inférieures à une unité par 100 mL. Les techniques conventionnelles de traitement des eaux de piscines comme la désinfection par l’ajout de divers produits chimiques (ex. : chlore, ozone, brome, etc.), peuvent être efficaces vis-à-vis des micro-organismes pathogènes. Cependant, elles peuvent aussi causer l’augmentation de la salinité de l’eau et la formation de sous-produits toxiques et cancérigènes (Trihalométhanes (THM)). Par ailleurs, elles sont inefficaces face à quelques polluants émergents. En vue de répondre aux exigences des normes sur les eaux de piscines, les procédés électrochimiques deviennent de plus en plus intéressants. En effet, l’électro-oxydation appliquée au traitement des eaux récréatives est une technologie propre qui utilise l’électricité comme source d’énergie pour produire in-situ, à partir des eaux à traiter, des oxydants forts sans avoir recours à l’ajout préalablement de produits chimiques. Ce travail a pour but de développer un système électrochimique de traitement des eaux récréatives capable de désinfecter et d’éliminer simultanément les contaminants émergents susceptibles d’exister dans ce type d’eau (ex. étudié : caféine et parabène). L’efficacité de ce procédé est reliée à la combinaison de deux types d’oxydation : l’oxydation directe et l’oxydation indirecte. L’oxydation directe consiste à oxyder directement les polluants sur l’électrode par génération de radicaux hydroxyles (OH°) obtenus par la décomposition de la molécule d’eau. L’oxydation indirecte consiste à oxyder les polluants en solution par l’intermédiaire d’agents oxydants (tels que H₂O₂, HOCl) générés in situ lors de l’électrolyse des eaux récréatives. La première partie de ce travail a porté sur l’identification des électrodes les plus efficaces par une étude voltampérométrique et un dosage des oxydants totaux générés in-situ durant l’oxydation électrochimique (OEC). Le feutre de carbone a été retenu comme cathode, alors que le bore dopé au diamant (BDD) et le titane platiné (Ti/Pt) ont été respectivement utilisés à l’anode. Par la suite, une évaluation des performances du procédé électrolytique en désinfection a été effectuée en étudiant l’effet des différents paramètres opératoires : intensité de courant, temps de traitement, type d’anode, type d’eau à traiter et concentration des germes pathogènes. Les premiers tests ont été réalisés sur un litre d’eau, dans une cellule électrochimique parallélépipédique contenant deux électrodes rectangulaires (cathode : feutre de carbone (FC); anode : BDD ou Ti/Pt). Une désinfection efficace des eaux de piscines (contenant 10⁶ UFC/100mL de chaque espèce bactérienne) a été obtenue à une intensité de courant de 1,5 A sur BDD et à 3 A sur Ti/Pt durant 2h. Une baisse très importante de la concentration des oxydants totaux liée à la formation d’un sous-produit d’oxydation (les perchlorates), a été observée en présence du BDD. Les tests subséquents de désinfection ont été effectués sur de plus grands volumes d’eau (50 et 100 L) dans une cellule cylindrique contenant 4 électrodes (2 FC et 2 BBD). Les résultats ont montré que l’évolution de la concentration du chlore libre durant les heures de traitement était plus significative dans les 100 L que dans les 50 L. Par conséquent, la diffusion du chlore dans la solution (en plus des autres oxydants) en quantités plus importantes comparés aux 50 L, a mené à une désinfection plus rapide (1 heure pour 100 L et 2 heures pour 50 L). Le pH de la solution à 100 L variait faiblement mais restait dans les normes (7,3 à 7,7), alors que celui de la solution à 50 L a dépassé 8,8. Cette différence de pH influence la distribution de l’acide hypochloreux (HClO) et l’ion hypochlorite (ClO⁻). Elle influence aussi la formation des perchlorates qui a remarquablement baissée dans les 100 L par rapport au 50 L. La deuxième partie de ce travail a porté sur le suivi de l’abattement des deux contaminants émergents (la caféine et le parabène). Ce procédé électrolytique s’avère efficace pour la dégradation de plus de 93% de la caféine et 92% de butyl-parabène (BuPa) après 2 heures d’électrolyse à 3 A en utilisant le Ti/Pt comme électrode anodique.

Abstract

Swimming is a widely practiced activity by people of all ages. However, swimming pool water may present a risk of human exposure to microbiological and/or chemical contaminants. Microbiological contaminants especially pathogens, are originally introduced into pool water via swimmers bodies and excrements; they can grow and spread if disinfection is not properly maintained. On the other hand, chemical contaminants include emerging pollutants contained in saliva, sweat, urine, personal care products, Etc., and also disinfection byproducts. Conventional techniques for treating swimming pool water such as disinfection by adding various chemicals (eg. Chlorine, ozone, bromine, etc.), can be effective to remove most of pathogenic microorganisms. However, this type of oxidant agents can increase water salinity and cause byproducts formation (i.e. trihalomethanes (THMs)). Moreover, they are ineffective to remove some emerging pollutants. In order to meet the requirements of pool water standards established by MDDELCC (Ministry of Sustainable Development, Environment and Fight against Climate Change), electrochemical processes have increasingly emerged recently. In fact, electro-oxidation treatment applied to recreational water is a clean technology that uses electricity as source of energy to produce strong oxidants in-situ without adding any chemicals. This work aimed to develop an electrochemical process for recreational water treatment. This technology is supposed to be capable of simultaneously disinfect and eliminate emerging contaminants that may be contained in pool water (i.e. Caffeine and parabens). Electro-oxidation acts in two different but complementary ways (1) direct oxidation based on in situ generation of hydroxyl radicals OH ° by oxidation of water molecules (2) indirect oxidation also based on in situ production of intermediate oxidizing reagents such as H2O2, HOCl, S2O8 ²⁻, Etc. that are capable of destroying unselectively pollutants. The first part of this work consisted on identifying suitable electrodes via voltammetric tests, thereafter quantifying total oxidants generated in situ during electrochemical oxidation (ECO). Carbon felt (CF) was incorporated as cathode and boron-doped diamond (BDD) and platinized titanium (Ti/Pt) as anodes. Subsequently, assessment of proposed electrolytic process disinfection performance was conducted by studying the effect of various parameters: current intensity, treatment time, type of anode, type of water to be treated and concentration of pathogens. First tests were conducted in one liter of swimming pool water in an electrochemical cell containing two rectangular electrodes (cathode: carbon felt (CF); anode: BDD or Ti / Pt). Significant disinfection of real swimming pool water containing 10⁶ CFU / 100mL of pathogens was obtained at 1.5 A current intensity using BDD and 3 A using Ti/Pt. Further disinfection tests were carried out on larger volumes of water (50 to 100 L) in a cylindrical cell with 4 electrodes (2 CF and 2 BBD). Results showed that evolution of free chlorine concentration during electrochemical treatment was more significant in 100 L than 50 L. Therefore the distribution of chlorine in 100 L (in addition to other oxidants) in larger amounts compared to 50 L, led to a faster disinfection (1 hour for 100 L and 2 hours for 50 L). pH of the solution in 100 L was visibly stable and ranged from 7.3 to 7.7, however, in 50 L pH was around 8.8. pH difference influences distribution of hypochlorous acid (HClO) and hypochlorite ion (ClO-) in the solution and consequently effectiveness of the disinfection. Formation of perchlorates has also remarkably dropped in 100 L compared to 50 L. Second part of this work aimed to follow the degradation rates of emerging contaminants (caffeine and paraben) in swimming pool water. Results showed that electrolytic oxidation is capable of removing more than 93% of caffeine and 92% of butyl paraben (BuPa) in 2 hours of electrolysis at I= 3 A using Ti / Pt.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Drogui, Patrick
Mots-clés libres: eaux de piscines; électro-oxydation; désinfection; contaminants émergents; caféine; Parabène; perchlorates; swimming pool water; electro-oxidation; disinfection; emerging contaminants; caffeine; parabens; perchlorates
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 24 avr. 2017 20:02
Dernière modification: 24 avr. 2017 20:02
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/5131

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