Développement de procédés électrolytiques pour le traitement des eaux de ruissellement routier chargées en sels de déglaçage

Ebrahimi Gardeshi, Mitra (2024). Développement de procédés électrolytiques pour le traitement des eaux de ruissellement routier chargées en sels de déglaçage Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 181 p.

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Résumé

La gestion des eaux de ruissellement routier (ERR) chargées en sels de déglaçage est un problème environnemental émergent. Ces eaux contiennent une concentration significative en chlorure de sodium. Le rejet de ces eaux dans l'environnement sans traitement préalable entraîne une contamination des eaux de surface et souterraines, une perturbation des écosystèmes aquatiques (perturbation de la biodiversité), une détérioration de la structure et une perte de perméabilité du sol. Étant donné les différents défis environnementaux, il est de plus en plus urgent de traiter ces eaux à la source, aussi près que possible de leur entrée dans l'environnement, via des bassins de drainage routier qui seront utilisés pour les collecter en vue de la récupération/réutilisation du chlorure de sodium. Pour ce faire, nous proposons de développer un système de traitement électrolytique combinant l'électrocoagulation (EC), l'électrodialyse (ED) et l'électrochloration (ECh). Une telle approche, utilisant l'EC, assure une clarification préalable des eaux avant la désalinisation par l'ED, suivie d'un traitement par l'ECh du flux concentré en sels pour une production sur site de chlore actif et une désinfection des piscines et au nettoyage à domicile. La première partie du travail a porté sur la clarification des ERR en utilisant l'EC et l'évaluation de son impact sur l'encrassement des membranes pendant l'ED. L'objectif principal était de minimiser le colmatage des membranes tout en traitant les ERR. La méthodologie du plan de surface de réponse (plan factoriel suivi d’un plan central composite) a été utilisée pour le prétraitement par EC des ERR. Cette approche est utilisée pour modéliser le processus d’EC en termes d’efficacité d’enlèvement de la turbidité et de la matière en suspension (MES). Les paramètres étudiés sont l’intensité du courant, le type de matériau d’anode et le temps d’électrolyse. La première étape a consisté à construire un plan factoriel afin de caractériser les effets associés aux différents paramètres inhérents à l’électrocoagulation ainsi que leurs éventuelles interactions pour la clarification des ERR. Un ensemble de 26 expériences (3 facteurs à deux niveaux) a été réalisé. Les concentrations initiales de MES et de turbidité étaient de 24,2 ± 0,3 mg/L et 13,3 ± 1,0 NTU. Les valeurs des réponses enregistrées (concentrations résiduelles de MES et de turbidité) pour ce plan factoriel varient de manière dispersé entre 1,2 ± 0,2 et 23,9 ± 0,8 mg/L pour les MES, et varient entre 0,5 ± 0,2 et 12,8 ± 0,8 NTU pour la turbidité. Ces réponses indiquent la pertinence des différents domaines d’intervalle choisis pour chaque facteur. Il est important de souligner ici, que dans l’optique d’assurer un traitement subséquemment de dessalement efficace des ERR, il est souvent recommandé des concentrations résiduelles (MES et de turbidité) inférieures à 5 mg/L de MES et 5 NTU de turbidité. La meilleure réponse pour le traitement de clarification des ERR (MES = 1,2 ± 0,2 mg/L et Turbidité = 0,5 ± 0,2 NTU) a été obtenue en imposant une intensité de 2,2 A, un temps d’électrolyse de 2 min et en utilisant Al comme matériau d’anode. Il est à noter que le temps d’électrolyse a une influence positive sur les réponses (concentrations résiduelles de MES et de turbidité), alors que l’intensité du courant influence négativement les réponses. Le temps d’électrolyse est le facteur prédominant de ce procédé EC suivi de l’intensité du courant et du type de matériau d’anode (pour les facteurs principaux). Le temps d’électrolyse contribue à influencer pour 77.70% la concentration résiduelle en MES et contribué à influencer à 82.47% la concentration résiduelle de la turbidité. Un plan central composite a été subséquemment utilisé pour l’optimisation du processus d’EC pour le traitement des ERR. Le critère choisi pour l'optimisation est de minimiser la concentration en MES et la turbidité résiduelle. La solution optimale proposée par le logiciel satisfaisant au mieux les différents critères imposés consiste à employer l’électrode de Al comme matériau d’anode avec une intensité du courant de 1,83 A et un temps d’électrolyse de 3,8 min. Un taux d’abattement de 98% des matières en suspension et de la turbidité pour un coût d’opération de 0,37 kWh.m-3 a été proposé par le logiciel de plan d’expérience. Les ERR ont par la suite subi une désalinisation par ED. Un encrassement des membranes est observé suite à l’application du procédé d’ED. L'analyse par spectroscopie FTIR a indiqué la présence de liaisons C-O et d'hydroxyde à la surface de la membrane d'échange de cations, ainsi que la présence de C=O, C-H et d'hydroxyde à la surface de la membrane d'échange d'anions. Ces composés peuvent contribuer à l’accumulation de la matière organique. De plus, la présence d'ions de dureté tels que Mg et Ca peut entraîner la précipitation d'hydroxyde de calcium et d'hydroxyde de manganèse. La deuxième partie du travail a porté sur l'amélioration du processus de désalinisation des ERR par le processus d'ED. Les principaux objectifs étaient d'optimiser la séparation des sels de déglaçage routier tout en minimisant la consommation d'énergie. Pour ce faire, une stratégie expérimentale basée sur une étude quantitative des facteurs (matrice factorielle complète suivi d’un plan central composite, PCC) a été utilisée. Au total, 32 expériences ont été effectuées et les données collectées ont été traitées avec une ANOVA. En appliquant un plan factoriel 24, les meilleures performances de dessalement (taux de séparation en sels de 77%) ont été obtenues en imposant 100% de l’intensité limite de courant (0,85 A) pendant une période d’électrolyse de 40 min, avec un débit de recirculation fixé à 11 mL/s et une concentration initiale de 1000 mg/L en ion chlorure. Le débit de recirculation et le temps d’électrolyse étaient les paramètres principaux les plus influents lors du dessalement des ERR. Les contributions du débit de recirculation et du temps d’électrolyse (sur l’enlèvement des sels) étaient 40% et 23%, respectivement, alors que les contributions du pourcentage de l’intensité de courant limite et de la concentration initiale en sels étaient de 15 et 20%, respectivement. Un plan de surface de réponse (Plan Central Composite) a été subséquemment employé pour déterminer les conditions optimales de dessalement des ERR. Les critères choisis pour l’optimisation sont les suivants : la consommation d'énergie a été minimisée et le facteur de séparation dans le compartiment de dilution a été maximisé. La solution optimale proposée par le logiciel (basée sur les critères préétablis) consiste à imposer 85% de l'intensité de courant limite (0,72 A), un temps de traitement de 36 minutes et un débit de 11 mL/s. Dans ces conditions, un taux de séparation moyen de 83% et une consommation d'énergie de 7,7 kWh/m3 ont été atteints pour une concentration initiale en chlorure de 1000 mg/L. La troisième partie de cette thèse a étudié l'influence de divers facteurs, tels que l'intensité du courant, le temps d'électrolyse, le débit de recirculation et le matériau de la cathode (graphite et feutre de carbone) sur la production in situ de chlore et la formation de sous-produits (chlorate (ClO3-) et perchlorate (ClO4-)) pendant le processus d'ECh. Un flux de saumure dérivé de l'ED des ERR a été utilisé. Initialement, différents types d'anodes ont été évalués dans le processus ECh, révélant que Ti/IrO2 présentait une efficacité supérieure dans la production de chlore en raison de son potentiel et de son activité électrolytique plus élevés. Pour optimiser le processus ECh et obtenir une production de chlore maximale tout en minimisant la formation de sousproduits, une méthodologie de plan d’expérience (plan factoriel suivi d’un plan central composite) a été employée). Au total, 34 expériences ont été conçues et validées à l'aide d’une ANOVA. L’investigation a mis en évidence l'intensité du courant comme le facteur le plus influent sur la production de chlore, contribuant à environ 50%. La durée de l'électrolyse et le taux de recirculation ont contribué respectivement à 40,4% et 0,7% à la production de chlore. Le type de cathode est apparu comme un facteur significatif influençant la production de sous-produits, contribuant à 42,1%, le feutre de carbone présentant des concentrations de sous-produits inférieures au graphite. Les conditions opératoires optimales pour le traitement par ECh ont été déterminées avec une intensité du courant de 1,1 A, un temps d'électrolyse de 37 minutes, un taux de recirculation de 3,3 mL/s et l'utilisation d'une cathode en feutre de carbone. Dans ces conditions, une production moyenne de chlore de 153,2 ± 1,87 mg/L et une formation de sousproduits de 0,0185± 0,005 mg/L ont été obtenues.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Drogui, Patrick
Mots-clés libres:	Eau de ruissellement routier; sels de déglaçage ; électrocoagulation ; électrodialyse ; électrochloration ; conception expérimentale ; système hybride ; sous-produits ; intensité de courant limite ; encrassement des membranes.
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	04 févr. 2025 15:57
Dernière modification:	04 févr. 2025 15:57
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16290

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