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EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electroco

EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 1 1 Etude comparative du traitement d’eaux blanches artificielles par coagulation et électrocoagulation avec anode d’aluminium André DARCHEN ENSCR - UMR CNRS 6226 « Sciences Chimiques de Rennes » Groupe MICDR EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 2 2 Contexte Limitation des épandages Diminution des boues Méthanisation: positive mais…. Effluent résiduel contenant du phosphore Faisabilité d’un projet électrochimique? Etudes effectuées sans aucun conflit d’intérêt EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 3 3 Quel choix de procédé ? Procédés possibles: Physiques Chimiques Biologiques Physicochimiques: c’est-à-dire lorsque des moyens physiques sont utilisés pour provoquer des modifications chimiques comme en électrochimie EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 4 4 Electrochimie Tous les ph Tous les phé énom nomè ènes concern nes concerné és par le passage du s par le passage du courant dans une solution, ce qui implique le passage courant dans une solution, ce qui implique le passage de ce courant de ce courant à à travers deux travers deux é électrodes ou interfaces lectrodes ou interfaces entre deux conducteurs de nature diff entre deux conducteurs de nature diffé érente: rente: Deux ph Deux phé énom nomè ènes simultan nes simultané és: s: - - Deux r Deux ré éactions aux actions aux é électrodes lectrodes - - Passage du courant dans la solution Passage du courant dans la solution - - Bilan Bilan é équivalent quivalent à à celui d celui d’ ’une r une ré éaction action chimique chimique EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 5 5 Procédés électrochimiques Applications non analytiques de l’électrochimie Réactins électrochimiques confondues Phénomène déterminant en solution - Dépôts chimiques « electroless » - Dissolution - Cémentation - Electrodialyses - Electroporation -Chauffage -Déshydratation - Condensateur à double couche électrochimique - Electromouillage Sans réaction électrochimique Phénomène déterminant aux électrodes - Co-génération courant et chaleur - Electrolyses - Piles - Corrosion Electrochromisme EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 6 6 Procédés électrochimiques Applications non analytiques de l’électrochimie Réactins électrochimiques confondues Phénomène déterminant en solution - Dépôts chimiques « electroless » - Dissolution - Cémentation - Electrodialyses - Electroporation -Chauffage -Déshydratation - Condensateur à double couche électrochimique - Electromouillage Sans réaction électrochimique Phénomène déterminant aux électrodes - Co-génération courant et chaleur - Electrolyses - Piles - Corrosion Electrochromisme Electrocoagulation EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 7 7 Origine et intérêt sur l’électrocoagulation 1904 – Brevet US de Pierre J. Boucher Nombre croissant de publications sur ScienceDirect avec « electrocoagulation » dans le titre: 2007 23 réf. 2008 41 2009 63 2010 26 EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 8 8 Electrocoagulation L’électrocoagulation n’est pas toujours une version électrolytique d’une coagulation. Quelques contraintes : Quelques contraintes : - - Conductivité initiale - Choix de l’anode soluble - Présence de chlorure ou nitrate (Al) ou pH acide (Fe) EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 9 9 Conditions expérimentales : lait Effluents artificiels préparés à partir de poudre de lait + eau potable Analyses effectuées: Teneurs en azote, phosphore DCO Turbidité Autres composés utilisés Acide phosphorique Lactose Caséine (mais peu soluble) EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 10 10 Coagulation Principaux coagulants: Al; Fe; Polymères Cadre de comparaison avec un procédé électrochimique, d’où un choix entre: Fer Aluminium EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 11 11 Electrocoagulation en laboratoire + - Agitateur magnétique Barreau aimanté Cathode Anode Générateur de courant continu Cellule d’électrocoagulation EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 12 12 Coagulation : effet attendu sur le pH ou la conductivité Coagulation en utilisant des sels de fer Coagulation en utilisant des sels de fer ou d ou d’ ’aluminium. aluminium. Exemple: Exemple: AlCl3 + 3 H2O AlCl3 + 3 H2O Æ Æ Al(OH)3 + 3 Al(OH)3 + 3 HCl HCl FeCl3 + 3 H2O FeCl3 + 3 H2O Æ Æ Fe(OH)3 + 3 Fe(OH)3 + 3 HCl HCl Cons Consé équences: quences: Diminution du pH ou nécessité d’ajouter une base et augmentation de la conductivité EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 13 13 Choix de l’anode Métal oxydé « soluble »: Ions polyvalents (coagulation) Ions polyvalents (coagulation) M Mé étal peu toxique tal peu toxique M Mé étal bon march tal bon marché é (si possible) (si possible) Candidats connus: Al > Candidats connus: Al > Fe Fe > > Ca Ca > >Cu Cu EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 14 14 Choix de l’anode soluble (1) solubilités du fer EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 15 15 Choix de l’anode soluble (2) Anode de fer: Anode de fer: Fe Fe Æ Æ Fe2+ + 2 e Fe2+ + 2 e Cathode (fer ou autre): Cathode (fer ou autre): 2 H 2 H2O + 2 e O + 2 e Æ Æ H H2 + 2 OH + 2 OH- - Bilan de l Bilan de l’é ’électrocoagulation lectrocoagulation Fe + 2 H Fe + 2 H2O O Æ Æ H H2 + Fe2+ + 2 OH + Fe2+ + 2 OH- - Cons Consé équences: quences: - - Augmentation du pH Augmentation du pH - - Il faut une oxydation ult Il faut une oxydation ulté érieure de Fe2+ pour rieure de Fe2+ pour obtenir une pr obtenir une pré écipitation de Fe(OH) cipitation de Fe(OH)3 EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 16 16 Choix de l’anode soluble (3) solubilités de l’aluminium EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 17 17 Choix de l’anode soluble (4) A l’anode: : A la cathode: En solution (bilan): Al →Al3+ + 3 e- 3 H2O + 3 e- →3/2 H2 + 3 OH- Al + H2O →3/2 H2 + Al3+ + 3 OH- →Al(OH)3 Effet attendu: pH et conductivité constante EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 18 18 Gestion d’une électrolyse: 2 Paramètres importants Courant : – De quelques 100 A à quelques kA, selon la surface des électrodes, – Caractéristique d’une vitesse (et de quantité) ) Potentiel : – La tension aux bornes de l’électrolyseur. – Caractéristique globale du coût (P = VI) EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 19 19 Différences coagulation/électrocoagulation (1) Surface d’injection du coagulant Electrocoagulation Coagulation Point d’injection du coagulant Transport grâce au courant EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 20 20 Différences coagulation/électrocoagulation (2) Capacité d’injection du coagulant Coagulation au sel d’aluminium Hypothèse solution à 1 M soit 27 mg Al/mL 1 kg Al2(SO4)3,18H2O soit 40.5 g Al Electrocoagulation: Hypothèse 1 kA = 93 mg Al/s 1 kg Aluminium = 1000 g Al EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 21 21 Electrocoagulation sans lait (un blanc !) Variation pH et turbidité (milieu NaCl) 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 p H T u rb id ité T e m p s (m in ) pH 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 Turbidité (NTU) EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 22 22 Expériences d’électrocoagulation EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 23 23 Structures de l’alumine EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 24 24 Effluents laitiers - Coagulation Effluent (g de lait/L) Coagulant (g/L) I (A) ; t(min) pH χ (mS/cm) 0 0 ; 0 6,90 1,1 0,95 0,10 ; 30 5,10 1,6 1,9 0,20 ; 30 3,80 2,0 10 3,80 0,40 ; 30 3,60 2,4 0 0 ; 0 6,80 1,6 0,95 0,10 ; 30 5,90 2,1 1,9 0,20 ; 30 4,60 2,5 20 3,80 0,40 ; 30 3,60 3,0 EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 25 25 Effluents laitiers – Electrocoagulation (1) Com position de l’effluent pH initial Conductivité initiale (m S/cm ) Q Electricité (Coulom b) pH final Conductivité finale (m S/cm ) 2,5g/L 7,05 0,6 180 9,10 0,6 5g/L 6,95 0,8 360 9,05 0,8 10g/L 6,90 1,1 780 8,85 1,1 20g/L 6,88 1,6 2520 8,90 1,6 EME EME - - 5/03/2010 5/03/2010 Electrocoagulation effluents laitiers Electrocoagulation effluents laitiers 26 26 Effluents laitiers – Electrocoagulation (2) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 temps (min) ta uploads/Litterature/ andre-darchen.pdf