Textile lumineux pour le traitement de l'eau par photocatalyse – AQUAPHOTEX*

L’objectif des travaux de modélisation est de designer un réacteur afin de maximiser le volume d’effluent traité par optimisation du temps de contact du polluant avec le textile photocatalytique.
Ces travaux comportent l’étude de l’écoulement en tangentiel et frontal du liquide au sein du système, ainsi que le développement d’un modèle de transport réactif afin de simuler la décontamination d’une solution aqueuse sur un élément de volume représentatif. Plusieurs phénomènes ont été modélisés dans cette étude :
• l’écoulement à proximité du textile,
• l’écoulement dans le média poreux,
• le transport par convection-diffusion du polluant dans le fluide et dans les milieux poreux,
• l’adsorption-désorption et la réaction photocatalytique de surface.
La première étape est de représenter l’écoulement de l’effluent en flux frontal et tangentiel au travers d’un élément de volume représentatif du textile.
La seconde étape est d’intégrer les constantes cinétiques calculées à partir des tests réalisés sur le réacteur primaire (réacteur cylindrique) par IRCELYON.
La dernière étape est de déterminer les performances du textile photocatalytique dans le réacteur plan dédié à celui-ci.

Dans un premier temps, un modèle hydrodynamique est construit en couplant un écoulement libre et un écoulement en milieu poreux sur un motif élémentaire représentatif du textile. Cette étude permet de distinguer 3 types de flux à l’intérieur de l’élément de volume représentatif du textile lumineux. Le fluide peut s’écouler librement dans l’espace inter-tissu et doit être forcé pour s’écouler dans le milieu poreux : entre les fibres optiques et dans le média fibreux. Il apparaît que dans le cas frontal, le flux dépend de la perméabilité du tissu, tandis qu’en tangentiel, c’est l’espace inter-tissu qui joue un rôle sur l’écoulement du fluide.
Dans un second temps, un modèle de transport de molécules par cet écoulement est couplé à une réaction de surface. L’équation de convection-diffusion dimensionnelle est utilisée pour calculer le transport de polluant.
Un pilote expérimental est conçu afin de recueillir des données expérimentales dans les cas d’écoulement frontal et tangentiel. La confrontation entre les mesures expérimentales et les simulations numériques permettront de déterminer le tenseur de perméabilité du tissu.
Des tests de performances du tissu dans le réacteur plan sont réalisés sur polluants modèles, l’acide formique et le phénol, et sur une solution de siloxanes simulant une eau industrielle réelle.

Les perspectives ouvertes par le projet en termes d’applications sont nombreuses, notamment dans les domaines du traitement d’effluents en sortie de procédé pour les industries chimiques, pharmaceutiques et agricoles. Cependant, afin de passer de l’échelle labo à l’échelle industrielle, il est nécessaire de développer un réacteur labo de taille intermédiaire afin de définir les performances du media pour des débits plus importants. Ainsi, le consortium d’AQUAPHOTEX a décidé de mener de nouvelles recherches dans le cadre d’un FUI pour faire le changement d’échelle. Un partenaire end-user sera intégré dans le nouveau projet.

LISBP : publication sur la modélisation du textile en fibres optiques
Degrave, R; Moreau J; Cockx A; Schmitz P; Multiscale analysis and modelling of fluid flow within a photocatalytic textile Chemical Engineering Science, 2015, 130, 264-274.

IRCELYON : publication sur l’étude du vieillissement du tissu sous photocatalyse
Indermühle C., Puzenat E., Simonet F., Peruchon L., Brochier C., Guillard C. Modelling of UV optical ageing of optical fibre fabric coated with TiO2 Applied Catalysis B: Environmental, Volume 182, March 2016, Pages 229-235.

Le projet AQUAPHOTEX propose de développer un textile lumineux photocatalytique dépolluant appliqué au traitement de l'eau. Ce Procédé d’Oxydation Avancé (POA) pourrait intervenir en complément d’autre traitement, soit en fin de chaîne, puisque la photocatalyse permet de dégrader toutes les molécules organiques, notamment les polluants cibles tels que les pesticides et autres composés réfractaires, soit en début de chaîne pour rendre les produits biodégradables.

L'innovation technologique porte sur la conception d'un textile lumineux photocatalytique dépolluant adapté au milieu aqueux en s’appuyant sur les travaux effectués au cours du projet PHOTEX (ANR 2007-2010) qui concernait la dépollution de l’air.

L’un des principaux verrous en photocatalyse est le rapport important entre volume à traiter et surface irradiée de photocatalyseur.

Le système photocatalytique proposé se démarque de façon significative des systèmes existants qui utilisent des médias photocatalytiques recevant l’irradiation d’une source ponctuelle extérieure projetée.

Dans ce projet, le textile « fibres optiques » à éclairage latéral connecté à des LEDs UV - UVtex® - mis au point par la société Brochier Technologies, est à la fois source d’irradiation UV et support du photocatalyseur, ce qui crée une surface de contact maximum entre ces deux éléments.

Les autres verrous scientifiques restent le choix et l’adaptation du textile lumineux photocatalytique au milieu aqueux et son agencement au sein d’un réacteur afin de maximiser la rencontre et le temps de contact polluant-UV-photocatalyseur.

Les travaux de recherche envisagés porteront donc sur :
(i) la conception et la réalisation de la structure textile lumineuse photocatalytique adaptée à un milieu aqueux,
(ii) l’étude de l'écoulement du liquide et du transport réactif des molécules cibles au sein du système à l’échelle microscopique (motif élémentaire) et à l’échelle macroscopique (panneau textile),
(iii) la caractérisation des performances photocatalytiques du matériau innovant sur deux polluants modèles (l’acide formique et l’imidaclopride, un pesticide).

L’ambition du projet est de proposer une solution innovante pour le traitement d’effluents aqueux par photocatalyse. La réussite finale du projet permettrait par exemple de proposer un démonstrateur compact et de terrain permettant des essais sur des eaux réelles chargées en produits phytosanitaires.