Conception, synthèse et caractérisation de nouveaux absorbants (Liquides Ioniques) pour le biotraitement de COV hydrophobes – ILABio

Les principales étapes du projet sont :
• la conception, la synthèse et la caractérisation des liquides ioniques destinés à absorber les COV hydrophobes (par exemple les familles imidazolium, phosphonium, ammonium, ou pyrrolidinium) ;
• l'étude de l'absorption dans le liquide ionique choisi d'un seul COV hydrophobe, ainsi que de mélanges de COV;
• l'étude du transfert de masse du COV de la phase organique vers la phase aqueuse contenant les micro-organismes, suivie de la biodégradation du COV dans la phase aqueuse ou à l'interface liquide / liquide ;
• l'étude du couplage des étapes ci-dessus afin de proposer quelques lignes directives indispensables pour concevoir l'ensemble du procédé.

Le programme scientifique de ce projet peut être divisé en quatre étapes : (1) le choix, la synthèse et la caractérisation de la phase organique, (2) l'étude de la biodégradation du COV dans une émulsion eau / phase organique choisie, (3), la validation du premier réacteur du procédé intégré, le contacteur gaz - liquide, (4) l'optimisation du bioréacteur à deux phases liquides immiscibles (TPPB), qui permettra de proposer des solutions pour la conception du procédé.

Une étude bibliographique complète sur les propriétés des liquides ioniques a permis de sélectionner un certain nombre de structures à explorer. Une trentaine de LIs ont ainsi été synthétisés sans difficultés particulières, dans des quantités suffisantes pour l’étude (quelques dizaines de millilitres). Ces LIs ont été évalués selon plusieurs critères :
- cytotoxicité : une famille de LIs, les isoquinoliniums s’est révélée cytotoxique au µM sur 8 lignées cellulaires.
- toxicité envers les microorganismes du bioréacteur : aucune toxicité bactérienne n’a été mise en évidence, mais une augmentation du temps d’acclimatation des microorganismes en présence de certains LIs comportant des groupements fonctionnels de type éthers a été soulignée.
- relargage d’ions fluorures pouvant engendrer une toxicité envers les microorganismes aquatiques : aucun relargage significatif hormis dans le cas de LIs fonctionnalisés par des chaînes fluorées n’a été constaté.
- biodégradabilité : aucun LI n’est biodégradable après 28 jours de mise en contact avec les microorganismes contenus dans des boues activées.
- viscosité : les valeurs mesurées sont élevées, mais semblent acceptables dans le cadre du projet dans la mesure où l’élément « colonne d’absorption » est optimisé en termes de design (< 650 cP). Pour exemple, les garnissages utilisés dans la colonne peuvent être des pièces spécifiquement conçues pour des fluides visqueux. Il faudra néanmoins s’assurer que ces valeurs de viscosité n’altèrent pas trop fortement la diffusion des COV dans le liquide. Des mesures des coefficients de diffusion sont actuellement menées pour vérifier cela.
- coefficients de partage pour quantifier la capacité d’absorption du toluène : de meilleures performances ont été observées en comparaison avec certains systèmes existants (huile de silicone), et une très forte absorption du COV dans les LIs aromatiques a pu être mise en évidence.

A mi-parcours, quelques familles de LI semblent convenir au procédé. La viscosité reste un frein mais pas un verrou incontournable. Les coefficients de diffusion seront mesurés afin de quantifier l'influence de cette forte viscosité sur le transfert de masse justement.
Par ailleurs, une fois le ou les LI choisis, des essais seront conduits en semi-continu à petite échelle (et non à l'échelle pilote vues les quantités nécessaires pour passer à cette étape) de manière à vérifier la faisabilité du procédé.

1. QUIJANO G., COUVERT A., AMRANE A., DARRACQ G., COURIOL C., LE CLOIREC P., PAQUIN L., CARRIE D. 2013. Ionic Liquids as New Absorbents for the Removal of Hydrophobic Volatile Organic Compounds. Wat. Air Sol Pollut. 224: 1528-1536.

2. GUIHENEUF S., RODRIGUEZ CASTILLO A.S., PAQUIN L., BIARD P.-F., COUVERT A., AMRANE A. 2014. Potential of ionic liquids for hydrophobic organic pollutants absorption and biodegradation in multiphase systems. Pages 305-337. In «Production of biofuels and chemicals with ionic liquids«, Z. Fang R.L. Smith Jr., X. Qi ed. Springer.

3. GUIHENEUF S., PAQUIN L., BAZUREAU J.-P., RODRIGUEZ CASTILLO A.S., QUIJANO G., BIARD P.-F., AMRANE A., COUVERT A., 2013. Conception, synthesis and characterisation of new absorbents for hydrophobic VOCs biotreatment in two-liquid phase system. International Congress on Ionic Liquids (COIL-5), 21/04-25/04, Vilamoura (Portugal).

4. PAQUIN L. October 2013. Ionic liquids: a toolbox for organic synthesis, extraction and/or trapping VOCs. Groupes De Recherche Liquides Ioniques et Polymères. Lyon (F).

Brevet en cours : Utilisation d’un liquide ionique spécifique pour le traitement de Composés Organiques Volatils hydrophobes

Le projet de recherche proposé consiste en la conception et le développement de nouveaux absorbants (Liquides Ioniques) destinés à une application dans un procédé de traitement de COV (composés organiques volatils) hydrophobes. Ce projet traite donc de considérations environnementales et ses principaux enjeux scientifiques sont : (i) la conception, la synthèse et la caractérisation d'un liquide ionique (LI) présentant premièrement un fort potentiel d'absorption vis-à-vis des COV hydrophobes visés et deuxièmement une absence de biodégradabilité et de toxicité face aux bactéries présentes dans des boues activées en vue de sa régénération par voie biologique; (ii) l'application du LI dans un procédé hybride couplant l'absorption et la biodégradation. Alors qu'ils n'ont jamais été employés dans des applications environnementales (traitement d'air et plus particulièrement l'élimination de COV), les LI apparaissent particulièrement prometteurs en raison de leur forte capacité d'absorption de composés hydrophobes, de leur faible volatilité (pression de vapeur saturante proche de zéro), ainsi que de la possibilité de modifier leur structure, permettant ainsi de jouer sur leurs propriétés physico-chimiques, et conduisant à une large gamme de produits aux caractéristiques variées. Leur non-biodégradabilité plaide également en faveur de leur utilisation dans ce procédé de traitement combiné innovant censé être développé dans ce projet, un contacteur d'absorption et un bioréacteur à partition.