Développement d'un charbon actif à base de liège pour le traitement de l’eau : Préparation, performances d’adsorption et mécanismes

CONTEXTE D'ETUDE DU PROJET DE RECHERCHE

Les micropolluants chimiques, sont présents dans divers milieux aquatiques comme les lacs, les rivières, les océans, ainsi que dans les effluents d’eaux usées urbaines ou industrielles. Ces micropolluants proviennent de sources domestiques, hospitalières, industrielles et agricoles. Les micropolluants présentent des caractéristiques propres telles que leur nature minérale ou organique, leurs origines : métaux, produits phytosanitaires, résidus pharmaceutiques, leurs spécificités physico-chimiques : taille des molécules, solubilité, production de métabolites… Leur élimination représente un nouveau défi mondial compte tenu de l’impact désastreux de ces contaminants pour les espèces aquatiques et les êtres humains et la nécessité de réutiliser de plus en plus d’eaux pour lutter contre les pénuries. Des techniques de traitement existent mais tous les micropolluants ne sont pas tous piégés de manière optimisée. Les résidus pharmaceutiques (ibuprofène, carbamazépine, diclofénac), les PFAS (composés perfluoro-alkylés et polyfluoro-alkylés), les pesticides (atrazine, chlorothalonil…)  par exemple sont des composés difficiles à éliminer.

L’adsorption est un procédé de traitement de l’eau qui a déjà démontré son efficacité pour certaines molécules. Concernant le traitement par adsorption, à ce jour, ce sont les charbons actifs qui sont les plus utilisés et notamment ceux fabriqués à partir des coques de noix de coco car ils sont les plus performants sur les pesticides et résidus médicamenteux.

En Asie-Pacifique, les coquilles de noix de coco deviennent une matière première de plus en plus importante pour les producteurs de charbon actif. Les catastrophes naturelles ont un impact significatif sur la chaîne de valeur de l'industrie du charbon actif, notamment en termes de matières premières. En conséquence, les prix des matières premières ont augmenté, en particulier pour le charbon de coquille de noix de coco. Le coût du charbon actif à base de charbon a également augmenté en raison de la demande énergétique croissante, notamment en Chine, où la demande de charbon pour les industries telles que l'énergie, le ciment et les aciéries continue de croître. En raison de la dégradation de la qualité de l’air et des eaux couplée à des réglementations de plus en plus strictes la demande de charbon actif a explosé [van Vliet et al. (2023), OMM 2023]. Un aspect majeur du secteur est la pression croissante sur les fabricants de charbon actif en raison des coûts élevés de production. En conséquence, les fabricants de charbon actif concentrent leurs efforts sur le charbon régénéré (20 à 30 % moins cher que le charbon actif vierge). Ce sont des charbons traités à haute température après saturation. Ce traitement se passe en dehors du territoire français, avec des coûts de traitement et de transport qui pénalisent le traitement global et qui impactent le prix de l’eau payé par les usagers.

Une autre alternative est le développement de charbon actif à partir de ressources locales et renouvelables pour favoriser les filières courtes.

Pour être pleinement efficace, le charbon actif produit à partir de biomasse (Biochar) doit présenter des paramètres similaires ou supérieurs à ceux des matériaux commerciaux. Dans la production de biochar, une concentration élevée en lignine est souhaitable, car la lignine est plus riche en carbone que la cellulose ou l'hémicellulose.

Parmi les ressources disponibles en Nouvelle Aquitaine, le liège est une ressource abondante avec un record de levée de 19 tonnes pour l’année 2012 [Liège Gascon]. Le liège fait partie de l'écorce externe extraite des chênes-lièges, composés principalement de subérine et de lignine. Le liège apparaît comme un candidat intéressant en raison de sa forte porosité et son caractère amphiphile. L’intérêt des études sur le liège réside dans le fait que la filière arboricole de Nouvelle Aquitaine pourrait bénéficier des débouchées dans le traitement des eaux comme elle a su le faire avec le pin. En plus de son utilisation pour la production de bouchons de vin, le liège est également utilisé pour ses propriétés thermiques et acoustiques exceptionnelles dans le domaine de l’isolation des bâtiments et de l’aérospatiale.

Plusieurs études se sont intéressées à la capacité du liège brut à adsorber les polluants et ont montré leur efficacité vis-à-vis des métaux lourds (10 à 20 mg/g) mais leurs performances restent limitées pour les polluants organiques. Des travaux préliminaires menés en 2023 à l’Université de Poitiers sur le salycylate de sodium et le bleu de méthylène ont montré qu’il était possible d’augmenter sensiblement leurs propriétés d’adsorption par une activation par pyrolyse. Dans cette étape de carbonisation, la température et la rampe de chauffe sont les facteurs les plus influents de la carbonisation avec le débit de gaz inerte et le temps de résidence.

Cependant, cette approche d'écoconception exige une connaissance approfondie des processus de préparation du charbon actif à base de liège de Nouvelle-Aquitaine pour évaluer son efficacité dans les procédés de traitement des eaux. Le présent projet vise donc à : (1) étudier en profondeur les mécanismes de production du charbon actif à base de liège, (2) évaluer l’efficacité d’adsorption du liège dans le contexte du traitement de l’eau et maitriser les paramètres clés de son activation, et (3) fournir des éléments opérationnels pour le développement de filières de traitement innovantes dans une démarche d’écoconception.

LIEU D'EXECUTION ET ORGANISATION DE LA THESE

Le thésard sera sous contrat de l’IFTS qui mobilisera un financement de l’ANRT via le dispositif CIFRE et un autre de la Région Nouvelle Aquitaine dans le cadre de son ressourcement scientifique. Dans le cadre de ses travaux, l’étudiant de thèse développera ses activités expérimentales et de développement au sein du service de l’IC2MP (UMR CNRS-7285) de l’Université de Poitiers, de l’I2M Bordeaux (UMR CNRS 5295 ou 8508) et du service CEOPS de l’IFTS. Il s’appuiera également sur les plateformes analytiques de l’IC2MP (Platina, Premimat) et les autres services de l’IFTS pour l’analyse physique et chimique (LMC : Laboratoire de Mesure et Caractérisation et LAE : Laboratoire d’Analyse des Eaux), ainsi que celles disponibles à l’Université de Bordeaux (Trefle, Placamat).

L’encadrement scientifique de la thèse sera assuré en co-direction par le laboratoire IC2MP (UMR7285) qui accueillera l'étudiant pour les activités relevant des tests d’adsorption à échelle laboratoire et la caractérisation des matériaux et l’I2M (UMR CNRS 5295 ou 8508) pour les activités liées à la pyrolyse du matériau.

Un comité de pilotage de la thèse sera constitué pour suivre l’avancée des travaux de thèse et apporter un regard extérieur au projet.  Il intègrera notamment Liège HPK, fabricant du matériau à base de liège, et possiblement l’Ecole de Chimie de Rennes (ICR).

DESCRIPTION DU PROJET

Le projet se décompose en 6 lots de tâches distincts

• Lot 1 – Coordination du projet – identification des filières
• Lot 2 – Production et caractérisation du Biochar à base de Liège
• Lot 3 – Test d’adsorption sur matrice simple et fluide réel
• Lot 4 – Etude de la mise en forme et transfert d’échelle
• Lot 5 : Empreinte eau et énergie
• Lot 6 – Dissémination

Le doctorat concentrera majoritairement ses activités sur le lot 2, 3 et 4 et sera impliqué dans les autres lots de ce projet suivant l’analyse RASCI donnée ci-dessous.

Lot 1 : Coordination du projet – Identification des filières

Les actions du programme de thèse viseront à organiser régulièrement des réunions de comité de pilotage des travaux de thèse ou plus spécifiques avec certains partenaires pour suivre et orienter les travaux en fonction des attentes et proposer des solutions, à rédiger les comptes-rendus et à planifier les travaux de recherche.

Elles viseront aussi à intégrer ces travaux dans une filière industrielle à développer sur le territoire néo-aquitain depuis la production des biomasses jusqu’à leur utilisation dans le domaine du traitement des eaux pour répondre aux problématiques régionales et territoriales, en passant par leur transformation (activation) et leur régénération à une échelle locale.

Plusieurs verrous restent à lever : conflits d’usages des matériaux, acceptabilité par les populations de voir s’implanter un pyrolyseur pour la production et la régénération des charbons.

Lot 2 : Production et caractérisation du Biochar à base de Liège

Les actions du programme de thèse viseront à identifier les différentes conditions clés de préparation du biochar à base de Liège. Elles consisteront, en particulier, à :

• Caractériser le milieu poreux (distribution taille pores, granulométrie, morphologie, surface spécifique, porosité, tomographie…) avant, pendant et après pyrolyse.
• Identifier les conditions d’activation du Liège par pyrolyse conduisant à une grande porosité et une fonctionnalisation de sa surface améliorant les capacités d’adsorption de micropolluants.  
• Comprendre l’impact de la nature du liège, de sa variabilité et de son prétraitement (lavage, séchage, broyage…).

Lot 3 : Test d’adsorption sur eaux synthétiques et réelles sur liège brut activé et régénéré

Les actions du programme de thèse viseront à élaborer les propriétés d’adsorption du liège sur plusieurs contaminants cibles (métaux lourds, molécules organiques : pesticides, résidus médicamenteux, métabolites…) dans des eaux synthétiques (pour mieux maîtriser les processus physiques) et réelles (pour mieux quantifier les effets d’interactions liées à la matrice). Elles viseront en particulier à :

• Sélectionner les contaminants cibles en liaison avec les problématiques territoriales
• Définir les protocoles analytiques (préparation des échantillons, chaine de mesure…)
• Etablir les isothermes de sorption
• Etudier les mécanismes d’adsorption et modèles de transfert des contaminants de la phase liquide à la phase solide
• Evaluer les paramètres clés du procédé (temps de contact, ratio solide/liquide, interférants…)
• Etudier les paramètres clés de la régénération du liège
• Etudier le maintien des propriétés adsorbantes après régénération
• Positionner le liège vis-à-vis du charbon actifs (essais comparatifs avec charbons actifs de référence…).

Lot 4 : Etude de la mise en forme et transfert d’échelle

Les actions du programme de thèse viseront à :

• Evaluer la mise en forme du matériau activé pour une utilisation industrielle (granulation, couche mince sur support….)
• Déterminer les capacités d’adsorption dans les conditions les plus proches des conditions industrielles (essais en colonne ou sur filtres imprégnés…).
• Evaluer les fréquences de régénération des matériaux en fonction des contaminants
• Déterminer les conditions de régénération du matériau dans sa mise en forme

Lot 5 : Empreinte eau et énergie

La définition des indicateurs qualitatifs et quantitatifs d’empreinte eau et énergie sur les procédés de séparation font l’objet d’un autre programme mené en parallèle mais la validation de ces indicateurs nécessite des cas d’études dont l’un serait l’adsorption afin de positionner la technologie d’adsorption sur liège par rapport aux autres filières de traitement par charbon actif.  

Les actions du programme de thèse viseront à :

• Identifier les paramètres clés pour une analyse ACV comparative entre les procédés classiques et le procédé d’adsorption sur liège proposé,
• Appliquer les modèles ACV aux cas étudiés,
• Calculer l’empreinte eau et énergie en appliquant la méthodologie développée dans un autre programme suivant les eaux à traiter et les données de l’ACV pour l’ensemble de la chaîne industrielle (rapport, et comparaison éventuelle avec les procédés existants concurrents)

Lot 6 : Communication durant le projet et de ses résultats

Les actions du programme de thèse viseront à disséminer les connaissances acquises pendant le projet auprès de la communauté scientifique et industrielle à l’occasion de congrès nationaux et internationaux ou par la publication d’articles techniques et scientifiques dans des revues spécialisées, par l’organisation d’un séminaire spécifique sur le traitement des micropolluants sur le Territoire de Nouvelle Aquitaine et à construire des fiches argumentaires pour une les filières locales.

L’IFTS est un Centre de Ressources Technologiques national labellisé CRT, est une des constituantes du Carnot Eau & Environnement et un Centre de Transfert Technologique régional de Nouvelle Aquitaine. L’IFTS exerce une grande partie de son activité dans le domaine de l’environnement et de l’eau en particulier. L’institut de la Filtration et des Techniques Séparatives (IFTS) est un centre d’études, d’essais et de recherches régi par la loi 1901 sur les associations à but non lucratif fondé en 1981. Son statut d’association lui permet d’être totalement indépendante vis-à-vis de ses clients et d’assurer une totale transparence et fiabilité sur les résultats fournis. L’IFTS est reconnu pour sa rigueur et son indépendance,  notamment grâce à son accréditation COFRAC ISO 17025 et à sa certification ISO 9001.Le siège social de l’IFTS se situe à Foulayronnes, près d’Agen dans le Sud-Ouest de la France. Etant une association, l’IFTS comporte plus de 60 adhérents qui sont des petites ou grandes entreprises ayant une activité importante dans la séparation liquide-solide.

Master ou école d’ingénieur en génie des procédés ou traitement de l’eau ou thermique ou matériau. Qualités recherchées : Rigueur, capacités d’adaptation, goût pour l’expérimentation et pour les modèles physiques, bon relationnel, curiosité scientifique, niveau B2 anglais.