Épurer les eaux usées grâce à l’électricité et à la lumière
La plupart des filières européennes de traitement des eaux usées sont déjà très performantes. Toutefois, les contaminants émergents suscitent des inquiétudes croissantes, car les traitements biologiques classiques peinent à les éliminer. Parmi ces contaminants figurent les substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS), les résidus de médicaments et les gènes de résistance aux antimicrobiens. Le vanadate de bismuth (BiVO₄) est un matériau prometteur pour éliminer ces polluants de l’eau. Sous l’effet combiné de la lumière et de l’électricité, le BiVO₄ dégrade les polluants par un processus appelé oxydation photoélectrochimique (PEC). «Le vanadate de bismuth est particulièrement intéressant pour traiter l’eau à l’énergie solaire, car il absorbe la lumière visible», explique Sanjeeb Mohapatra, boursier du programme Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) à l’université de technologie de Delft(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) (TU Delft). Lorsque la lumière atteint le BiVO₄, elle génère dans le matériau des électrons chargés négativement et des «trous» chargés positivement. Ces trous doivent atteindre l’interface entre l’électrode et l’eau pour réagir avec les polluants. Or, un grand nombre d’entre eux se recombinent avec des électrons avant d’avoir pu agir. «Le principal défi consiste à mieux exploiter l’énergie solaire absorbée par le BiVO₄, en améliorant la séparation des charges, leur transport et les réactions de surface», ajoute Sanjeeb Mohapatra. Dans le cadre du projet SOLUTION, financé par l’UE, Sanjeeb Mohapatra a cherché à résoudre ce problème en développant un revêtement pour la surface du BiVO₄ qui améliore la circulation des charges dans la photoanode, constituée du matériau photosensible et de son revêtement. «J’ai choisi de modifier la photoanode afin de mieux séparer et transférer les charges générées par la lumière, tout en améliorant les réactions qui se produisent à sa surface», explique-t-il.
Un nouveau matériau de photoanode pour améliorer le traitement des eaux usées
Sanjeeb Mohapatra et ses collègues ont développé et optimisé la photoanode en combinant la synthèse des matériaux, leur caractérisation électrochimique et des essais de performance. «Nous avons étudié systématiquement l’influence de la composition et de la structure du matériau sur le transfert des charges et sur l’élimination des polluants, notamment des résidus de médicaments. Ces résultats nous ont permis d’optimiser l’électrode», précise Sanjeeb Mohapatra. Les chercheurs ont également quitté le laboratoire pour tester la technologie sur de véritables eaux usées, notamment des effluents d’eaux usées domestiques. «C’était important, car les eaux usées réelles contiennent de nombreux composés organiques et inorganiques différents, susceptibles de réagir avec les espèces réactives produites par la photoanode et de leur faire concurrence», explique Sanjeeb Mohapatra.
De meilleurs résultats pour éliminer les résidus de médicaments
Le résultat le plus important a été de démontrer l’amélioration des performances du système PEC, en abordant les limites fondamentales de la photoanode elle-même. «Nous avons pu établir un lien entre les propriétés du matériau et l’élimination des résidus de médicaments», confie Sanjeeb Mohapatra. «C’est important sur le plan scientifique, car nous comprenons beaucoup mieux pourquoi le matériau est plus performant et comment l’optimiser davantage.» Sanjeeb Mohapatra souligne également l’importance des essais en conditions réelles, bien plus complexes que celles d’un laboratoire. «Démontrer l’efficacité de la technologie dans des conditions réalistes nous rapproche de son utilisation pratique», ajoute-t-il.
Améliorer le traitement des eaux usées dans l’UE
Cette technologie a surtout vocation de compléter les traitements conventionnels des eaux usées, plutôt que les remplacer immédiatement. Nos travaux contribuent à cet objectif à long terme en développant des matériaux de photoanode plus performants, susceptibles de réduire les besoins énergétiques et les coûts d’exploitation des procédés de traitement utilisant l’énergie solaire. «Le projet a démontré que le traitement photoélectrochimique à l’énergie solaire pourrait compléter les technologies existantes pour éliminer les résidus de médicaments des eaux usées», explique Sanjeeb Mohapatra.
