Un système électrochimique pour l’épuration des eaux usées

L’épuration des eaux usées se fait surtout par voie biologique, avec des microorganismes qui désintègrent les polluants. D’autres approches sont également déployées pour les plus récalcitrants, comme celles imaginées par Emmanuel Mousset, chargé de recherche CNRS, actuellement affilié au Laboratoire de génie des procédés - environnement - agroalimentaire (GEPEA). Ses travaux concernent principalement les systèmes physico-chimiques de traitement et de réutilisation des eaux usées, tout en valorisant les ressources présentes dans ces eaux. Il développe par exemple des systèmes électrochimiques complémentaires, où les réactions sont guidées par des électrodes et un courant électrique, qui peuvent être utilisés pour les eaux usées municipales afin d’y éliminer des polluants comme les PFAS, des composés pharmaceutiques ou encore des pesticides. Emmanuel Mousset a également travaillé sur des effluents industriels, là encore par électrochimie, tout en regardant comment les systèmes sont affectés par les changements d’échelle. Ces efforts ont conduit le chercheur à repenser l’architecture même des cellules électrochimiques, stagnant historiquement sur un modèle où des électrodes statiques baignent dans un électrolyte mis en mouvement de différentes façons. Dans son système, ce sont des microréacteurs qui jouent le rôle de pales d’agitateur.

"J’ai proposé un nouveau design de réacteur, couplé au principe d’électromélangeur réactif que j’ai initié, explique Emmanuel Mousset. Cela permet de s’attaquer à des polluants récalcitrants qui ne peuvent pas être détruits par voie biologique, tout en minimisant la consommation énergétique. En parallèle, une combinaison de procédés d’électro-oxydation et d’électroréduction a permis de valoriser le carbone inorganique présent dans ces eaux usées. Celui-ci se transforme en CO₂, mais on peut le réduire en acides organiques à forte valeur ajoutée, comme l’acide formique. Une première publication vient de sortir dans la revue Chemosphere, co-écrite notamment avec le docteur Saad Diris qui a soutenu sa thèse au mois de décembre 2025."

Dans ces travaux, l’équipe a joué sur la distance entre les électrodes et la membrane qui les sépare. Avec un écart allant de quelques centaines de micromètres à un centimètre, les conditions de transport de matière varient. A distances submillimétriques, les conditions microfluidiques augmentent la réactivité des polluants récalcitrants, ainsi que leur contact avec les électrodes. Cela permet également de travailler avec des solutions peu conductrices. En effet, les eaux usées municipales et certains effluents industriels ont sinon besoin de se voir ajouter du sel pour un tel traitement, ce qui serait rédhibitoire pour son développement. La distance entre les électrodes et la membrane est contrôlée par un matériau polymère, l’espaceur. Les systèmes sont installés en série afin de traiter de plus gros volumes. Les électrodes, de quelques centaines de centimètres carrés, sont composées d’étain ainsi que de diamants dopés au bore déposés sur du niobium.

"Nous avons développé une modélisation cinétique pour comprendre comment le carbone inorganique réagissait en fonction du temps, poursuit Emmanuel Mousset. Puis nous avons essayé de trouver une corrélation avec la formation de l’acide formique, en prenant en compte le transport de matière."

Ces travaux ont en tout cas montré que, en parallèle du traitement, il était possible de valoriser les bicarbonates présents dans les effluents. Cela permet de compenser une partie du surcoût que représente le traitement électrochimique et fonctionne sans avoir besoin d’ajouter de produits chimiques. Les systèmes restent assez compacts afin d’être facilement ajoutés aux stations d’épuration existantes, mais les chercheurs doivent encore les tester à plus grande échelle que celle du laboratoire. Le nouveau docteur Saad Diris était également parti en mobilité au Massachusetts Institute of Technology (MIT, États-Unis), dans l’équipe du professeur Alan Hatton, pour vérifier s’il n’était pas possible d’améliorer la capture du CO₂ sur les électrodes, avant son électroréduction. "C’est une approche novatrice pour les eaux usées, insiste Emmanuel Mousset. L’électroréduction se fait d’habitude pour le CO₂ de l’air, nous le faisons avec une source plus originale."

L’équipe du chercheur finit à peine ces travaux et continue d’en tirer des résultats. Elle améliore notamment encore un peu la modélisation du phénomène pour mieux prédire son efficacité. Reste notamment à voir si l’électroréduction du CO₂ a également lieu avec divers types d’eaux usées contenant du carbone inorganique.

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Electrolyseur pour électroréduction du CO₂ 
© Emmanuel Mousset, GEPEA (CNRS/Nantes Université/Oniris Nantes)