Sections
- Le processus de réduction catalytique sélective (RCS)
- La RCS appliquée au traitement des eaux usées
- Description du processus RCS appliqué au traitement des effluents
- Conclusions
Le processus de réduction catalytique sélective (RCS)
L’émission d’oxydes d’azote est très dangereuse pour la santé, car elle affecte les appareils respiratoires des personnes et des animaux, pouvant provoquer des maladies respiratoires et cardiovasculaires en raison de leur caractère acide. De plus, une fois émis, ils peuvent donner naissance à d’autres polluants secondaires. Les réactions produites dans l’atmosphère par ces composés sont très complexes, impliquant des radicaux tels que OH et O₃.
Les oxydes d’azote (NOx) sont présents dans les gaz d’échappement des chaudières, moteurs diesel, centrales électriques et processus industriels, parmi lesquels on peut particulièrement citer :
- Industrie énergétique : Centrales thermiques et de cogénération.
- Moteurs diesel : Véhicules de charge, machines lourdes et navires.
- Cimenteries et métallurgie : Émissions dans les fours et chaudières.
- Chimie et pétrochimie : Formation de NOₓ dans les raffineries et processus de combustion.
Ces composés contribuent de manière importante à la pollution atmosphérique et sont responsables des effets nocifs suivants :
- La destruction de l’O₃ dans l’atmosphère
- La contribution à l’effet de serre
- La production de pluie acide
- Pollution due au trafic (Smog)
La réduction catalytique sélective (SCR) est un procédé utilisé pour convertir les oxydes d’azote (également appelés NOx) en diazote (N₂) et en eau. Cela est réalisé à l’aide d’un agent réducteur, habituellement de l’ammoniac (NH₃), (NH₄OH), ou de l’urée (CO(NH₂)₂), qui est ajouté au flux de fumées ou gaz d’échappement pollués et réagit avec un catalyseur. En cas d’utilisation d’urée, on obtient du diazote (N₂) et du dioxyde de carbone (CO₂).
Un système SCR se compose essentiellement de :
- Agent réducteur : L’ammoniac, sous forme NH₄OH, ou l’urée sont vaporisés, puis dilués avec de l’air pour être injectés directement dans le flux de gaz à traiter, via un distributeur.
- Réacteur catalytique : C’est la chambre où se produit la réaction des NOₓ avec le catalyseur. Le catalyseur est composé de sels de titane (TiO₂), tungstène (WO₃), ou vanadium (V₂O₅). On peut également utiliser des zéolithes imprégnées de cuivre ou de fer.
Principe de fonctionnement
La réduction catalytique sélective utilise un agent réducteur, généralement de l’ammoniac (NH₃) ou une solution d’urée (NH₂CONH₂), qui réagit avec les oxydes d’azote en présence d’un catalyseur. La réaction chimique principale est :
4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O
La réaction suivante peut également se produire :
6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O
Le procédé est très efficace, permettant de réduire jusqu’à 90 % des NOₓ présents dans les effluents gazeux.
La RCS appliquée au traitement des eaux usées
La réduction catalytique sélective (SCR) est largement utilisée dans le traitement des émissions d’oxydes d’azote et, bien que moins courante, il existe également une technologie basée sur la catalyse sélective dans le traitement des eaux usées, employée pour la dégradation des composés azotés et organiques réfractaires.
Dans le cas des eaux usées contenant de fortes concentrations de NOx, le processus de réduction catalytique sélective (RCS) est conçu pour réduire ces composés par injection d’ammoniac (NH₃), en présence d’un excès d’oxygène (O₂) et d’un catalyseur approprié. En conséquence, les NOx sont transformés en composés inoffensifs tels que le diazote (N₂) et la vapeur d’eau (H₂O).
L’élimination des NO₃⁻ et NO₂⁻ (Dénitrification) est nécessaire dans les eaux usées industrielles et municipales contenant un excès de nitrates et nitrites pouvant provoquer l’eutrophisation lors du rejet. Pour cela, on utilise la réduction catalytique hétérogène, dans laquelle un catalyseur (généralement à base de métaux tels que platine, palladium ou cuivre) facilite la réduction des nitrates en diazote moléculaire (N₂), évitant la formation d’ammoniac (NH₃), qui est un autre polluant à éviter dans le rejet.
- Réaction chimique principale : NO₃⁻ + 2H₂ → N₂ + 2H₂O
Des sources d’hydrogène (H₂) ou des agents réducteurs comme l’acide formique ou l’acide acétique peuvent également être utilisés.
Avantages
- Haute efficacité dans l’élimination des nitrates et nitrites.
- Ne génère pas de résidus secondaires dangereux.
- Processus rapide et stable comparé aux traitements biologiques.
- Peut être appliqué en combinaison avec d’autres traitements, tels que filtration et adsorption.
Inconvénients
- Nécessite des catalyseurs spécifiques, qui peuvent être coûteux.
- Dépendance à des conditions contrôlées de pH et de température.
- Coût d’un agent réducteur (H₂, acides ou peroxydes).
- Possibilité de désactivation du catalyseur avec le temps due à des encrassements ou contaminations.
Élimination des composés organiques persistants (COP) et des contaminants émergents
Certains effluents contiennent des composés difficiles à dégrader par des procédés biologiques conventionnels, tels que ceux provenant de l’industrie pharmaceutique, pesticides, phénols et colorants. L’oxydation catalytique sélective (similaire au procédé SCR) utilise des catalyseurs métalliques et du peroxyde d’hydrogène (H₂O₂) ou de l’ozone (O₃) pour les décomposer.
Description du processus RCS appliqué au traitement des effluents
Un processus de traitement des effluents par réduction catalytique sélective comprend les étapes suivantes :
Prétraitement de l’effluent
Consistant en :
- Une séparation préalable des solides par tamisage ou filtration.
- Un ajustement du pH (6,5 – 8,5) avec un alcalin ou un acide.
- Un contrôle de la température (10 – 50 ºC) par échangeur thermique, si nécessaire.
Injection de l’agent réducteur
On utilise :
- Hydrogène (H₂) pour les catalyseurs métalliques tels que platine ou palladium.
- Acide formique (HCOOH) ou acide acétique (CH₃COOH), employés avec des catalyseurs de cuivre ou argent.
- Glucides ou éthanol, utilisés dans les procédés avec biocatalyseurs.
Réacteur catalytique
Dans le réacteur catalytique, les nitrates (NO₃⁻) et nitrites (NO₂⁻) réagissent avec l’agent réducteur en présence d’un catalyseur, dont la fonction est d’accélérer la conversion des composés azotés en diazote moléculaire (N₂), qui est libéré dans l’atmosphère.
Matériaux courants du catalyseur :
- Métaux nobles : Platine (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh).
- Métaux de transition : Cuivre (Cu), fer (Fe), nickel (Ni), argent (Ag).
- Supports céramiques : Oxyde de titane (TiO₂), alumine (Al₂O₃), zéolithes.
Réactions principales :
NO₃⁻ + 2H₂ → N₂ + 2H₂O
NO₂⁻ + H₂ → N₂ + H₂O
Séparation des produits et filtration finale
Après le traitement catalytique, des produits colloïdaux ou précipités peuvent se former, qui peuvent être éliminés par les procédés suivants :
- Filtres à sable ou charbon actif
- Centrifugeuses ou décanteurs
Traitement des effluents contenant NOx et SO₂
Les eaux usées contenant des nitrates (NO₃) et du dioxyde de soufre (SO₂) peuvent être traitées par réduction catalytique sélective. Cette technologie offre d’excellents résultats lorsqu’il s’agit de réduire les concentrations de NO₃ et SO₂, deux polluants courants dans les eaux usées du secteur agricole et de divers secteurs industriels.
La ligne de traitement est similaire à celle décrite pour le traitement des NOx, mais il faut prendre en compte la présence de SO₂, dont peuvent dériver des composés tels que H₂SO₄ et (NH₄)₂SO₄. Ces composés peuvent poser des problèmes aux installations en raison de leur forte corrosivité, ainsi qu’au procédé catalytique, car ils peuvent obstruer le lit de matériau catalytique.
Réduction du dioxyde de soufre (SO₂) en sulfure (S) :
Lors du processus de réduction du SO₂, le dioxyde de soufre est transformé en soufre élémentaire ou en d’autres composés sulfurés moins dangereux.
- Le procédé typique de réduction catalytique convertit le SO₂ en soufre élémentaire.
- Le catalyseur facilite la réduction, et un métal de base comme le nickel ou le cuivre peut être utilisé.
- La température et la concentration des réactifs doivent être contrôlées pour éviter la formation de composés indésirables, comme l’acide sulfurique (H₂SO₄).
Avantages
- Haute efficacité. Il s’agit d’un procédé efficace avec un rendement épuratoire >90 %.
- Réactions sélectives et contrôlées. Il est possible de réduire les concentrations de NO₃ et SO₂ sans affecter significativement d’autres composés présents dans l’eau résiduaire.
- Récupération de produits précieux : Le soufre obtenu peut être récupéré et utilisé dans d’autres processus industriels.
Inconvénients
* Coûts d’exploitation : Les coûts d’exploitation et de maintenance peuvent être élevés en raison de l’utilisation de catalyseurs spécifiques et de réactifs.
* Remplacement du catalyseur : Avec le temps, les catalyseurs perdent leur efficacité, nécessitant une régénération ou un remplacement.
* Contrôle du procédé : Un contrôle strict de la température, du pH et de la concentration des réactifs est nécessaire pour obtenir l’efficacité attendue de la RCS.
Conclusion
La présence de NOx dans les émissions gazeuses et les rejets doit être traitée pour éliminer le risque qu’ils représentent pour la santé et respecter les limites légales.
Une grande partie des émissions de NOx dans l’atmosphère provient des processus industriels et de la production d’énergie.
La réduction catalytique sélective (SCR) est une méthode efficace pour diminuer les oxydes d’azote (NOx) dans les émissions industrielles, grâce à l’utilisation d’un catalyseur et d’un agent réducteur tel que l’urée ou le NH₃. Avec ce traitement, les NOx sont transformés en diazote et vapeur d’eau, minimisant leur impact environnemental.
Bien que cette technologie soit plus connue pour le traitement des émissions gazeuses, elle est également largement utilisée pour la réduction des NOx et des composés organiques récalcitrants présents dans les eaux usées. Ce système intègre un ensemble de technologies avancées comprenant des réacteurs catalytiques, des systèmes de dosage, des équipements de mélange et de filtration, ainsi que des capteurs de surveillance. Leur intégration correcte permet une élimination efficace des polluants azotés et organiques.
Dans le cas de la réduction des nitrates (NO₃⁻) et nitrites (NO₂⁻), la RCS convertit les composés azotés en diazote moléculaire (N₂), évitant leur accumulation dans l’eau et prévenant des problèmes environnementaux tels que l’eutrophisation.
En présence de SO₂, il faut veiller à la conception du procédé pour empêcher l’encrassement et la détérioration de l’installation par la possible formation de H₂SO₄ ou (NH₄)₂SO₄. Les catalyseurs appropriés doivent être installés et un contrôle rigoureux des conditions d’exploitation doit être assuré.
Bibliographie et références
Réduction catalytique sélective (RCS) | Condorchem Enviro Solutions
Réduction Catalytique Sélective _ AcademiaLab
NOx | Réduction Catalytique Sélective (SCR) | Traitement des émissions NOx | Condorchem Enviro Solutions