Fonctionnement

L’absorption gaz-liquide s’effectue dans un « laveur de gaz » appelé aussi scrubber ou contacteur qui à pour rôle de mettre en contact le gaz et le liquide. Il existe deux types d’absorption :

• l’absorption physique, simple, sans modification du composé à transférer ;

• l’absorption chimique où il a réaction chimique entre le polluant et le réactif présent dans la phase liquide. Cela permet de modifier, si nécessaire, les concentrations et ainsi d’augmenter le transfert du COV vers le liquide.

Paramètres optimaux

Pour réaliser l’absorption, les COV dans l’effluent à traiter doivent être solubles dans les liquides. Un prétraitement de l’effluent peut alors être nécessaire en cas de présence d’aérosols, de particules ou de poussières dans le gaz. Les débits traités sont compris entre 200 et 100 000 Nm³/h et les variations sont bien supportées par cette technique. La concentration va de quelques mg à 50 g/Nm³.

La quantité de matière transférable du gaz vers le liquide va dépendre à la fois de la solubilité et de la qualité du liquide de rinçage. Une bonne solubilité de l’effluent de COV est nécessaire et celle-ci augmente quand la température diminue. Il est donc conseillé de travailler à la température la plus basse possible.

Concernant le liquide de rinçage, sa qualité va dépendre de divers paramètres tels que son pouvoir de dissolution, son pouvoir mouillant, son pH, sa volatilité, sa stabilité chimique, son prix ou encore sa facilité à être recyclé. L’eau est le liquide de rinçage le plus fréquemment utilisé quand le composé à éliminer est miscible à l’eau, ce qui n’est pas le cas pour beaucoup de COV. Il faut alors utiliser des liquides absorbants organiques tels que l’huile.

Les liquides de lavage étant souvent coûteux, il existe un intérêt économique à les régénérer. Cette manipulation est facile à réaliser et consiste à déconcentrer le liquide de rinçage pour pouvoir le réutiliser en tête de colonne.

L’absorption peut se faire dans une colonne à garnissage pour des débits pas trop importants (risque d’engorgement), une colonne à plateaux ou une colonne à pulvérisation si les composés à traiter sont très solubles en phase liquide.

Fonctionnement

Le captage des COV par condensation repose sur l’équilibre liquide-vapeur d’un mélange air–COV ou azote–COV. Il se fait généralement en trois étapes :

• Refroidissement et élimination de l’eau ;
• Récupération des composés les moins volatils ;
• Récupération des composés les plus volatils.

La mise en contact du fluide réfrigérant et du gaz à traiter se fait soit par pulvérisation, soit dans un contacteur gaz-liquide à garnissage ou à plateaux lorsque combinée avec de l’absorption. Les COV sont condensés sous forme de gouttelettes ou de particules solides.

Les performances sont de l’ordre de 80 à 90% pour la condensation « classique » (froid mécanique) et jusqu’à 99% pour la condensation cryogénique.

Paramètres optimaux

Le traitement par condensation classique est adapté à des solvants à faibles tensions de vapeur. La cryogénique permet d’étendre le procédé à l’ensemble des COV. Concernant les débits, la condensation s’applique le plus souvent à des débits inférieurs à 2 000 Nm³/h. Enfin la concentration de l’effluent doit être supérieure à 10 g/Nm³.

Les paramètres importants pour la mise en œuvre vont être la pression de vapeur saturante du solvant ainsi que la température de travail se situant entre -20°C et -80°C.

Pour descendre à une température inférieure à -40°C (limites des groupes frigorifiques à compression mécanique), des fluides cryogéniques en azote liquide ou CO₂ sont utilisés.

Oxydation thermique et oxydation catalytique

L’oxydation thermique des COV a lieu dans des incinérateurs où la température est portée à environ 700°C – 900°C, nécessitant l’utilisation d’un brûleur avec un gaz d’appoint. L’utilisation d’un catalyseur, solide réactif qui diminue l’énergie d’activation, permet de mettre en œuvre l’oxydation des COV à des températures plus basses, aux alentours de 300°C. Cette seconde technique est appelée oxydation catalytique et permet de diminuer la quantité de gaz d’appoint consommée par le brûleur.

Paramètres opératoires clés

Les paramètres clés permettant une oxydation optimale sont les suivants :

Température

Elle doit être supérieure au point d’autoinflammation des COV en présence mais pas trop élevée, pour ne pas favoriser la production d’oxydes d’azote,

Temps de séjour

Celui-ci doit être suffisant pour qu’un maximum de polluants oxydables ait le temps de réagir,

Turbulence

Une forte turbulence assure une bonne homogénéité de la température,

Concentration en COV et autres polluants

Cette concentration est fixée par le procédé en amont de l’incinérateur mais il est important qu’elle soit le plus proche possible du seuil d’autothermie pour limiter la quantité de gaz d’appoint au brûleur,

Énergie d’activation

Cette variable dépendant du mélange à traiter représente l’énergie à fournir pour démarrer la réaction d’oxydation et peut être réduite par l’utilisation d’un catalyseur,

Teneur en oxygène

L’oxygène étant un réactif clé dans ce procédé, il est important d’avoir une teneur suffisante.

On appelle « règle des Trois T » la température, le temps de séjour et la turbulence, qui constituent les paramètres variables au fondement même des procédés de combustion.

Fonctionnement des incinérateurs

Pour l’oxydation thermique comme pour l’oxydation catalytique, l’incinérateur présente les éléments suivants :

• Une chambre de combustion avec ou sans lit catalytique, où a lieu de la réaction d’oxydation,
• Un brûleur alimenté par un gaz combustible permettant le maintient de la température d’oxydation,
• Un système d’échangeurs thermiques permettant l’utilisation de l’énergie produite par l’oxydation.

En effet, l’oxydation des COV est une réaction fortement exothermique produisant de la chaleur qu’il est essentiel de récupérer pour optimiser le procédé.

Deux modes de récupération d’énergie existent pour ces incinérateurs : le mode récupératif et le mode régénératif.

• Le procédé récupératif consiste à placer un ou plusieurs échangeur(s) en sortie d’échangeur primaire pour utiliser l’énergie sur le site industriel (production d’eau chaude, de vapeur ou d’autres utilités chaudes).
• Le procédé régénératif utilise un jeu de vannes afin de faire passer le flux gazeux sortant de l’incinérateur pauvre en COV en entrée d’incinérateur, de façon alternée avec le flux gazeux d’entrée concentré en COV.

Note : L’échangeur primaire est un dispositif indispensable aux incinérateurs. Celui-ci permet d’utiliser l’énergie produite par la combustion pour préchauffer l’effluent entrant..

Performances de l’oxydation

La destruction des COV par oxydation présente des performances d’abattement différentes en fonction de la combinaison de procédés utilisée : l’oxydation peut être thermique ou catalytique, et l’incinérateur peut être récupératif ou régénératif.

Fonctionnement

Le flux de gaz à traiter traverse une colonne remplie d’adsorbant. Il va y avoir formation d’un front d’adsorption progressant au fur et à mesure que le lit se sature. La phase d’adsorption s’arrête lorsque le matériau est saturé et que le polluant n’est plus retenu en quantité suffisante (l’adsorbant a atteint sa capacité maximale d’adsorption).

Il existe deux types d’adsorption :

• l’adsorption physique mettant en œuvre des énergies « attraction-répulsion » et donc des forces de Van der Waals telles que des liaisons hydrogènes ou entre noyaux aromatiques ;

• l’adsorption chimique mettant en œuvre une énergie d’interaction plus élevée produisant des liaisons covalentes entre les molécules de l’adsorbat et l’adsorbant. Dans la réalité, on a souvent à faire à une combinaison de ces deux types d’adsorption.

Paramètres optimaux de l’effluent

Le traitement par adsorption est généralement mieux adapté aux effluents gazeux à composition simple c’est-à-dire avec un nombre limité de COV afin de simplifier leur récupération. De plus, certaines familles de COV sont mieux adsorbées que d’autres rendant ainsi la prévision du temps de rupture (lorsque l’adsorbant arrive à saturation) parfois difficile. Enfin, l’effluent gazeux doit être exempt d’aérosols, de résines ou de substances polymérisables pouvant se déposer sur l’adsorbant et en réduire ses capacités.

Concernant le débit optimal, le procédé permet une large amplitude allant de 200 à 100 000 Nm³/h et supporte les variations importantes (pics) de débits. Pour la concentration de l’effluent à traiter en COV, la plage est de 1 à 50g/m³.

L’efficacité du procédé dépend de :

1. Des critères de qualité du matériau adsorbant

• Surface spécifique ;

• Volume et diamètre poreux ;

• Taille des grains ;

• Propriété chimique de surface ;

• Tenue mécanique et friabilité ;

2. Des caractéristiques du composé à traiter

• Concentration : plus elle est élevée, plus la capacité d’adsorption est grande ;

• Humidité : plus l’air est humide, moins la capacité d’adsorption est grande (max. 50 à 60%) ;

• Température : l’effluent doit se situer en deçà de 30 ou 40°C.

Matériaux de garnissage

Les deux matériaux les plus utilisés sont le charbon actif et la zéolithe.

Le charbon actif est du carbone microporeux obtenu à partir d’éléments naturels tels que la tourbe, le bois, le lignite, le charbon bitumineux, la noix de coco, etc. et activé dans des fours à très haute température. Celui-ci peut se présenter sous forme de poudre (8 à 80 µm de diamètre), de granulés (6 à 200 µm de diamètre), d’extrudés (0,8 à 5 mm de diamètre et 0,5 à 2 cm de longueur), ou encore de feutres, de tissus ou de fibres.

• Surface spécifique : 800 à 2 000 m²/g

• Volume poreux et rayon des pores

• Taille et dureté du grain

Point de vigilance : le charbon actif est un mauvais conducteur thermique pouvant alors entrainer des élévations locales de température dans certaines conditions (concentration en polluant trop élevée, présence de composés particuliers).

La base des zéolithes est un squelette cristallin alumino-silicaté tridimensionnel. Ses propriétés adsorbantes reposent sur une structure microporeuse importante, sur la taille des pores et leur composition chimique.

La performance de la zéolithe est inférieure à celle du charbon actif mais elle présente deux intérêts : elle est moins sensible aux températures élevées et possède des propriétés sélectives intéressantes.

• Surface spécifique : jusqu’à 900 m²/g

• Taille des pores : 3 à 13 angström

• Stable en température

Régénération

Après saturation de l’adsorbant par les COV, il est nécessaire de la régénérer. On distingue deux types de régénération : la désorption dite in situ permettant une réutilisation immédiate du filtre après désorption avec récupération possible du solvant et recyclage dans le procédé et la régénération à haute température chez le fournisseur de l’adsorbant, c’est la réactivation thermique par oxydation.

Parmi les procédés de désorption, on retrouve : la régénération thermique, chimique, biologique ou encore par dépressurisation. Certaines pouvant être couplées entres-elles.

On distingue deux types d’adsorption

• L’adsorption physique : elle met en œuvre des énergies d’attractions par un système de forces électrostatiques. Ces forces sont caractérisées par des liaisons hydrogène ou entre noyaux aromatiques. Le caractère réversible de ces forces donne la possibilité de faire une désorption simple.

• L’adsorption chimique : elle met en œuvre une énergie d’interaction plus élevée produisant des liaisons covalentes entre les molécules gazeuses et la surface du solide. La désorption est donc beaucoup plus complexe.

Les paramètres liés à la mise en œuvre du procédé dépendent des critères propres au matériau adsorbant et des critères propres à l’effluent.

Paramètres dont il faut tenir compte

Pour l’adsorbant

• La surface spécifique
• Le volume poreux
• La taille des grains
• La vitesse de passage de l’adsorbât

Pour le composé adsorbé

• La concentration
• L’humidité de l’effluent
• La température

Adsorption sur charbon actif

Le plus souvent en adsorption, les charbons actifs sont utilisés comme adsorbants, car ils ont une grande affinité avec les molécules organiques. L’avantage de cette technique est que les charbons sont de très bons produits car ils sont très poreux et possèdent donc une surface spécifique importante, et qui plus est sont bon marché. De plus, dans ce cas-là nous pouvons parler d’adsorption physique, donc la régénération des charbons est envisageable.

Qu’est-ce qu’un goût de bouchon dans le vin ?

Un goût de bouchon est un défaut du vin qui altère sa saveur. Le goût de bouchon est un terme générique qui peut désigner dans le langage courant plusieurs autres goûts non désirés et causés par différentes molécules. Amertume, asséchance, goût de moisi, goût de poussière, goût de liège, goûts de phénol, caoutchouc, etc. Tous ces défauts éloignent le vin du goût de fruit.

D’où proviennent les goûts de bouchon

Une pollution du vin peut survenir à toutes les étapes de la vini-viticulture. Les goûts de bouchon et de moisi-bouchon que nous traitons, viennent des COV (Composés Organiques Volatils). On peut citer les molécules telles que les triclhoroanysoles (TCA), tetrachloroanisoles (TeCA), les tribromoanysoles (TBA), entre autres.

Ces molécules sont issues notamment des bois traités présents dans les caves (poutres, palettes de transport). Elles peuvent également provenir des bouchons qui ont été en contact avec ces molécules.

Autre exemple de sources : les eaux de nettoyage qui peuvent être une source de pollution directe ou indirecte des vins notamment lorsqu’elles sont chlorées. Par ailleurs, les seuils de perceptions au niveau du goût sont extrêmement bas. Il suffit d’une concentration de quelques nanogrammes (milliardième de gramme) par litre dans un liquide pour que l’on perçoive ses défauts. Ainsi, une charpente traitée peut larguer des COV pendant de longues années à des concentrations très faibles mais suffisantes pour être ressenties dans le vin.

Est-ce que ces problèmes d’environnement concernent beaucoup de viticulteurs ?

Il est important de souligner qu’aucun vin n’est complètement pur ou contaminé. Un vin est plus ou moins affecté par ces molécules dont nous arrivons à piéger la quasi-totalité. Toutefois, on estime à environ 10 % la proportion de vin ayant un goût altéré par une ou des molécules non souhaitées. Bien que la qualité des vins et des conditions de production/stockage se soient améliorées au fil des années, le nombre de locaux qui pourraient être assainis reste élevé.

Quelles sont les solutions actuelles pour éviter ces «contaminations» du vin par l’air ambiant ?

Pour conserver un vin sain et proche du fruit, on peut envisager plusieurs approches. La première et la plus efficace serait de supprimer la source de pollution. Cela n’est pas toujours possible car les COV peuvent se nicher dans la moindre parcelle de matériaux adsorbants, voire dans toute la structure elle-même (charpente, murs…), surtout si elle est en bois. Dans un cas, la source peut être très difficilement identifiable voire multiple, dans l’autre cas, elle implique le changement de tout un bâtiment (chais, cave). Solution onéreuse.

Une autre approche consiste à « nettoyer » le vin avec l’utilisation de polymères poreux par exemple qu’il faut tremper dans le vin et piéger les TCA responsables des goûts de bouchon.

Enfin, la solution que nous proposons repose sur le traitement de l’air ambiant. Grâce à notre expérience dans le vin et nos travaux de recherche, nous avons développé un produit [WEB’AIR®] bon marché et très efficace. Il piège en effet la quasi-totalité des très faibles concentrations de Composés Organiques Volatils contenus dans l’air améliorant considérablement la qualité du produit. Nos retours d’expériences ont prouvé l’efficacité et la durabilité du procédé au fil des années de viticulture des dizaines d’utilisateurs actuels.

Comment fonctionne le procédé utilisé ?

Nos machines développées pour l’industrie du vin reposent sur un procédé relativement répendu et utilisé dans le piégeage de gaz : l’adsorption sur charbon actif. Les charbons actifs que nous avons largement étudiés (et dont ont découlé plusieurs brevets Web’Air®) possèdent un très grand rapport surface/poids (jusqu’à 2000 m² par gramme) ce qui lui confère une très grande porosité permettant ainsi l’adsorption des gaz en jeu, c’est-à-dire le transfert du produit en phase gazeuse sur un solide poreux.

Notre bonne connaissance des caractéristiques physico-chimiques des produits, couplée à une campagne de mesure et d’analyse par nos laboratoires partenaires nous permettent d’atteindre une qualité d’air incomparable pour produire un vin encore plus proche du raisin. Ce que nous recherchons, de consorts avec les professionnels de la viti-viniculture.

Comment concrètement arrive-t-on au résultat attendu ?

Lorsqu’un viticulteur ou exploitant nous appelle, nous essayons, dans un premier temps, de déceler une source évidente de COV si elle existe. Puis vient une phase où nous nous rendons sur site pour mener les premières observations, voire directement la campagne de mesure. Les échantillons d’air prélevés sont analysés en laboratoire spécialisé grâce à des appareils à la pointe de la technologie analytique.

Dès lors, nous savons quelles molécules et en quelles proportions sont présentes dans l’air et essayons d’en trouver la source d’émission. Celle-ci peut être simple, par exemple nous avons déjà vu des joints de néons ayant été traités aux bromes, responsables des asséchances, amertumes.

Dans le cas où la source est multiple, inconnue ou trop onéreuse à supprimer, nous proposons de mettre en place une ou plusieurs machines qui représentent des coûts d’investissement relativement faibles par rapport aux résultats obtenus.

Traitement de l’air

Notre société Web’Air, a réussi à développer une gamme de produits capable d’intervenir sur différents problèmes de pollution de l’air. Elle peut amener ses connaissances lorsque les effluents gazeux à traiter sont des COV mélangé à de l’air, lorsque nous sommes en présence de brouillard d’huile, mais aussi lorsque des particules solides sont en suspension dans l’air (aérosol solide).

Choix d’une technique de traitement de COV

Il existe différentes techniques de traitement des composés organiques volatils (COV). On peut distinguer les techniques de « récupération » regroupant la condensation, l’absorption, et l’adsorption d’une part ; et les techniques dites de « destruction » par oxydation d’autre part. Le choix de la technique de traitement des COV dépend de nombreux facteurs tels que :

• Le débit et flux d’air à traiter ;
• La concentration et les types de produits ;
• La compatibilité du produit avec la technique de traitement ;
• Le taux d’abattement visé etc.

Techniques de récupération des COV

Technique de destruction des COV par oxydation

Le terme « transformation » serait plus adapté que « destruction » employé dans le langage courant. L’oxydation est le processus de conversion des COV en CO₂, en eau et éventuellement en différents sous-produits d’oxydation (générés par des « hétéro-atomes ») qui peuvent s’avérer plus dangereux que le COV lui-même.

On distingue principalement trois grands types de procédés d’oxydation des COV : l’oxydation thermique, l’oxydation catalytique et l’oxydation biologique.

Les dangers

Le traitement de l’air constitue un enjeu sanitaire et environnemental majeur. Les COV sont majoritairement dangereux pour l’Homme et très nocifs pour l’environnement. Il est essentiel de les traiter à l’aide de techniques spécifiques ou de les réduire à la source quand cela est possible.

Quels impacts sur l’Homme ?

L’impact des COV sur l’Homme se fait de manière directe et sa gravité varie selon les produits concernés. Cela peut aller de la simple éruption cutanée (acétaldéhyde par exemple) jusqu’à la génération de cancers ou de mutations génétiques (comme par le benzène). Généralement, la pénétration des COV se fait par inhalation voire contact cutané, et parfois par ingestion.

De plus, comme dit précédemment, l’ozone a un effet direct sur l’Homme lorsqu’il se trouve dans la troposphère. Ces effets peuvent se manifester par de l’essoufflement, de la toux, une fatigue extrême, une irritation des yeux, notamment. 

Quels impacts sur l’environnement ?

L’impact des COV sur l’Environnement est direct et local. Comme tout polluant photochimique, ils contribuent à la dégradation forestière. Les COV sont également impliqués indirectement dans plusieurs phénomènes globaux :

• Pollution photochimique : elle est due aux générations de radicaux, causée par les COV, qui vont oxyder les monoxydes d’azote (NO) en dioxydes d’azote (NO₂), ce qui empêche alors la destruction de l’ozone (O₃ + NO = O₂ + NO₂), dans la troposphère (proche de la Terre). Une augmentation de l’ozone a des effets néfastes sur la santé (troubles respiratoires) ainsi que sur l’environnement (gaz à effet de serre).

• Destruction de la couche d’ozone stratosphérique : Cet ozone présent plus en altitude, permet de capter les rayons UV émis par le soleil et d’empêcher des mutations génétiques chez l’Homme. Or, les COV chlorés, produits généralement en grandes quantités, vont venir détruire cette couche, ainsi perturber l’équilibre naturel régissant sur la présence d’ozone dans l’atmosphère.

• Effet de serre : La température moyenne de la Terre résulte de l’équilibre entre le flux de rayonnement IR (Infra Rouge) envoyé par le soleil et celui absorbé ou réfléchi et renvoyé, par la croute terrestre, vers l’espace. Le CO₂, le CH₄, l’O₃, mais aussi les composés chlorés ou les autres COV, empêchent les IR de s’échapper vers l’espace. Cela engendre donc une hausse de la température sur notre planète.