Technologie électro-microbienne pour le traitement des eaux usées couplé à la récupération d'hydrogène

par Emma Roubaud

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Régine Basséguy et de Benjamin Erable.


  • Résumé

    Une cellule d’électrolyse microbienne (CEM) alimentée en eau usée permet simultanément la production d’hydrogène à plus faible cout énergétique que l’électrolyse conventionnelle et la diminution de la charge polluante de l’eau. La thèse a eu pour objectif d’identifier les verrous freinant la montée en échelle de l’électrolyse microbienne adaptée au traitement de l’eau usée domestique et de proposer des solutions d’optimisation concernant les divers composants d’une CEM. L’installation d’une membrane échangeuse de cations entre les compartiments anodique et cathodique a notamment permis l’utilisation d’une solution de KHCO3 concentrée comme catholyte. Pour une densité de courant de 10 A/m², l’activité électro-catalytique des ions HCO3 a permis de diminuer la surtension cathodique de 380 mV par rapport à l’eau usée domestique. Un graphite industriel a été sélectionné comme le matériau le plus adapté à la formation de bioanodes de taille industrielle, notamment pour sa résistance mécanique permettant de l’usiner et de créer ainsi des bioanode 3D. Un traitement de surface électrochimique appliqué sur les électrodes en graphite a permis d’augmenter de 56% les densités de courant produites par les bioanodes formées à partir de ce graphite traité. Enfin, un prototype de CEM à l’échelle laboratoire a été conçu sur la base des résultats expérimentaux obtenus auparavant pendant la thèse et de travaux de modélisation numérique. Une production moyenne d’hydrogène de 3,8 L/La/j a été atteinte, soit 1,5 fois plus que la production la plus élevée rapportée dans la littérature concernant les CEM alimentées en eau usée domestique.

  • Titre traduit

    Sustainable wastewater treatment coupled to hydrogen production with microbial-electrochemical technology


  • Résumé

    A microbial electrolysis cell (MEC) supplied with wastewater simultaneously produces hydrogen with a lower energy cost than conventional electrolysis and reduces the wastewater polluting. This thesis aimed to identify the barriers hampering to the up-scaling of microbial electrolysis applied to domestic wastewater treatment and to propose optimization solutions for the various components of an MEC. The installation of a cation exchange membrane between the anode and cathode compartments made it possible to use a concentrated KHCO3 solution as the catholyte. For a current density of 10 A/m², the electro-catalytic activity of the HCO3 ions allowed reducing the cathode overpotential by 380 mV compared to domestic wastewater. A grade of industrial graphite has been selected as the most suitable material for the formation of industrial-scale bioanodes, especially for its mechanical resistance which is adapted to machining and thus creating 3D bioanodes. An electrochemical surface treatment applied to the graphite electrodes increased by 56% the current densities produced by the bioanodes formed from this treated graphite. Finally, a laboratory scale MEC prototype was designed on the basis of experimental results obtained previously during the thesis and numerical modelling work. An average hydrogen production of 3.8 L/La/j was achieved, which is 1.5 times higher than the highest production reported in the literature for MECs supplied with domestic wastewater.



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