Qualité de l’air : des nanoparticules issues de l’incinération des déchets

Les nanomatériaux sont déjà utilisés dans de nombreux produits. Or, leurs effets sur la santé et l’environnement ne sont pas bien connus. C’est pourquoi les chercheurs s’intéressent à une étape particulière du cycle de vie des nanos : la gestion des déchets en fin de vie, et notamment le cas de l’incinération. Le projet NanoFlueGas, auquel participent Laurence Le Coq et Aurélie Joubert, enseignants-chercheurs à Mines Nantes, a démontré que la nanostructure de certains déchets peut être transférée dans les fumées, mais aussi que les systèmes d’épuration de type filtre à manches peuvent être efficaces pour traiter ces émissions.

Les matériaux nanostructurés sont des matériaux composés de parties ou de motifs de surface nanométriques, qui leur confèrent des propriétés nouvelles. D’après l’inventaire de l’Institut Woodrow Wilson, 1 628 nanoproduits ou produits de consommation contenant des nanoparticules sont déjà sur le marché mondial, dont 440 en Europe et 32 en France. En fin de vie, ils ne font pas encore l’objet d’une règlementation particulière et sont incinérés avec les autres déchets. La combustion produit des résidus solides, les mâchefers, et des fumées. Or, les chercheurs soupçonnent ces fumées de contenir des nanoparticules, dont on ne connaît pas les effets sur la santé et l’environnement et pour lesquelles l’efficacité des filtres d’épuration n’était pas prouvée.

Lancé en 2011, le projet NanoFlueGas avait donc pour objectif de comprendre les mécanismes d’émission de nanocharges lors de la combustion et d’évaluer l’efficacité des systèmes de filtration traditionnels. L’équipe de Laurence Le Coq, chercheuse à Mines Nantes, a mis à disposition sa plateforme expérimentale SafeAir, sur laquelle ont été mis en place un pilote représentatif d’un système d’épuration des fumées. Un second pilote, localisé à l’INERIS (Institut National de l’Environnement Industriel et des Risques) a permis de reproduire les conditions d’incinération des déchets. L’étude a été menée en trois étapes :

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Sélection de trois déchets-types

Les chercheurs ont d’abord sélectionné trois échantillons contenant des nanomatériaux, et qui représentent un flux conséquent dans la chaîne de collecte et d’élimination des déchets (soit plus de 50 tonnes par an au sein du groupe Séché Environnement) :

poudre un déchet de type « Carbone », contenant des nanoparticules de noir de carbone ;
Liquide 50x50 un déchet « Peinture », composé de nanoparticules de silice ;
Solide pâteux 50x50 et un déchet « Polymère »avec lui aussi des nanoparticules de silice.*

*Les nanoparticules de noir de carbone représentent 20% de la production annuelle de nanoparticules et celles de silice 40%.

Un pilote expérimental de combustion

four tubulairePour incinérer les déchets en laboratoire, les chercheurs ont adapté un four tubulaire, afin de le rapprocher des fours à grille utilisés pour le traitement des déchets. Ils l’ont aussi équipé d’instruments pour étudier les fumées qui se dégagent de la combustion.

Pour les trois déchets-types, les chercheurs ont constaté la présence d’aérosols de nano-carbone et de nano-silice dans les émissions, prouvant que des nanoparticules sont bien transférées aux fumées lors de l’incinération. Dans le cas du déchet « Polymère », ces particules sont en partie issues de transformations survenues pendant la combustion, à partir de silicium non-nanostructuré, et non pas de nanoparticules de silice initialement contenues dans le déchet.

Une filtration plutôt efficace

Filtre à manchesUn deuxième pilote expérimental a été mis au point pour évaluer l’efficacité d’un dispositif de filtration couramment utilisé et pouvant arrêter des nanoparticules : le filtre à manches. Les fumées passent à travers un média fibreux qui piège les particules selon leur taille. Pour rendre le dispositif plus efficace, on y injecte couramment des « sorbants », des composés qui vont réagir avec les gaz contenus dans les fumées et également participer à la collecte des particules.

Au terme de l’étude, les chercheurs ont démontré que, pour un aérosol de type nano-carbone, ce dispositif retient plus de 96% des nanoparticules.

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Suite à ces résultats, les chercheurs veulent élargir leur étude à d’autres types de déchets, et évaluer d’autres dispositifs de filtration, mais aussi mettre au point des outils pour mesurer la présence de nanoparticules dans les déchets. De plus, ces travaux ouvrent la voie à d’autres études, sur la présence de nanoparticules dans les mâchefers et les résidus solides issus de l’épuration des fumées.

Le projet NanoFlueGas, cofinancé par l’ADEME, regroupe Mines Nantes, l’INERIS (coordinateur) et Trédi, filiale du groupe Séché Environnement. C’est l’un des premiers projets à s’intéresser à la sécurité des nanomatériaux en fin de vie, et plus particulièrement à la question de l’incinération des déchets nanostructurés. Il a été réalisé dans le cadre du programme CORTEA (Connaissance, réduction à la source et traitement des émissions dans l’air), qui vise à relier les études sur la qualité de l’air aux questions de santé-environnement, et que l’ADEME a lancé suite à la loi du 12 juillet 2010 relative à la mise en œuvre du Grenelle de l’environnement.

Lire le dossier de Mines Nantes sur le projet
Lire le résumé de l’étude « Projet NANOFlueGas : Caractérisation des émissions particulaires lors de l’incinération de déchets contenant des nanomatériaux »

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A regarder : NanoFlueGas sur la plateforme SafeAir

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