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Qu’advient-il des nanoparticules quand elles deviennent déchets ?

L'incinération est la principale forme de traitement des nanomatériaux en fin de vie. Mais les procédés actuels sont-ils adaptés aux nanodéchets ?

Depuis une vingtaine d’années, l’industrie, tous secteurs d’activité confondus, produit une grande diversité de nanomatériaux. Leur déploiement est rapide et peu régulé. Il en résulte un vide règlementaire sur la gestion de ces nanomatériaux lorsqu’ils arrivent en fin de vie. Peu de connaissances existent sur les impacts environnementaux et sanitaires liés au devenir de ces nanodéchets. Pour cette raison, des chercheurs d’IMT Atlantique ont mené, au sein d’un consortium de recherche, deux projets successifs sur l’incinération des nanodéchets : NanoFlueGas et Nano-Wet. Les résultats confirment la persistance de certaines nanoparticules en sortie de four d’incinération, à travers les effluents et les cendres. En avril dernier, le consortium de recherche composé d’IMT Atlantique, de l’INERIS et de l’industriel Trédi – Groupe Séché Environnement, remettait à l’ADEME ses préconisations techniques. Retour sur la mise en place de ce programme pionnier avec la chercheuse Aurélie Joubert, rédactrice principale du rapport Nano-Wet et chercheuse à IMT Atlantique.

 

Quelle a été la raison d’être des projets NanoFlueGas et Nano-Wet ?

Aurélie Joubert : Il n’existe aujourd’hui aucune réglementation sur la gestion des déchets de nanoparticules, en particulier pour la fin de vie. Si les nanoparticules contenues dans les déchets sont reconnues comme dangereuses pour l’environnement ou la santé, ces déchets sont considérés et traités dans la filière des déchets dangereux. Sinon ils suivent une filière d’incinération d’ordures ménagères classique. Notre objectif était de comprendre ce qu’il advenait des nanoparticules au cours de ces traitements, pour savoir si les filières sont adaptées aux nanodéchets et éventuellement comprendre comment les optimiser.

Lors du projet NanoFlueGas, nous avons examiné l’incinération de nanodéchets à des températures de 850°C, comme elle est pratiquée dans la filière de gestion des ordures ménagères. Un four d’incinération « de laboratoire » a été développé à l’INERIS à cet effet. On y a reproduit notamment les conditions de température, de turbulence de l’air et de taux d’oxygène. Nous avons pu confirmer que durant le traitement, des nanoparticules étaient émises à des concentrations variables en fonction de la nature du nanodéchet étudié. Nous avons également observé une efficacité de capture supérieure à 99 % des nanoparticules émises grâce à un dispositif mis au point à IMT Atlantique. Il s’agit d’un pilote de filtre à manche par rétro-soufflage.

Lors du second projet Nano-Wet, qui est clôturé depuis le 1er avril, nous nous sommes focalisés sur la filière d’incinération des déchets dangereux à 1100°C et sur un procédé de traitement des fumées par voie humide. Les résultats de l’étude sont entre les mains de l’ADEME, qui a subventionné le projet, et sont désormais publics.

Quels sont les nanodéchets sur lesquels vous avez travaillé, et d’où viennent-ils ?

AJ : Depuis 2013, il y a un registre national — baptisé R-nano — qui impose la déclaration des produits présents sur le territoire français à l’état nanoparticulaire. Nous avons travaillé sur de vrais gisements de déchets reçus par Trédi et faisant partie de ce registre. Pour le projet Nano-Wet, il y avait un déchet chloré, qui est un rebut de fabrication de revêtement PVC de sol dans le secteur du BTP. Nous avions également un déchet soufré provenant de billes hydratées de résines échangeuses d’ions pour le traitement de l’eau. Et enfin, un déchet organosilicé, sous la forme d’un polymère issu des mastics, que nous avions déjà étudié dans le projet précédent et jugé très émissif.

Pour les déchets choisis, nous sommes passés par une étape de caractérisation assez longue et fine. C’est un choix par rapport à d’autres projets de recherche où les laboratoires produisent leur propre produit et en connaissent donc parfaitement la composition. Nous voulions utiliser de vrais gisements de déchets dont nous ne connaissons pas la composition exacte, pour développer des outils méthodologiques d’analyse pertinents. Grâce à cela, un industriel comme Trédi pourrait désormais envisager d’identifier dans son laboratoire les potentielles nanocharges contenues dans les déchets, et peut être en avance sur la réglementation à ce niveau.

Quelles sont les conclusions du projet Nano-Wet ?

AJ : Sur la partie incinération, nous avons observé différents scénarios vis-à-vis de la présence de nanoparticules dans les fumées. Ils montrent bien que les comportements des nanodéchets lors de l’incinération sont différents selon leur composition. Avec le déchet polymère organosilicé, la nanostructuration de la silice initialement présente est conservée. Elle est même augmentée par la formation de nano-silice issue de la dégradation d’un polymère. À l’inverse avec le déchet PVC, la nanostructuration disparaît. Et avec le déchet de type résine, qui ne contient pas de nanocharge à la base, une nanostructuration apparaît du fait de réactions impliquant les impuretés initialement présentes.

Les résultats tendent également à démontrer que la voie « déchet dangereux » à 1100°C est à favoriser pour les nanodéchets. En effet, nous avons mis en évidence avec le déchet polymère organosilicé qu’une incinération à 1100°C plutôt qu’à 850°C réduisait l’émission de nanoparticules par un phénomène de frittage. Ce résultat intéressant serait à généraliser avec d’autres déchets. Concernant le système de traitement des fumées, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à un dispositif de traitement dédié aux polluants gazeux : une colonne de lavage. Nous avons montré que la colonne de lavage permet de réduire de 60% la quantité de nanoparticules émises en sortie d’incinération, cette colonne contribuant ainsi significativement à l’efficacité globale du système de traitement.

Pourquoi s’être penché sur le procédé de traitement des fumées par colonne de lavage ?

AJ : Les chercheurs comme les industriels considèrent les laveurs comme un procédé atypique pour les nanoparticules, puisqu’ils sont normalement utilisés pour traiter les gaz acides dans les fumées. Ce que nous avons démontré dans Nano-Wet, c’est qu’ils ont pourtant une efficacité significative sur les nanoparticules, avec un abattement de 60% de leur quantité. C’est une valeur assez inattendue, d’autant plus qu’elle est obtenue sans optimisation du procédé : nous avons étudié l’efficacité d’une colonne sans l’adapter au traitement des nanoparticules. Malgré cette bonne efficacité, il faut conserver la complémentarité de ces colonnes de lavage avec des procédés dédiés à la collecte de particules que sont les filtres à manches et les électrofiltres, ayant à eux seuls une efficacité de 99%. Nous sommes pionniers sur ce type d’étude que nous allons poursuivre. Nous voulons notamment évaluer l’influence des conditions opératoires pour améliorer l’efficacité des laveurs sur les nanoparticules, tout en conservant celle vis-à-vis des gaz acides.

Comment avez-vous fait pour étudier l’efficacité des colonnes de lavage ?

AJ : L’idée était de construire dans notre halle de recherche une colonne d’aspersion par pulvérisation de gouttelettes. Nous avons développé notre pilote pour travailler en conditions réalistes de température et d’humidité mais à échelle réduite. Nous avons conservé le même régime d’écoulement turbulent, le même rapport entre le débit de liquide qui est pulvérisé dans la colonne et le débit d’air, la même taille de gouttelettes pulvérisées… C’était tout l’intérêt d’avoir l’industriel avec nous dans le projet : Trédi nous a fourni les conditions de fonctionnement sous forme de cahier des charges en début de programme. Nous avons tout de même simplifié l’expérimentation : dans les lignes de traitement de fumées, les conditions sont très compliquées parce qu’il y a beaucoup de gaz acides. Nous avons pris le parti d’injecter de l’air enrichi en nanoparticules sans injection de gaz acide corrosif comme l’acide chlorhydrique ou le dioxyde de soufre.

Le passage du laboratoire au site industriel est-il facile ?

AJ : Nous essayons, quand c’est possible, de passer par une étape de mesure sur site pour comparer l’échelle laboratoire et l’échelle réelle. Dans le cadre du projet Nano-Wet, deux campagnes de mesure sur site industriel ont été réalisées par une équipe spécialisée de l’INERIS. Les conditions de prélèvement rencontrées étaient très complexes. Des résultats ont été obtenus en entrée de la colonne de lavage ce qui nous a permis de connaitre les conditions de concentration et de granulométrie des particules qu’on a pu ensuite reproduire au laboratoire.

Une fois les particules éliminées dans la colonne, elles se retrouvent dans les eaux de lavage. Quel est alors leur devenir ?

AJ : C’est une problématique sur laquelle il faudra se pencher. Nous n’avons pas pu caractériser les particules dans la phase liquide en sortie de colonne. Nous ne savons pas sous quelle forme elles sont, si elles restent des nanoparticules ou si elles s’agglomèrent, auquel cas elles vont pouvoir être facilement séparées dans la station de traitement des eaux. D’autres laboratoires de recherche se penchent sur ces questions.

Vous venez de rendre votre dernier rapport à l’ADEME, comment pourrait évoluer la législation ?

AJ : Les valeurs limites d’émission de particules pour les incinérateurs de déchets sont aujourd’hui exprimées en concentration totale massique, en microgramme par mètre cube d’air, ce qui n’est pas pertinent pour des nanoparticules qui ont une masse négligeable et pourtant une toxicité soupçonnée comme accrue. À l’avenir, je pense que les normes pourraient imposer une concentration limite en nombre de particules, ou alors en masse mais pour des tailles de particules données. Par exemple, pour la qualité de l’air intérieur des nouveaux outils ont été mis en place pour qualifier les concentrations massiques par taille de particules fines : PM 10, PM 2,5 ou PM 0,1.

Cet article a été rédigé par Alice Mounissamy, pour I’MTech.

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