Les processus d'oxydation avancés (abréviation POA), au sens large, sont un ensemble de procédures de traitement physico-chimiques et physico-biochimiques conçues pour détruire des matières organiques (et parfois inorganiques) en suspension ou en solution dans l'eau d'effluents domestiques, urbains ou industriels, par oxydation via des réactions avec des radicaux hydroxyles (HO)..
Dans le domaine de la chimie du traitement des eaux uséesDoré M. (1989), Chimie des oxydants et traitement des eaux, Tec. Doc. Lavoisier (éditeur), Paris, France, 505Martinez-Huitle C.A. et Ferro S. (2006), Electrochemical oxidation of organic pollutants for the wastewater treatment: direct and indirect processes, Chem. Soc. Rev., 35, 1324-1340., cette expression désigne plus spécifiquement un sous-ensemble de ces processus chimiques fondés sur l'ozone (O), le peroxyde d'hydrogène () et le dioxyde de carbone (CO2) ou bien la lumière UV. et plus rarement sur les ultrasons (sonochimie) ; dans tous ces cas, on parle aussi d’ « oxydation chimique ».
Les contaminants organiques ou semi-organiques sont convertis en composés inorganiques stables (eau et dioxyde de carbone principalement, et sels de métaux ou de métalloïdes). Il s’agit donc d’un processus accéléré de minéralisationBRILLAS E., J.C. CALPE et J. CASADO (1999), Mineralization of 2,4-D by advanced electrochemical oxidation processes, Water Res., 34, 2253-2262.. Le POA cherche à réduire la pollution organique et la toxicité de l’effluent au point qu’il puisse être potable ou réintroduit sans risque dans le milieu récepteur ou, au pire, dans un traitement conventionnel des eaux usées. Le POA, seul, ne peut éliminer les toxiques minéraux et métalliques qui nécessitent un traitement complémentaire. Il détruit des polluants qui résistent sans cela aux stations d’épuration comme les résidus de pesticides, d'antibiotiques et d'autres résidus de médicaments et de nombreux perturbateurs endocriniens.
Histoire Le linge était autrefois blanchi (draps, nappes…) en l’étendant au soleil (en l’exposant à ses UV) sur des prairies (où les végétaux produisent par photosynthèse de l’oxygène natif), mais la raison pour laquelle l'oxydation pouvait chimiquement blanchir et désinfecter le linge encore humide n'était pas comprise.
Des processus d'oxydation impliquant HO sont connus et utilisés depuis la fin du (comme dans le réactif de Fenton qui était toutefois alors utilisé comme réactif analytique).
Dans les années 1960, on comprend l'effet microbicide de systèmes chimiques générateurs du radical libre hydroxyleCOLOBERT L., B. MONTAGNON. et C. NOFRE (1962), Effet microbicide sur Escherichia coli de systèmes chimiques générateurs du radical libre hydroxyle. Mécanisme de l’activité bactéricide du peroxyde d’hydrogène et de l’acide ascorbique, Ann. Inst. Pasteur, 102, 278-291.. Certains aquariophiles, élevages de poissons et aquariums publics utilisent des lampes à rayons ultraviolets pour désinfecter leur eau (non sans produire quelques molécules secondaires parfois indésirables).
Le peroxyde d’hydrogène est testé dans la réaction de Fenton contre des polluants de type pesticides, mais il nécessite des intrants et n’est pas toujours efficace contre certains polluantsAguiar A (1992), Dégradation de quelques pesticides en milieux aqueux lors de l’oxydation du Fe(II) en Fe(III) par le peroxyde d’hydrogène, thèse de doctorat, université de Poitiers, France, 158AGUIAR A., F. CARBONNIÈRE, H. PAILLARD et B. LEGUBE (1993), Oxydation des pesticides et coagulation des substances humiques par le peroxyde d’hydrogène à faibles doses et le fer ferreux. Water Supply, 11, 129-138. La « réaction de Fenton assistée de manière électrochimique » permet de dégrader et de minéraliser des polluants organiques variés dont les chlorophénols, les produits phytosanitaires (insecticides, herbicides, fongicides) et les polluants industriels (nitrophénols ou benzène par exempleBRILLAS , 1995 ; GÖZMEN , 2003 ; OTURAN , 2001 dans la bibliographie ou les références.).
En 1987, Glaze suggèrent que l’on puisse générer dans l’eau HO , tout en définissant le terme pour la première fois en 1987.
Les POA se développent ensuite progressivement, surtout dans les pays riches en raison de coûts d’investissement et d’exploitation relativement élevés et d’une complexité plus importante que l’épuration par oxygénation.
Dans les années 1990, dans le cadre de recherche de solutions alternatives aux systèmes alors disponibles d'épuration de l'eauDuguet J.P. et Carpentier L. (1989), Technique de désinfection alternative, Lyonnaise des Eaux, Veille technologique, novembre, 19, on cherche à utiliser le radical libre hydroxyde, car il est très hautement réactif, et caractérisé par une demi-vie d'environ Maestre P. (1991), Radical hydroxyle et métaux redox : application à la toxicité des quinones, thèse de doctorat, université de Toulouse, France, 237Pulgarin C., Adler N., Peringer P. et Comminellis C. (1994), Electrochemical detoxification of a 1,4-benzoquinone solution in wastewater treatment, Water Res., 28, 887-893, . et un potentiel d’oxydoréduction extrêmement élevé ( par rapport à l’électrode normale à hydrogène) ce qui en fait, l’un des oxydants les plus puissants utilisables en traitement des eaux.
Alors que la démographie mondiale continue à fortement progresser, que les besoins en eau augmentent et que le dérèglement climatique perturbe la gestion de la ressource en eau, la réutilisation de l'eau intéresse de plus en plus de monde. Par ailleurs, les réglementations se font plus strictes concernant les contaminants. Ce contexte fait que les POA sont de plus en plus appréciés pour le traitement tertiaire de l’eau, face à un grand-public qui exige de plus en plus une eau indemne des contaminants dits récalcitrants (tels que pesticides et perturbateurs endocriniens que l'on peine à éliminer de l'eau potable).
Les années 1980/1990 voient apparaitre de nouvelles expressions comme « procédés avancés d’oxydation », « électrodépollution »GANDINI D., C. COMNINELLIS, N.B. TAHAR et A. SAVALL (1998), Électrodépollution : Traitement électrochimique des eaux résiduaires chargées en matières organiques toxiques, L'Act. Chim., 10, 68-73. ou « désinfection électrochimique »Garnerone A. (1979), Contribution à l’étude des mécanismes d’action des agents antiseptiques dans les eaux : Application à la désinfection électrochimique indirecte, thèse de doctorat, Institut national polytechnique de Grenoble, France, 165, « aération électrolytique »GOEL R.K., J.R.V. FLORA et J. FERRY (2003), Mechanisms for naphthalene removal during electrolytic aeration, Water Res., 37, 891-901. ou bien même « oxydation anodique »Pillaud J.L (1987), Application de l’oxydation anodique au traitement de certains effluents industriels, thèse de doctorat, université Montpellier-II, France, 202.
Des groupes commerciaux ont installé environ cinq cents grandes installations POA dans le monde, principalement en Europe et aux États-Unis, mais d'autres pays (Chine…) montrent un intérêt croissant pour les POA.
Processus Les processus d'oxydation avancés (POA) reposent sur la production "' (dans l’eau) de radicaux hydroxyle (radical libre noté HO). Dans la nature, HO se forme spontanément dans la vapeur d'eau atmosphérique sous l’effet des UV solaires ou de l'ozone ou d'oxyde nitreux, mais il est si réactif qu’il disparaît presque aussitôt après son apparition.
Les « dérivés réactifs de l’oxygène » (DRO) que l’on nomme aussi « espèces réactives de l’oxygène » (ERO) sont les oxydants les plus puissants connus pouvant être générés et utilisés directement dans l'eau : ils peuvent pratiquement dégrader par oxydation tout composé présent dans la matrice de l'eau, souvent à une vitesse de réaction contrôlée par diffusion.
Efficacité Correctement appliqué dans le domaine de l’épuration de l'eau, les POA peuvent réduire la teneur en contaminants de plusieurs centaines de ppm à moins de et donc réduire considérablement la DCO et le COT, ce qui leur a valu le titre de « processus de traitement de l'eau du ». et a suscité beaucoup d'espoirSUTY H., C. DE TRAVERSAY et M. COSTE (2003), Application of advanced oxidation processes: Present and future. Dans Proceedings of the Conference on Oxidation Technologies for Water and Wastewater Treatment, 18 au 22 mai, Goslar, Allemagne, 8..
Les radicaux libres hydroxyle oxydent un grand nombre de composés organiques presque instantanément (vitesse d’oxydation 109 fois plus élevée que l’ozone pourtant considéré comme l’un des oxydants les plus puissants dans la natureSuthy H., De Traversay C. et Coste M. (2003), « Application of advanced oxidation processes: Present and future », dans : « Proceedings of the Conference on Oxidation Technologies for Water and Wastewater Treatment », 18 au 22 mai, Goslar, Allemagne, 8.Parsons S. (2004), « Advanced oxidation processes for water and wastewater treatment ». IWA Publishing, Alliance House, Londres, Angleterre, 356). Ils réagissent y compris avec les doubles liaisons carbone-carbone et attaquent les noyaux aromatiques, composants majeurs de nombreux composés réfractaires toxiques, cancérigènes et/ou mutagènesGogate P.R. et A.B. Pandit (2004), A review of imperative technologies for wastewater treatment I: oxidation technologies at ambient conditions, Adv. Environ. Res., 8, 501-551..
Production de radicaux hydroxyle Ils sont fabriqués au moyen d'un ou de plusieurs oxydants primaires qui sont par exemple : l'ozone ; le peroxyde d’hydrogèneDROGUI P., S. ELMALEH, M. RUMEAU, C. BERNARD et A. RAMBAUD (2001), Oxidising and disinfecting by hydrogen peroxide produced in a two-electrode cell, Water Res., 35, 3235-3241. ; l’oxygène pur ; le chlore.. Ces super-oxydants peuvent être produits par : des sources intenses d'énergie (par exemple, la lumière ultraviolette) ; des catalyseurs (par exemple, du dioxyde de titane en poudre, irradié par une lumière UV avec certaines conditions de pHCHIOU C.H., C.Y. WU et R.-S. JUANG (2008), Photocatalytic degradation of phenol and m-nitrophenol using irradiated in aqueous solutions, Separ. Purif. Technol., 62, 559–564.) ;