Le Centre suisse d'électronique et de microtechnique de Neuchâtel a développé, sur la base des travaux de recherche issus de l'EPFL, une nouvelle méthode pour purifier l'eau sanitaire et traiter les eaux usées sans adjuvant de produits chimiques.

Pierre-Henri Badel, adi-presse

Cela fait plusieurs années que des chercheurs du monde entier effectuent des études sur la faculté du diamant à purifier l’eau. Christophe Comninellis, professeur à l’Institut des sciences des procédés chimiques et biologiques de l’EPFL, est l’un d’eux. Au sein de son unité de génie électrochimique, son équipe se consacre depuis un certain temps au traitement des déchets et des eaux usées. «La méthode électrochimique évite d’utiliser des produits chimiques pour le traitement de l’eau» souligne-t-il à l’appui de ses travaux.

Le principal obstacle que rencontraient ces chercheurs résidait dans la réalisation de substrats de taille suffisante pour permettre de traiter des volumes d’eau importants. Un critère absolument déterminant pour passer à une phase d’industrialisation du procédé dans des domaines d’application spécifiques tels que la filtration de l’eau.

Des voies prometteuses

C’est un peu par hasard que ses travaux ont pris un virage décisif. Il se trouvait à Washington et y rencontra Werner Haenni, ingénieur au Centre suisse d’électronique et de microtechnique (CSEM) de Neuchâtel, qui participait à un congrès sur l’électrochimie et le diamant. Un secteur bien connu des spécialistes du CSEM, spécialiste des substrats pour les composants électroniques. C’était en 1991.

Plus de dix ans après cette première rencontre, le fruit de leur collaboration commence à prendre forme. Les résultats des tests réalisés tant à Lausanne qu’à Neuchâtel permettent d’étayer les travaux de recherche du professeur Christophe Comninellis et de son équipe dans le traitement de l’eau. Dans ce domaine, deux voies s’avèrent particulièrement prometteuses: la désinfection de l’eau sanitaire et le traitement des eaux usées. Dans ce dernier secteur, c’est la filtration des eaux fortement polluées, par exemple provenant de l’industrie, qui présente un intérêt indéniable. Jusqu’alors, la seule solution consistait à les incinérer. Un procédé extrêmement coûteux.

En oxydant les molécules des substances polluantes, on peut ainsi réinsérer les eaux moins polluées dans le circuit normal de traitement des effluents (stations d’épuration). Les premiers tests dans des piscines à ciel ouvert ont déjà démontré la faisabilité de la méthode. Des essais en grandeur réelle dans des stations de filtration et d’épuration des eaux sont attendus sous peu pour vérifier la parfaite fiabilité des résultats obtenus.

Diversification des substrats

Dans les applications spécifiques de la purification de l’eau, le procédé implique de doper le diamant d’électrons de bore. Mais il s’agit surtout de fixer des fines couches de diamant sur un support plus rigide pour renforcer l’électrode qui a sans cela tendance à se décomposer rapidement. Il était possible de réaliser jusqu’ici cette opération sur des substrats de silicium en utilisant une technique standard de déposition à chaud. En procédant à quelques adaptations, il est possible de créer une couche de diamant sur d’autres types de substrats, tels que le titane, le zirconium et le molybdène. Ainsi, la contre-électrode est montée sur un substrat de zirconium.

Ces revêtements en diamant ont démontré d’excellentes propriétés dans l’oxydation de composés organiques et inorganiques. Pour renforcer leur effet dans des applications pratiques, ils sont installés dans des boîtiers modulaires qui renferment un empilement de plusieurs disques filtrants au travers desquels l’eau est désinfectée.

Un procédé réellement facile à mettre en oeuvre

La fabrication du diamant est sommes toutes relativement simple et n’exige que du méthane et de l’hydrogène comme matières premières, puis de chauffer ce mélange gazeux à 800 °C. Une fine couche de diamant est ensuite déposée sur un substrat de silicium. «Avec le diamant, on obtient une fenêtre de réaction beaucoup plus large que ce n’est le cas avec le platine utilisé jusqu’ici pour provoquer cette réaction» souligne Béatrice Marcelli, doctorante et chercheuse à l’Unité de génie électrochimique du professeur Christophe Comninellis.

Les recherches appliquées menées à l’EPFL portent sur le comportement de la réaction en fonction du courant, sur la durée de vie des électrodes et sur le comportement électrocathalitique du diamant. «Nous nous trouvons dans une phase où l’on sait réellement      que cette méthode marche très bien» souligne Lassine Onattara, stagiaire doctorant de Côte d’Ivoire qui collabore également à ce projet. Les travaux d’investigation portent aussi sur la décomposition de molécules habituellement difficiles à oxyder, telles que le phénol. Les résultats sont très encourageants.

Une autre équipe de chercheurs de l’Unité de génie électrochimique travaille sur un modèle mathématique permettant de prévoir le comportement du procédé et des électrodes en adaptant les différents paramètres, tels que la température et la tension entre les électrodes. Ce modèle a déjà fait ses preuves et permet de modéliser avec une bonne précision les réactions du système.

Le savoir-faire neuchâtelois à la rescousse

Jusqu’ici, la plus grande difficulté résidait dans la réalisation de filtres de grandes dimensions. Et c’est grâce à la collaboration du CSEM de Neuchâtel et de l’EPFL que ces travaux de recherche débouchèrent sur des premiers résultats encourageants. Le centre neuchâtelois c’est en effet taillé une réputation dans la maîtrise des techniques de production de substrats de silicium.

La première installation de fabrication permettant de réaliser des disques de plusieurs centaines de centimètres cubes est sur le point d’être opérationnelle. «Nous espérons que cette méthode arrive au stade industriel d’ici deux à trois ans» escompte Philippe Reichen, du CSEM. «Mais nous avons d’ores et déjà des contacts avec des industriels qui sont très intéressés par ce procédé». Ainsi, le savoir-faire neuchâtelois devient un précieux complément aux connaissances théoriques apportées par les chercheurs de l’EPFL.

Au-delà de la purification de l’eau sanitaire et des eaux usées, cette technique a aussi des applications potentielles dans la régénération des eaux de piscines. Toutes les industries utilisant d’importants volumes d’eau (papeteries, pressings, salons lavoir, fabriques de circuits imprimés, installations de lavage, etc.) pourraient aussi être intéressées par les économies que peut leur faire réaliser ce procédé qui permet d’utiliser de l’eau en circuit fermé.

Article paru initialement dans "Gestion et Services Publics" n° 2/2002