Comment la PHOTOCATALYSE peut changer notre vie ?

Comment la
PHOTOCATALYSE
peut changer
notre vie ?
La photocatalyse, une technologie
au service de l’environnement
et du bien-être
SOMMAIRE Il est aujourd’hui admis que le secteur industriel de la
photocatalyse devrait enregistrer une forte croissance dans les années à venir.
En effet, les technologies issues de la photocatalyse, basée sur l’utilisation de
matériaux semiconducteurs, sont nombreuses : purification de l’air, épuration
de l’eau, surfaces autonettoyantes, énergie… Ces technologies prometteuses
sont méconnues du grand public. En matière de pollution environnementale, un
cadre normatif et réglementaire plus solide pourrait avoir un impact positif sur
les applications de la photocatalyse. Cet opus a pour objectif de faire connaître
les technologies de la photocatalyse et de montrer ce qu’elles apportent déjà et
apporteront au plan du bien-être, de la santé et de l’environnement.
Origines
La photocatalyse est
née de la découverte,
dans les années
1960, des propriétés
photocatalytiques
du dioxyde de titane
(TiO2). Elle a la capacité
d’éliminer les polluants
en rompant les liaisons
chimiques. Elle utilise
certaines parties
de l’énergie de la
lumière, en particulier
le rayonnement
ultraviolet, et fonctionne
à température et
humidité ambiantes.
Les photocatalyseurs
dopés et/ou modifiés
peuvent aussi utiliser
la lumière visible. Très
vite, les scientifiques
ont compris le potentiel
de la photocatalyse
dans divers domaines :
dégradation des
matières organiques,
dépollution et
purification de l’air
intérieur et extérieur,
traitements des odeurs,
de l’eau, surfaces
et matériaux
autonettoyants, et
certains secteurs de
l’énergie. Depuis la fin du
siècle dernier, nombre
d’applications ont été
développées. Certaines,
tels les matériaux
autonettoyants et
dépolluants – vitrage,
béton, céramique,
peinture, enduit –
sont très abouties et
commercialisées depuis
une quinzaine d’années.
À l’instar d’autres
applications plus
récentes (épurateurs
d’air, traitement de
l’eau...), elles agissent
sur un environnement
de plus en plus pollué
sans le dégrader, et
contribuent à améliorer
la qualité de vie.
La photocatalyse,
une technologie propre
En bref, la photocatalyse est un phénomène au cours duquel une substance
appelée « photocatalyseur » accélère une réaction chimique sous l’action de
la lumière naturelle (solaire) ou artificielle (lampe ultraviolets généralement).
Elle s’apparente au processus chimique de la photosynthèse : le photocatalyseur
– en général du dioxyde de titane (TiO2) – utilise l’énergie lumineuse, l’eau et
l’oxygène de l’air, engendrant ainsi la formation de radicaux très réactifs. Ces
derniers sont capables de décomposer certaines substances organiques et
inorganiques présentes dans l’atmosphère ou dans l’eau, parfois nocives, et de les
transformer en composés oxydés (dioxyde de carbone et eau, par exemple). Lors
de cette réaction chimique, le photocatalyseur n’est ni consommé ni altéré, ce qui
permet au processus de continuer dans le temps.
Les produits issus de la réaction photocatalytique – dioxyde de carbone
(CO2) et eau (H2O) – sont inoffensifs, contrairement à ceux de processus
dépolluants courants comme la filtration ou la floculation. En outre, de
nombreuses études portant sur la désinfection de l’air par photocatalyse ont
montré que le dioxyde de titane, couplé au rayonnement ultraviolet, pouvait être
utilisé pour éliminer des micro-organismes.
Présent dans nombre de produits d’usage courant, le dioxyde de titane est le
catalyseur le plus utilisé.
La réglementation européenne considère que le dioxyde de titane ne présente
pas de danger pour les personnes qui en assurent la production ni pour les
utilisateurs : il n’est pas classé parmi les déchets toxiques (selon le CED, Catalogue
européen des déchets) et son transport n’est soumis à aucune mesure de sécurité
particulière. Les études réalisées par des organismes indépendants auprès de
travailleurs exposés à des quantités élevées de TiO2, aux États-Unis et en Europe,
n’ont démontré aucun rapport de cause à effet entre une exposition professionnelle
au TiO2 et un risque accru de cancer. Principe de précaution oblige, le CIRC (Centre
international de recherches sur le cancer) a néanmoins classé le TiO2 parmi les
agents sous surveillance dans la liste 2B – « peut-être cancérogène pour l’homme ».
Cela dit, si le dioxyde de titane s’avérait effectivement cancérogène, il faudrait en
inhaler des quantités très importantes pour, peut-être, développer une pathologie.
Or, pour éviter une telle inhalation par les travailleurs et les usagers, les industriels
ont recours soit à des solutions liquides, soit à des solutions agglomérées pour
concevoir leurs produits.
Des matériaux autonettoyants
et dépolluants
Avec les matériaux autonettoyants à effet photocatalytique, les façades et
couvertures des bâtiments restent propres sans autre intervention que l’effet
conjugué des rayons du soleil et de l’eau de pluie.
C’est à ce jour la technologie la plus aboutie – technologie dont les
industriels du verre ont été les pionniers avec les vitrages autonettoyants,
désormais d’usage courant.
Les cimentiers ont ensuite proposé des bétons formulés avec des ciments
intégrant du TiO2. L’église du Jubilé à Rome (architecte Richard Meier) fut
le premier bâtiment érigé avec ces matériaux (en 1999, chantier terminé en
2001). Depuis, nombre de fabricants de bardages, d’enduits, de membranes
d’étanchéité ou de peinture se sont intéressés à cette technologie et proposent
dans leur catalogue des systèmes autonettoyants à effet photocatalytique. La
façade aux nuances vertes et bleues en céramique autonettoyante du Finchley
Memorial Hospital, à Londres (Murphy Philipps Architects), ou le pavillon italien
de l’Exposition universelle 2015 à Milan, construit en béton photocatalytique
qui utilise le dioxyde de titane pour décomposer certains polluants comme les
oxydes d’azote, sont autant d’applications récentes de la photocatalyse dans le
secteur du bâtiment.
DOUBLE ACTION
Tous ces matériaux agissent selon le même principe et en deux étapes :
dégradation et lavage. Dans un premier temps, le TiO2, déposé en surface ou dans
la matrice des matériaux, dégrade les salissures (dégradation organique) par le
double effet de la lumière naturelle et de l’humidité ambiante. Dans un second
temps, l’eau de pluie évacue par rinçage les saletés détachées : on parle d’effet de
« voile lavant ».
QUELS AVANTAGES ?
La photocatalyse procure divers avantages : pérennité de l’esthétique des
bâtiments, limitation de la maintenance et de son coût, bénéfice pour
l’environnement (économie d’eau, usage limité des produits d’entretien). Pour
les vitrages, par exemple, les tests révèlent que la fréquence des nettoyages est
divisée par trois. Résultat : le coût global du nettoyage pour des immeubles de
bureaux peut chuter de moitié, voire plus si la façade est très bien exposée.
Pavillon Italie de l’expo Milan 2015, Michele Molè et Susanna Tradati, studio Nemesi & Partners
© Mario e Pietro Carrieri by Italcementi, ©Ciment Calci
Retour d’expérience
La Cité des arts et
de la musique de
Chambéry (73), conçue
par l’architecte Yann
Keromes, a ouvert
ses portes en 2003.
C’est l’un des premiers
bâtiments français à
avoir été construit avec
un béton autonettoyant
incluant du TiO2. Les
concepteurs ont retenu
cette option pour que
la façade conserve
son aspect initial sans
entretien. Pour vérifier la
pertinence de ce choix,
le bâtiment fait l’objet
d’un suivi colorimétrique.
Depuis 2003, une dizaine
de campagnes de
mesures de la couleur sur
191 points du bâtiment
ont été menées et
montrent que la couleur
d’origine des façades est
totalement préservée,
avec des écarts
colorimétriques mineurs
et invisibles à l’œil nu.
Performances de dépollution
Outre l’autonettoyance, ces produits ont un impact positif sur la pollution
atmosphérique. Leur action est notable sur les COV et les oxydes d’azote
(NOx). Les premiers sont émis à l’intérieur des bâtiments par les matériaux
de construction et les seconds à l’extérieur par les moteurs à combustion qui
contribuent à la pollution à l’ozone. On en comprend donc l’intérêt.
La photocatalyse donne des résultats mais sous certaines conditions ; la
luminosité (ultraviolets) et le taux d’humidité doivent être suffisants. Les
expériences menées avec le béton ont montré un écrêtement des NOx et des
COV. Des simulations d’applications en situation réelle, par exemple des murs
antibruit installés à proximité d’autoroutes, ramènent potentiellement les NOx
en-dessous du seuil d’alerte fixé par les directives de la Commission européenne.
Retour d’expérience
Menée dans le cadre
du programme de
recherche européen
PICADA (Photocatalytic
Innovative Coverings
Applications for Depollution Assessment),
l’expérimentation « rue
du Canyon » visait à
reproduire les conditions
environnementales
d’une rue (à l’échelle
1/5e) et à recouvrir les
murs de deux types
d’enduits : l’un à base
de ciment dépolluant,
et l’autre de ciment
ordinaire. Le protocole
consistait à produire des
gaz d’échappement en
continu pendant sept
heures. Les résultats
relevés, via des capteurs
introduits dans les
enduits, sont édifiants :
plus les gaz restent en
contact avec la surface
des murs, plus l’action
dépolluante est efficace.
À l’inverse, cette dernière
sera moindre quand
les vents chassent la
pollution à l’extérieur
de la rue. Une donnée
essentielle puisque lors
des pics de pollution, les
vents sont inexistants.
De son côté, le projet
européen Life+ PhotoPAQ
(Demonstration
of Photocatalytic
remediation Processes
on Air Quality), qui
a débuté en 2011, a
pour but de démontrer
l’utilité des matériaux
de construction
photocatalytiques pour
purifier l’air à échelle
réelle, en milieu urbain.
PhotoPAQ a organisé
deux campagnes de
terrain extensives en
Europe, dont un test
à grande échelle à
Bruxelles (Belgique)
où des matériaux
photocatalytiques
cimentaires ont été
appliqués sur les parois
du tunnel Léopold II.
En conclusion,
l’efficacité du dispositif
est dépendante de
nombreux paramètres.
PHOTOPAQ a permis de
déterminer les conditions
idéales d’utilisation de la
photocatalyse.
Améliorer la qualité de l’air intérieur
Avec le confinement des bâtiments imposé
par la performance énergétique, la qualité
de l’air intérieur devient une préoccupation
majeure et un enjeu de santé publique.
Les épurateurs d’air photocatalytiques et les
produits photocatalytiques passifs (peintures,
céramiques…) peuvent faire partie des solutions.
Un épurateur d’air photocatalytique est constitué
d’un ventilateur qui achemine, selon sa puissance,
un débit d’air (moins de 1 000 m3/h pour les
modèles grand public), d’un filtre à particules
et d’un média photocatalytique horizontal ou
traversant, associé à une ou plusieurs lampes
(généralement UVA ou UVC). Dans certains cas,
il intègre des éléments complémentaires, tel un
ioniseur ou un filtre à charbon actif.
© Pilkinton
CERTIFICATION ET EXPÉRIMENTATION
Des démarches de certification et des études sont en cours pour ces
épurateurs d’air. Leur objectif est double : renseigner sur le fonctionnement,
les utilisations et les limites de ces produits, et retirer du marché ceux
qui ne sont pas conformes. Dans tous les cas, la mise en œuvre de tels
produits requiert une réelle expertise scientifique et technique, ainsi qu’une
bonne connaissance des polluants présents dans l’atmosphère et qu’il
convient de traiter. Des essais préliminaires portant sur plusieurs épurateurs
d’air du marché, menés conformément à la norme européenne faisant
l’objet d’une enquête CEN, ont clairement démontré la nécessité d’une
certification. La formation de sous-produits et les effets du vieillissement
ont été étudiés très attentivement. Toutefois, ces études préliminaires ont
permis de conclure à l’absence de relargage de nanoparticules de TiO2 dans
l’atmosphère. D’autres normes spécifiquement conçues pour les matériaux
photocatalytiques passifs (carrelages, peintures) permettront également
d’évaluer les réactions de surface et l’apport réel de ces matériaux en
termes de dépollution d’air intérieur (voir l’annexe 1).
Epurer l’eau
De nombreux travaux de recherche concernent les applications de la
photocatalyse dans le cadre de l’épuration de l’eau, afin d’éliminer des résidus
industriels, organiques, pharmaceutiques et médicaux, y compris les polluants
organiques persistants.
ACTION SUR LES POLLUANTS ORGANIQUES
Le traitement de ces effluents fait le plus souvent intervenir des processus
biologiques aérobies. Certains rejets présentant une faible part biodégradable,
ces traitements biologiques s’avèrent alors peu efficaces ou insuffisants. Une
solution consiste à les coupler à d’autres procédés d’oxydation chimique, comme
la photocatalyse par le biais de photoréacteurs. On parle alors de procédés
d’oxydation avancée (POA). L’efficacité de ces traitements étudiée depuis une
vingtaine d’années est attestée sur la majorité des produits organiques : produits
de synthèse comme les solvants, pesticides, colorants, et plus récemment
les composés pharmaceutiques (antibiotiques, analgésiques, stéroïdes ou
cyanotoxines)... Des substances organiques qui sont, dans leur presque totalité,
entièrement minéralisées par la photocatalyse. Cette technologie, prometteuse,
est encore peu utilisée en Europe. En revanche, elle trouve de nombreuses
applications en Amérique du Nord. Comme pour le traitement de l’air, elle
demande à être caractérisée et de nombreuses études sont en cours (Annexe 2).
Travaux de normalisation et recherches
© SB
Diverses initiatives de normalisation visant à garantir aux utilisateurs la
fiabilité et l’innocuité des systèmes sont en cours. Ces travaux sont soutenus
par les organismes de normalisation nationaux, la Fédération européenne de
photocatalyse, des associations nationales, les institutions européennes, des
fabricants et industriels européens. À noter : des normes peuvent démontrer
l’efficacité des systèmes et des matériaux dans des conditions idéales contrôlées
en laboratoire. Des travaux de normalisation portant sur toutes les applications
de la photocatalyse – de l’épuration de l’air et du traitement de l’eau jusqu’aux
surfaces autonettoyantes – ont débouché sur la définition de normes nationales,
européennes (CEN/TC 386) ou internationales (ISO/TC 206/WG 9) – liste dans
l’annexe 1. L’étape suivante, la certification sur la base des normes disponibles,
garantira au consommateur l’efficacité et la sûreté des produits mis sur le marché.
ANNEXE 1
Normes européennes
(CEN/TC 386)
CEN/TS 16599-2014
(sources lumineuses)
EN 16546-1
(dispositifs photocatalytiques)
EN 16845-1 (activité chimique
anti-salissures dans des
conditions solide/solide pour des
surfaces poreuses)
CEN/TS 00386023 (dégradation
du monoxyde d’azote (NO)
contenu dans l’air par des
matériaux photocatalytiques)
Normes françaises
XP B44-011 (dégradation des
NOx, flux continu de gaz)
XP B44-013 (COV dans l’air
intérieur en recirculation, test en
enceinte confinée)
XP B44-200 (COV en flux continu
(passage unique), particules)
Normes italiennes
UNI 11247-2010 (dégradation des
NOx, flux continu de gaz)
UNI 11484-2013 (dégradation
des NOx, flux continu de gaz
– réacteur à fonctionnement
continu)
UNI 11238-2007 (dégradation
BTEX)
UNI 11259-2008 (test pour liants
hydrauliques (rhodamine B)
– test de décoloration)
Norme allemande
DIN 52980 : Activité
photocatalytique des
surfaces - Détermination de
l’activité photocatalytique
par dégradation du bleu de
méthylène
Autres normes nationales
La norme ISO 22197-1 a été
adoptée en tant que norme
nationale au Royaume-Uni et en
Espagne.
ANNEXE 2
Les activités de recherche et
développement majeures dans
ce domaine sont illustrées par les
85 projets de recherche CORDIS
identifiés à l’aide du mot-clé
photocatalytic (www.cordis.
europa.eu).
Voir par exemple :
– PhotoPAQ (2010-2014):
Demonstration of Photocatalytic
remediation processes on Air
Quality
– Light2CAT (2012-2015): Visible
LIGHT Active PhotoCATalytic
Concretes for Air pollution
Treatment
– Life MINOx-street (2013-2018):
Monitoring and modelling
NOx removal efficiency of
photocatalytic materials: A
strategy for urban air quality
management
– PHOTOAIR (2014): Exploring the
potential for photocatalytic air
purification
– INTEC (2013-2014) Smart INks
as a standard TEsting tool for self
Cleaning surfaces
– PHOTOMEM (2010-2012):
Photocatalytic and Membrane
Technology Process for Olive Oil
Wastewater Treatment”
– LIMPID (2012-2015):
Nanocomposite materials for
photocatalytic degradation of
pollutants
– FOPS-WATER (2014-2019):
Fundamentals of Photocatalytic
Splitting of Water
– CO2SF (2014-2016): Solar
Fuel Chemistry: Design and
Development of Novel Earthabundant Metal complexes for
the Photocatalytic Reduction of
Carbon Dioxide.
www.photocatalysis-federation.eu
[email protected]
Photo recto - verso : SGG
FÉDÉRATION EUROPÉENNE DE PHOTOCATALYSE
Forte de plus de 100 membres, industriels et
chercheurs (universités, laboratoires, centres de
recherche...) venant de la majeure partie des pays
européens, la Fédération européenne de photocatalyse
(EPF) a pour mission la promotion et la diffusion de
cette nouvelle technologie. Elle soutient fermement
et finance les initiatives de normalisation et de
certification. Tous les deux ans, la Fédération organise
les Journées européennes de la photocatalyse (JEP).
Cette rencontre offre la possibilité d’échanger sur
les dernières avancées et innovations et favorise les
échanges entre universitaires et industriels.