FR3121687A1 - Procédé de production de dihydrogène gazeux à partir d’un effluent liquide aqueux, tel que la fraction liquide d’un lisier de porcins ou des urines d’êtres humains - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé de production de dihydrogène gazeux à partir d’un effluent liquide aqueux contenant des matières organiques et minérales ou d’un mélange d’effluents liquides aqueux sélectionné(s) parmi les effluents suivants : - fraction liquide d’un lisier; - fraction liquide d’un digestat de méthaniseur ; - fraction liquide d’un digestat de boues de station d’épuration ; - eaux usées ; - urines d’êtres humains. Selon l’invention, ce procédé comprenant les étapes suivantes : - nanofiltration dudit effluent liquide aqueux ou dudit mélange d’effluents liquides aqueux de sorte à obtenir un perméat ; - traitement par osmose inverse d’au moins une partie dudit premier perméat de sorte à obtenir une solution aqueuse osmosée ; - électrolyse d’au moins une partie de ladite solution aqueuse osmosée de sorte à décomposer ladite partie de ladite solution aqueuse osmosée en au moins du dihydrogène gazeux. Figure à publier : 1

Description

Procédé de production de dihydrogène gazeux à partir d’un effluent liquide aqueux, tel que la fraction liquide d’un lisier de porcins ou des urines d’êtres humains
Domaine de l’invention
Le domaine de l’invention est celui de la valorisation des effluents agricoles.
Plus précisément, l’invention concerne un procédé de production d’hydrogène gazeux à partir d’un effluent liquide aqueux contenant des matières organiques et minérales ou d’un mélange d’effluents liquides aqueux contenant des matières organiques et minérales.
L’invention trouve notamment une application dans la valorisation des lisiers de porcs, de la fraction liquide d’un digestat de méthaniseur, de la fraction liquide d’un digestat de boues de station d’épuration, des eaux usées et des urines d’êtres humains.
Art antérieur
Actuellement, environ 4% de l’hydrogène gazeux au niveau mondial est produit par une technique d’électrolyse de l’eau. Ces techniques de production connues reposent principalement sur l’utilisation d’eau douce.
L’eau douce étant une ressource précieuse et limitée, on a proposé récemment de produire du dihydrogène gazeux à partir d’eau de mer.
Un inconvénient de l’eau de mer est que les ions chlorure qu’elle contient peuvent corroder l’anode de l’électrolyseur et qu’ils peuvent empêcher ou limiter les réactions d’oxydo-réduction.
Dans le domaine agricole, on connait des techniques de production d’hydrogène consistant à méthaniser des déchets végétaux, et des effluents d’élevage, tels que du fumier ou du lisier, afin de produire du biogaz, qui, après avoir été purifié, est mélangé avec de la vapeur d’eau à haute température et à haute pression en présence d’un catalyseur afin d’obtenir de l’hydrogène, par vaporeformage.
Un inconvénient de cette technique connue est que pour 1kg d’hydrogène produit, 9 kg de CO2est rejeté à l’atmosphère. Il s’agit donc d’une technique qui est peu respectueuse de l’environnement.
On connait d’autres techniques de valorisation des lisiers. Ainsi, il est connu de pratiquer l’épandage du lisier sur des terres agricoles. Les surfaces d’épandage sont toutefois limitées. Par ailleurs, l’épandage est source de pollution azotée des cours d’eau et l’épandage du lisier entraine des émissions d’ammoniac importantes dans l’atmosphère. Pour remédier à ces inconvénients, on a proposé par exemple de traiter la fraction liquide des lisiers par des méthodes de « stripping » permettant d’extraire l’azote ammoniacal de cette fraction liquide et de former un engrais minéral, le sulfate d’ammonium.
On connait également des techniques de déshydratation des lisiers permettant d’obtenir un tourteau organique sec et riche en azote, plus facilement valorisable que la fraction liquide du lisier.
Un inconvénient des techniques de stripping et de déshydratation est qu’elles sont consommatrices d’énergie.
Par ailleurs, on observe une tendance à la diminution de la consommation d’engrais dans le domaine agricole.
Il existe donc un besoin de techniques alternatives, qui permette une valorisation de la fraction liquide des lisiers, et notamment des lisiers de porcs, sous une forme autre que celle d’un engrais.
Objectifs de l’invention
L’invention a donc notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l’art antérieur cités ci-dessus.
Plus précisément l’invention a pour objectif de fournir une technique de production de dihydrogène gazeux à partir d’un effluent liquide aqueux, tel qu’une fraction liquide d’un lisier de porcs, une fraction liquide d’un digestat de méthaniseur, une fraction liquide d’un digestat de boues de station d’épuration, des eaux usées, des urines d’êtres humains ou un mélange d’un ou plusieurs de ces effluents, qui soit fiable.
Un objectif de l’invention est également de fournir une telle technique qui soit peu énergivore.
Un autre objectif de l’invention est de fournir une telle technique qui soit simple à mettre en œuvre, et d’un coût de revient réduit.
Encore un objectif de l’invention est de fournir une telle technique qui permette de valoriser l’ammoniac gazeux contenu dans la fraction liquide d’un lisier, dans la fraction liquide d’un digestat de méthaniseur, dans la fraction liquide d’un digestat de boues de station d’épuration, dans des eaux usées ou dans des urines d’êtres humains sous forme de sulfate d’ammonium.
Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaitront par la suite sont atteints à l’aide d’un procédé de production de dihydrogène gazeux à partir d’un effluent liquide aqueux contenant des matières organiques et minérales ou d’un mélange d’effluents liquides aqueux contenant des matières organiques et minérales, ledit ou lesdits effluents liquides aqueux étant sélectionné parmi les effluents suivants :
- fraction liquide d’un lisier, tel qu’un lisier de porcins ;
- fraction liquide d’un digestat de méthaniseur ;
- fraction liquide d’un digestat de boues de station d’épuration ;
- eaux usées ;
- urines d’êtres humains.
L’invention concerne donc la production d’hydrogène gazeux à partir d’effluents liquides aqueux d’origine agricole, issus de l’élevage, ou d’origine urbaine.
Il convient de noter que l’invention ne se limite pas à une production d’hydrogène gazeux à partir d’un des cinq effluents liquides aqueux précités, mais concerne également une production d’hydrogène gazeux à partir d’un mélange de deux, trois, quatre ou de l’ensemble des effluents liquides aqueux précités.
On notera que dans des modes de réalisation particuliers de l’invention dans lesquels du dihydrogène gazeux est produit essentiellement ou partiellement à partir d’urine de porcs et/ou d’urine d’être humain, cette urine peut être chaulée, sans sortir du cadre de l’invention.
On notera également que les eaux usées peuvent être des eaux usées domestiques ou d’origine industrielle ayant subi ou non un traitement dans une station d’épuration.
Selon l’invention, un tel procédé comprend les étapes suivantes :
- nanofiltration dudit effluent liquide aqueux ou dudit mélange d’effluents liquides aqueux de sorte à obtenir un perméat ;
- traitement par osmose inverse d’au moins une partie dudit premier perméat de sorte à obtenir une solution aqueuse osmosée ;
- électrolyse d’au moins une partie de ladite solution aqueuse osmosée de sorte à décomposer ladite partie de ladite solution aqueuse osmosée en au moins du dihydrogène gazeux.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, ladite étape d’électrolyse est mise en œuvre dans un électrolyseur alimentée en énergie électrique par des moyens de captage photovoltaïque et/ou par une ou plusieurs éoliennes.
Avantageusement, la taille des pores de la ou des membranes de nanofiltration mises en œuvre lors de ladite étape de nanofiltration est comprise entre 4 et 9 nm et de préférence entre 4 et 6 nm.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, la ou lesdites membranes sont des membranes en céramique.
Selon un aspect particulier de l’invention, lors de ladite étape de nanofiltration, le différentiel de pression entre l’amont et l’aval de ladite ou desdites membranes de nanofiltration est compris entre 3 et 4 bars.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, lors de ladite étape de nanofiltration, ledit effluent liquide aqueux ou ledit mélange d’effluents liquides aqueux est filtré au travers de deux et seulement deux membranes de nanofiltration.
De préférence, la pression dudit premier perméat avant d’être traité par osmose inverse est comprise entre 3 et 19 bars.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, la pression dudit premier perméat avant d’être traité par osmose inverse est comprise entre 12 et 16 bars.
De façon avantageuse, un procédé tel que décrit ci-dessus comprend une étape de chauffage à au moins 40°C, et de préférence à au moins 60°C, des solutés issus de l’étape de traitement par osmose inverse au moyen de la chaleur émise lors de ladite étape d’électrolyse et une étape de stripping de l’ammoniac dans laquelle les solutés chauffés sont transformés en sulfate d’ammonium
Ainsi, en augmentant la température des solutés grâce à la chaleur récupérée sur l’électrolyseur, on augmente la volatilité de l’ammoniaque contenu dans les solutés et par conséquent la quantité d’ammoniac gazeux pouvant être exploitée à l’étape de stripping.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, un procédé tel que décrit ci-dessus comprend une étape de méthanisation des rétentats sensiblement solides issus de ladite étape de nanofiltration.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, un procédé tel que décrit ci-dessus comprend une étape de chauffage dudit effluent liquide aqueux ou dudit mélange d’effluents liquides aqueux précédant ladite étape de nanofiltration.
On diminue ainsi la viscosité de l’effluent liquide aqueux ou du mélange d’effluents liquides aqueux pénétrant dans les membranes de nanofiltration.
Liste des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d’un mode de réalisation de l’invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et de l’unique figure annexée :
représente un exemple de système de production de dihydrogène gazeux adapté pour mettre en œuvre un mode de réalisation d’un procédé de production de dihydrogène gazeux selon l’invention.

Claims (10)

  1. Procédé de production de dihydrogène gazeux à partir d’un effluent liquide aqueux contenant des matières organiques et minérales ou d’un mélange d’effluents liquides aqueux contenant des matières organiques et minérales, ledit ou lesdits effluents liquides aqueux étant sélectionné parmi les effluents suivants :
    - fraction liquide d’un lisier, tel qu’un lisier de porcins ;
    - fraction liquide d’un digestat de méthaniseur ;
    - fraction liquide d’un digestat de boues de station d’épuration ;
    - eaux usées ;
    - urines d’êtres humains,
    ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    - nanofiltration dudit effluent liquide aqueux ou dudit mélange d’effluents liquides aqueux de sorte à obtenir un perméat ;
    - traitement par osmose inverse d’au moins une partie dudit premier perméat de sorte à obtenir une solution aqueuse osmosée ;
    - électrolyse d’au moins une partie de ladite solution aqueuse osmosée de sorte à décomposer ladite partie de ladite solution aqueuse osmosée en au moins du dihydrogène gazeux.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape d’électrolyse est mise en œuvre dans un électrolyseur alimentée en énergie électrique par des moyens de captage photovoltaïque et/ou par une ou plusieurs éoliennes.
  3. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la taille des pores de la ou des membranes de nanofiltration mises en œuvre lors de ladite étape de nanofiltration est comprise entre 4 et 9 nm et de préférence entre 4 et 6 nm.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 3, caractérisé en ce que la ou lesdites membranes sont des membranes en céramique.
  5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que lors de ladite étape de nanofiltration, le différentiel de pression entre l’amont et l’aval de ladite ou desdites membranes de nanofiltration est compris entre 3 et 4 bars.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que lors de ladite étape de nanofiltration ledit effluent liquide aqueux ou ledit mélange d’effluents liquides aqueux est filtré au travers de deux et seulement deux membranes de nanofiltration.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pression dudit premier perméat avant d’être traité par osmose inverse est comprise entre 3 et 19 bars.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de chauffage à au moins 40°C, et de préférence à au moins 60°C, des solutés issus de l’étape de traitement par osmose inverse au moyen de la chaleur émise lors de ladite étape d’électrolyse et une étape de stripping de l’ammoniac dans laquelle les solutés chauffés sont transformés en sulfate d’ammonium.
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de méthanisation des rétentats sensiblement solides issus de ladite étape de nanofiltration.
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de chauffage dudit effluent liquide aqueux ou dudit mélange d’effluents liquides aqueux précédant ladite étape de nanofiltration.
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