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Du soleil et des pores, pour un air plus pur

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Dans les pays industrialisés, et notamment en Suisse, l’air est parfois très pollué sur le plan local, ce qui peut fortement porter atteinte aux personnes et à l’environnement. Les façades et revêtements photocatalytiques constituent une approche nouvelle pour tenter d’atténuer ce problème. Leur efficacité reste pourtant très limitée. La BFH souhaite faire avancer les choses.

Au cours des dernières décennies, la qualité de l’air s’est dans l’ensemble nettement améliorée à l’échelle européenne, notamment grâce aux efforts importants fournis par les entreprises industrielles et les ménages. Les valeurs limites pour l’ozone (O3), le dioxyde d’azote (NO2) et les poussières fines (PM10) continuent toutefois d’être fréquemment dépassées, même en Suisse (fig. 1). Cause principale: le trafic routier. Les interdictions de circuler sont certes efficaces pour protéger l’air, mais les restrictions qu’elles posent aux libertés individuelles en font des mesures peu appréciées. D’autres solutions sont requises.

Approche précédante

Les surfaces photocatalytiques constituent une technologie prometteuse pour réduire le NO2 et les composés organiques volatils (COV), des gaz précurseurs de l’ozone et des PM10. Elles peuvent être appliquées sur des toits, des façades de bâtiments ou des revêtements routiers. Pour cela, on mélange des nanoparticules d’un photocatalyseur – souvent du dioxyde de titane – à la surface du matériau porteur prévu (par exemple du béton). Lorsque des polluants sous forme gazeuse entrent en contact avec cette surface, ils sont transformés en substances inoffensives sous l’action de la lumière, puis évacués par l’eau de pluie (fig. 2).
Cet effet a pu être prouvé par de nombreuses études réalisées à l’étranger, généralement en laboratoire. Bien des villes espèrent que cette technologie résoudra le problème de la pollution atmosphérique. Divers projets montrent toutefois qu’en conditions réelles, dans l’espace routier, ces systèmes ne parviennent à réduire la concentration de polluants que de quelques pour-cent. Dans ce contexte, la surface active sur le plan photocatalytique constitue le principal facteur limitant. Afin de l’accroitre, un groupe de recherche a mis au point des éléments poreux recouverts d’une couche catalytique, destinés à être installés dans un tunnel. Ce système consomme toutefois beaucoup d’énergie, parce que les lieux doivent être éclairés et aérés artificiellement, si bien que la solution retenue respecte peu l’environnement.

Fig. 1: Carte des valeurs mensuelles maximales du 98e centile pour l’ozone en 2017 (valeur limite: 100 μg/m3)
Source: Office fédéral de l’environnement (2018)

Développements ultérieurs

À la BFH, l’Institut des matériaux et de la technologie du bois IWH s’est allié à l’Institut du développement urbain et de l’infrastructure ISI pour développer encore la technologie de la photocatalyse dans l’espace routier, afin d’augmenter la surface réactive et de faire fonctionner le système de manière entièrement autonome sur le plan énergétique. L’idée est que le soleil fournisse le rayonnement nécessaire et que les véhicules en circulation produisent les courants d’air requis. En effet, l’approche retenue consiste à combiner des éléments photocatalytiques poreux avec des parois antibruit: il serait ainsi possible, sans utiliser de surfaces supplémentaires, de lutter simultanément contre deux types de nuisances dues au trafic – bruit et pollution atmosphérique – en les réduisant à proximité immédiate de leur lieu d’émission.

Une étude de faisabilité est en cours

L’étude de faisabilité ILLIS («Integrierter Lärm- und Luftschutz im Strassenraum»), menée à la BFH et financée par Innosuisse, vérifie actuellement dans quelle mesure cette approche s’avère prometteuse. Pour cela, on examine en laboratoire l’influence que l’augmentation de la surface photocatalytique exerce sur la réduction des teneurs en polluants atmosphériques (voir l’encadré pour des informations concernant le dispositif expérimental de l’étude).

Fig. 2: Mode de fonctionnement d’une surface photocatalytique d’épuration de l’air à l’exemple des dioxydes d’azote (NOx).
Source: Burgeth, Cyrol, Müller et Duttlinger (2010).

Perspectives

Si l’étude de faisabilité démontre que les échantillons photocatalytiques poreux permettent de réduire nettement plus efficacement les concentrations de polluants atmosphériques que les échantillons lisses (avec ou sans revêtement photocatalytique), un projet de recherche verra le jour avec un partenaire économique ayant déjà manifesté son intérêt. Il s’agira alors de développer un produit destiné au marché pour la protection de l’air dans l’espace routier, qui soit adapté à une utilisation extérieure continue dans toutes les conditions climatiques. On est en droit d’espérer que cette innovation fournira bientôt une précieuse contribution au maintien d’un air propre dans les villes et le long des rues très fréquentées.

Fig. 3: Coupe longitudinale à travers le photoréacteur utilisé pour étudier la réduction des concentrations en polluants atmosphériques par des échantillons dont la surface varie.
1: entrée du gaz utilisé pour les essais; 2: déflecteur; 3: plaque de verre imperméable à l’air; 4: canal d’écoulement; 5: plaque permettant de régler la hauteur; 6: plaque auxiliaire; 7: échantillons ; 8: sortie de l’air étudié; 9: fixation.
Fig. 4: Échantillons recouverts d’une couche de ciment poreux actif sur le plan photocatalytique, pour des tailles de pores correspondant à 10 PPI (a), 20 PPI (b) et 30 PPI (c); PPI = pores per inch (pores par pouce).
 

Étude de faisabilité

Mise en place des essais
Les essais sont menés dans un photoréacteur construit spécialement et conforme aux normes (fig. 3). De l’air contenant une teneur spécifique en polluants entre par l’ouverture, longe l’échantillon placé dans le photoréacteur puis en ressort à l’autre extrémité. Les concentrations sont à chaque fois mesurées à l’entrée et à la sortie; la différence correspond à la dégradation des polluants induite par l’échantillon.

Échantillons et facteurs influençant les résultats
Afin d’accroitre la surface active sur le plan photocatalytique par rapport à une surface lisse, on utilise des mousses revêtues d’une suspension de ciment photocatalytique (fig. 4), avec différentes tailles de pores (10, 20 et 30 pores par pouce [PPI = pores per inch]). Cela permet de quantifier l’influence de la surface. À des fins de comparaison, on teste également des éléments lisses en ciment contenant ou non un photocatalyseur.