Mieux traiter les eaux usées pour produire plus d’énergie propre

Un nouveau dispositif qui utilise seulement la lumière solaire et les eaux usées pour produire de l’hydrogène pourrait constituer une source d’énergie durable tout en améliorant l’efficacité du traitement des eaux usées.

Une équipe de recherche dirigée par Yat Li, professeur agrégé de chimie à l’Université de Californie, Santa Cruz, a développé un dispositif solaire-microbien et rapporté ses résultats dans un article publié dans la revue de l’American Chemical Society. Le dispositif hybride combine une pile à combustible microbienne (MFC) et un type de cellule solaire appelé cellule photo-électrochimique (PEC). Dans le composant MFC, les bactéries dégradent la matière organique des eaux usées, produisant ainsi de l’électricité pour le dispositif. L’électricité ainsi produite biologiquement est délivrée à l’élément photo-électrochimique pour aider le fractionnement à l’énergie solaire de l’eau (électrolyse) qui génère de l’hydrogène et de l’oxygène.

Un PEC ou un appareil MFC peut être utilisé seul pour produire de l’hydrogène gazeux. Tous deux, cependant, nécessitent une faible tension supplémentaire (une polarisation externe) pour surmonter la barrière d’énergie thermodynamique pour la réduction de protons dans l’hydrogène.

La nécessité d’incorporer un élément de puissance électrique supplémentaire accroît cependant considérablement le coût et la complication de ces types de dispositifs de conversion d’énergie, en particulier à grande échelle. A titre de comparaison, le dispositif solaire hybride-microbien de Li est auto-entraîné et auto-entretenue, parce que l’énergie combinée de la matière organique (récoltées par le MFC) et la lumière du soleil (capturée par le PEC) est suffisante pour entraîner l’électrolyse de l’eau.

En effet, le composant MFC peut être considéré comme une « bio-batterie » auto-entretenue fournissant de  la tension et de l’énergie supplémentaire pour le PEC. « Les seules sources d’énergie sont les eaux usées et le soleil », a déclaré Li. «La démonstration réussie d’un tel dispositif microbien durable auto-polarisé pour la production d’hydrogène pourrait fournir une nouvelle solution pouvant répondre à la fois au traitement des eaux usées et à la demande croissante en énergie propre. »

Les piles à combustible microbiennes fonctionnent grâce à des bactéries inhabituelles, appelées bactéries électrogènes, qui sont capables de produire de l’électricité en transférant des électrons de façon métabolique, à travers leurs membranes cellulaires à une électrode externe. Le groupe de Li épaulé par des chercheurs du Laboratoire National de Lawrence Livermore ont étudié ces bactéries et travaillé pour améliorer les performances du MFC.

Quand ces bactéries étaient nourries avec les eaux sales et éclairées dans un simulateur solaire, le dispositif PEC-MFC a montré une production continue d’hydrogène gazeux à un taux moyen de 0,05 m3 par jour, selon les chercheurs du Laboratoire National. Dans le même temps, les eaux usées noires et troubles sont redevenues plus claires. La demande chimique en oxygène soluble, une mesure de la quantité de composés organiques dans l’eau, utilisé comme un test de qualité de l’eau, a diminué de 67% en plus de 48 heures.

Les chercheurs ont également noté que la production d’hydrogène avait diminué au fur et à mesure que les bactéries consommaient la matière organique. Mais la reconstitution des eaux usées dans chaque cycle d’alimentation a permit à chaque fois de restaurer le courant électrique et la production de gaz hydrogène.

Les chercheurs sont optimistes quant au potentiel commercial de leur invention. Actuellement, ils ont l’intention de faire de l’appareil un grand prototype de 40 litres alimenté de façon continu avec les eaux usées municipales.