Conception d'une unité mobile pour le post-traitement d'eau utilisée pendant des opérations d'extinction d'incendie

Design of a mobile post-treatment unit for the water used during fire extinguishment

• Auteur / Autrice : Clément Baudequin
• Direction : Mohammed Rakib
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 28/10/2011
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Murielle Rabiller-Baudry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed Rakib, Philippe Moulin, François Lapicque, Romain Séverac, Estelle Couallier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Moulin, François Lapicque

Mots clés

Mots clés contrôlés

Incendies -- Extinction

Eau -- Épuration

Mots clés libres

Traitement d’eau

Électrocoagulation

Extinction d’incendie

Water treatment

Electrocoagulation

Firefighting

Résumé

L’extinction de feux de liquides inflammables sur des installations industrielles telles que les dépôts de carburant ou les raffineries entraîne l'utilisation de milliers de mètres cubes d'eau, composé majeur des mousses anti-incendie. Ces dernières contiennent généralement des tensioactifs hydrocarbonés ainsi que des tensioactifs fluorés qui se retrouvent dans les eaux d'extinction, ainsi que les suies et les restes de solvants. Les tensioactifs fluorés jouent un rôle clé dans l'efficacité des mousses anti-incendie en raison de leur nature chimique particulière. En raison de la présence des tensioactifs fluorés, le traitement actuel de l'eau d'extinction d'incendie est l'incinération dans des incinérateurs haute température et résistant aux halogènes. Les tensioactifs sont des composés amphiphiles qui ont comme propriétés d'abaisser la tension superficielle de l'eau et de former des agrégats en solution : les micelles. Les tensioactifs peuvent également s'adsorber aux interfaces ainsi qu'aux surfaces solides, et éventuellement y former des agrégats de surface, analogues aux micelles en solution. L’objectif industriel de la présente thèse est de proposer une unité mobile de traitement de ces eaux afin de concentrer les composés fluorés et limiter les volumes à incinérer. Les critères de sélection des procédés que nous avons retenus sont les suivants : compacité, peu ou pas de produits chimiques ou solides nécessaires. L’objectif scientifique de ce travail est de mieux comprendre le comportement de ces composés au cours des procédés d’électrocoagulation/filtration et d’osmose inverse. Des essais préliminaires ont été réalisés et ont permis de choisir les procédés suivant : l'électrocoagulation couplée à la filtration comme prétraitement pour séparer les particules en suspension et les traces d’émulsions éventuelles de la phase aqueuse et l'osmose inverse comme traitement pour concentrer les tensioactifs fluorés. A l'échelle du laboratoire, l'électrocoagulation, permettant le retrait de la matière en suspension, a été optimisée pour des eaux d'extinction d'incendie pilotes et un mécanisme a été proposé. L'efficacité de ce procédé a ensuite été vérifiée sur un pilote industriel. L'osmose inverse d'eaux d'extinction d'incendie pilotes pré-traitées par électrocoagulation/filtration a montré de forts taux de rétention du tensioactif fluoré. Une comparaison de différents matériaux membranaires a été réalisée sur un module d’osmose inverse plan avec des solutions modèles. Des essais de filtration de longue durée, à l’échelle pilote, ont permis de suivre l’évolution de la rétention des tensioactifs et du flux de perméat. Ces données ont été utilisées pour réaliser le dimensionnement d’une unité mobile de post traitement d’eau d’extinction d’incendie. Les perspectives de ce travail sont les suivantes : La prise en charge de la réalisation d’une unité mobile devrait être menée par un partenaire de DuPont de Nemours qu’il reste à identifier. L’étude sur la modification de l’état de surface des membranes est poursuivie dans le cadre d’une nouvelle thèse et permettra à terme de mieux choisir les conditions opératoires de filtration et de nettoyage au cours des procédés membranaires et ainsi d’améliorer les performances du procédé.

Extinguishment of large solvent fire leads to the production of fire fighting water, which are collected thanks to the design of industrial infrastructures. Depending on the nature of the firefighting foam used, the resulting water may require the removal of fluorinated surfactants potentially present. After decantation of the organic phase, fire fighting waters essentially contain surfactants. Surfactants are amphiphilic chemicals having the ability to lower both interfacial and surface tensions by adsorbing in an oriented fashion at interface. Surfactant can form micellar aggregates in solution and on interfaces under certain conditions, and have a pronounced influence on interfacial phenomena. Hence, before considering any water treatment process, interfacial science and surfactant were introduced. This work has a dual purpose. The industrial purpose is to provide an economically viable alternative to water incineration. The foreseen unit will have to be mobile and able to extract fluorinated surfactants from water at a rate of 1-4.5 m3h-1 (20,000 m3 in 4-6 months). The scientific purpose of this work is the study of the behavior of surfactants in the context of water treatment processes. The state of the art of relevant water treatment processes and an experimental screening with real firefighting water permitted to identify two steps as likely to fit the constraints of a mobile unit: electrocoagulationfiltration coupled with reverse osmosis. The electrocoagulation process followed by filtration was applied to pilot, model and industrial firefighting waters. This process was found to remove efficiently the unwanted turbidity from pilot firefighting waters. Current knowledge about the separation mechanisms of small organic molecules in reverse osmosis has been reviewed, and rejection as well as flux decline were related to membrane, solution, and solute properties. Polyamide and cellulose acetate membrane materials were screened in a flat sheet cell. The stabilities of rejection and flux decline were confirmed during longer tests (several days) on an industrial pilot with the most appropriate membrane. A final design study confirmed the possibility to combine electrocoagulation-filtration and reverse osmosis to treat firefighting waters.