Domaine de l’invention

L’invention s’intéresse au traitement de l’air extérieur dans un environnement urbain. En effet, les axes routiers urbains ou périurbains chargés d’une circulation dense sont le siège d’une pollution de l’air de plus en plus importante, et de plus en plus analysée et contrôlée. On peut notamment mentionner AIR PARIF, l’association de surveillance de la qualité de l’air en Ile de France, qui surveille l’évolution de la qualité de l’air en permanence dans des points clés de la région parisienne, avec des traitements de ces données par des outils, notamment de calcul et de modélisation, permettant de donner des indicateurs de qualité de l’air, des cartes de niveaux de pollution en temps réel, et des cartes de prévision de plus en plus précises.

L’air urbain présente différentes types de pollution, qu’on peut classer en deux catégories :

- les particules solides, qui proviennent généralement de combustions imparfaites (suies), émises par les gaz d’échappement des moteurs thermiques des véhicules automobiles, mais également de l’usure de leurs pneumatiques ou de leurs organes de freinage, ou tout simplement de la dégradation des revêtements routiers (poussières) ou encore émises par les moyens de chauffage urbains ou par des installations industrielles proches. Leur petite taille, de l’ordre de quelques microns, explique leur maintien en suspension dans l’air, notamment en absence de pluie et de vent,

- les composés gazeux, essentiellement des oxydes d’azote, avec les NOx dont le monoxyde et/ou le dioxyde d’azote (NO, N0 ₂ ), mais aussi le monoxyde de carbone CO (A noter que le NO peut s’oxyder spontanément en N0 ₂ sous l’effet du soleil et de la présence d’oxygène, donc même s’il est potentiellement moins néfaste que N0 ₂ à concentrations égales, c’est aussi potentiellement un précurseur de N0 ₂ ), les composés organiques volatils (ou VOC pour l’acronyme anglais Volatile Organic Compound), ou les dérivés soufrés, comme les oxydes de soufre SOx, eux aussi provenant notamment de véhicules automobiles ou encore du chauffage urbain ou d’installations industrielles.

On voit qu’il y a un réel besoin d’amélioration de la qualité de l’air en milieu urbain et périurbain.

Art antérieur

Dans les tunnels routiers, on a déjà envisagé des dispositifs de filtration électrostatiques pour piéger les particules solides, l’objectif visé étant en fait d’améliorer la visibilité dans les tunnels plus que d’en dépolluer l’atmosphère avant rejet à l’extérieur. Comme les débits d’air sont souvent importants, de quelques dizaines à quelques centaines de m ³ par seconde, et les concentrations en polluants très petites, de l’ordre du milligramme par m ³ ou moins, les dispositifs le plus souvent employés sont des dépoussiéreurs électrostatiques pour les polluants particulaires et des pièges chimiques sur surfaces absorbantes pour les polluants gazeux, de manière à minimiser la perte de charge de la circulation d’air. Les résultats sont souvent décevants, notamment pour les particules qui peuvent également « empoisonner » les pièges chimiques et les rendre inefficaces.

Des tunnels ont effectivement été équipés d’un dispositif de traitement de l’air, principalement au Japon et en Norvège. Il s’est agi dans la plupart des cas de filtres électrostatiques des particules, sans traitement des effluents gazeux, l’objectif étant effectivement d’améliorer la visibilité dans les tunnels. L’efficacité des dispositifs de filtration électrostatique dépend pour beaucoup de la vitesse de l’air à l’intérieur des filtres, mais également de l’encrassement des filtres. En outre, l’étape d’ionisation des particules, préalable indispensable à leur précipitation électrostatique, produit du dioxyde d’azote (N0 ₂ ) par réaction de NO avec l’ozone (0 ₃ ) produit dans le ioniseur, ce qui est un effet induit néfaste.

La demande de brevet EP 0 431 648 s’est aussi intéressée au traitement d’air d’espaces confinés, notamment de bureaux ou d’hôpitaux, en proposant des traitements à l’ozone avec des catalyseurs d’oxydation pour éliminer les VOC et les polluants biologiques, avec les inconvénients liés à l’utilisation d’ozone soulignés plus haut, et les particules solides ne sont pas traitées.

Le brevet FR 3 014 327 s’est, lui, intéressé aux traitements de gaz naturel ou d’origine industrielle, afin d’en éliminer les composés acides comme le C0 ₂ , ou des dérivés soufrés comme H ₂ S ou COS il décrit un lavage des gaz par une solution liquide capable d’absorber ces composés acides à une température de l’ordre de 30 à 95°C. Cette solution absorbante est une solution aqueuse comprenant de la N,N,N’,N’-tétra méthyl-1 ,6 hexanediamine (TMHDA) associée à un activateur. Il est ensuite nécessaire de faire une régénération de la solution consistant à envoyer la solution chargée en composés acides dans une colonne de distillation pour libérer ces composés acides. C’est donc une solution performante vis-à-vis de certains composés gazeux de type acide, mais qui ne traite pas de la pollution particulaire, et qui nécessite deux étapes complexes et consommatrices d’énergie.

L’invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un nouveau système de traitement de l’air extérieur urbain. Elle a notamment pour but un traitement qui soit efficace aussi bien vis-à-vis de polluants sous forme de particules que sous forme de composés gazeux. Elle a plus particulièrement pour but un nouveau système applicable sur de grands volumes d’air à traiter, avec une mise en œuvre et une maintenance facilitées.

Résumé de l’invention L’invention a tout d’abord pour objet un procédé de traitement d’air extérieur urbain pour l’appauvrir en composés gazeux polluants, notamment en NOx, et en particules solides, où l’on conduit dans un dispositif de lavage au moins une partie de l’air à traiter au contact d’un écoulement d’un effluent liquide comprenant au moins un composé actif vis-à-vis du ou d’au moins un des composés gazeux polluants, de sorte que ledit effluent liquide au contact de l’air à traiter se charge en particules et agit sur ledit composé gazeux, par exemple par absorption, puis éventuellement conversion chimique notamment du type oxydation ou réduction.

Avantageusement, le dispositif de lavage de l’invention est majoritairement souterrain : cette implantation permet d’allier, comme détaillé plus loin, des considérations esthétiques (il se trouve dissimulé à la vue) et de sécurité (il ne peut pas constituer un obstacle quand il est disposé près d’une voie de circulation notamment).

L’écoulement de l’effluent liquide peut s’effectuer sous forme de pulvérisation de gouttelettes, ou sous forme d’un écoulement gravitaire sur des garnissages dans le dispositif de lavage.

Dans un cas comme dans l’autre, l’invention choisit donc un traitement ayant recours à une phase liquide, et non pas, comme déjà connu, avec des filtres. Et cette phase liquide permet de traiter à la fois les particules et certains composés comme les NOx, en une seule opération: en effet, de façon surprenante, l’invention montre que le choix d’une phase liquide permet de mettre en suspension les particules quand elles entrent en contact avec l’effluent, la mise en suspension permettant facilement de les embarquer dans la phase liquide et d’en débarrasser l’air à traiter donc.

Une pulvérisation de gouttelettes favorise le contact air/effluent, en termes de surface de contact air/liquide et de temps de séjour de l’air au contact du liquide. Il en est de même si on choisit un écoulement gravitaire sur des garnissages, qui vont « casser » le flux et favoriser de la même manière ce contact air/liquide.

Et vis-à-vis de certains polluants gazeux comme les NOx, il s’est avéré que choisir une phase liquide basique, par exemple par ajout de KOH/ NaOH ou toute autre base minérale ou organique, permet d’extraire les NOx, essentiellement les N0 ₂ , de l’air. Ils peuvent ensuite être traités dans l’effluent de lavage.

De préférence, la phase liquide est donc une phase aqueuse basique : son pH est par exemple compris entre 7,5 et 10, de préférence entre 7,5 et 8,5 ou entre 7,5 et 8, donc un pH de préférence légèrement basique, ce qui a un effet bénéfique sur l’absorption/réduction des gazde tyoe NOx, sans pour autant nécessiter des précautions trop complexes/couteuses en termes de sécurité des équipements lors de leur mise en oeuvre. Avantageusement, le traitement selon l’invention s’effectue à température et pression ambiantes. C’est un avantage considérable au vu de l’implantation et des débits d’air à traiter, car cela simplifie grandement la mise en œuvre du procédé, puisqu’on limite ainsi les équipements (pas de moyens chauffant ou de mise sous pression à prévoir) et la consommation énergétique du traitement.

De préférence, le traitement s’effectue dans un dispositif de lavage définissant une enceinte dans laquelle l’effluent liquide s’écoule par gravité. Là encore, on choisit ainsi la simplicité, en utilisant la notamment la gravité pour faire circuler, de haut en bas, la phase liquide. L’effluent liquide peut aussi s’écouler par pulvérisation sous pression.

L’air à traiter peut s’écouler dans ladite enceinte à co-courant, à contre-courant ou à courant croisé par rapport à l’écoulement de l’effluent liquide. Le choix est fait notamment au vu de la configuration de l’espace disponible dans lequel le dispositif de traitement est destiné à être placé.

Un écoulement croisé est préféré, car il permet des configurations de dispositif plus faciles à implanter, et parce qu’il est particulièrement efficace pour favoriser les échanges entre l’air à traiter et l’effluent liquide.

Selon l’invention, on peut forcer la circulation de l’air au travers du dispositif de lavage afin de le traiter, notamment par des ventilateurs, surpresseurs, etc.

Selon un premier mode de réalisation, on traite l’air dans un dispositif de lavage disposé majoritairement à l’extérieur, en milieu urbain ou périurbain, avec notamment au moins une entrée d’air à traiter en partie basse du dispositif, notamment au voisinage du niveau du sol, et une sortie d’air traité en partie haute. On peut ainsi venir aspirer l’air pollué près du sol, là où la pollution, notamment particulaire, est généralement la plus forte, et rejeter l’air purifié plus haut, par exemple à hauteur d’homme. Comme mentionné plus loin, le dispositif de lavage peut en effet se présenter par exemple comme une colonne d’orientation essentiellement verticale, et d’une hauteur qui peut être choisie entre 1 et 4 mètres, ou entre 1 et 2 mètres par exemple. On comprend par « disposé majoritairement à l’extérieur » le fait que le dispositif de lavage peut être en partie souterrain, disposé en partie sous le niveau du sol, notamment pour limiter l’encombrement de l’espace urbain en « enterrant » par exemple les éléments périphériques au dispositif de lavage lui-même (instrumentation, ventilateurs, purge...) et même une partie de l’enceinte de lavage.

On peut traiter l’air qui se trouve au-dessus d’un axe routier à plusieurs voies, le dispositif de lavage peut alors être disposé dans une zone centrale dudit axe avec des amenées d’air à traiter latérales prélevant de l’air sur chacune des voies disposées de part et d’autre de ladite zone centrale.

On peut ainsi avec un seul dispositif de lavage traiter l’air pollué sur les deux voies de l’axe routier. Naturellement, on peut prévoir un seul dispositif, par exemple au niveau d’un carrefour ou d’une portion d’axe routier particulièrement chargée. On peut aussi en prévoir une série, espacée régulièrement, chaque dispositif traitant une portion de longueur de voie. On peut aussi placer les dispositifs de lavage sur un seul côté de l’axe routier, quand il ne présente qu’une voie de circulation par exemple, ou, au contraire, munir chaque côté de l’axe routier de dispositifs de lavage, quand il a plusieurs voies.

On peut aussi intégrer le dispositif de lavage à du mobilier urbain du type abribus, mais aussi à des façades d’immeuble ou d’autres édifices / équipements urbains, des bouches de métro ou des colonnes Morris dont il peut alors adopter la hauteur.

Le dispositif selon l’invention peut aussi être avantageusement utilisé pour traiter l’air extérieur dans des espaces partiellement clos, notamment des espaces publics comme des gares ferroviaires.

Selon un autre mode de réalisation, on traite l’air dans un dispositif de lavage majoritairement, notamment totalement, souterrain. Dans ce cas, on amène l’air à traiter dans ledit dispositif et on sort l’air traité dudit dispositif par des moyens de connexion fluidique vers et depuis le dispositif de lavage du type conduits au moins en partie souterrains. L’avantage de ce mode de réalisation est de limiter l’encombrement dans l’espace urbain, souvent contraint, des dispositifs de lavage. En outre, il y a parfois déjà des réseaux de conduites près ou sous les axes routiers/ des bouches d’aération, qui peuvent être exploités pour y faire passer les conduites d’amenée et de sortie d’air vers et depuis les dispositifs de lavage.

Avantageusement, on peut traiter l’air urbain extérieur par une pluralité de dispositifs de lavage partageant au moins une portion commune des moyens d’amenée d’air à traiter auxdits dispositifs et/ou des moyens de sorties d’air traité. On peut ainsi mutualiser une certaine partie au moins des conduites nécessaires pour acheminer l’air vers ou depuis les dispositifs pour un ensemble de dispositifs, en les regroupant par secteur, par axe routier... On peut aussi utiliser un système de commande commun.

Selon un exemple de réalisation, on peut prélever l’air à traiter dans une zone centrale d’un axe routier à plusieurs voies, et on l’amène dans des dispositifs de lavage disposés sur les côtés, ou au moins un des côtés, dudit axe.

Avantageusement, on peut piloter le traitement par un système de commande électronique/informatique permettant un pilotage manuel, automatique ou semi-automatique, à distance. Ainsi, le système de commande peut comprendre des moyens électroniques/informatiques connectés d’une part à un ou des moyens de mesure associés au dispositif de lavage, notamment un capteur de pH de l’effluent liquide par exemple, et à un ou des moyens de pilotage du procédé, notamment des moyens de pilotage d’ouverture/fermeture de vannes, et connectés d’autre part à une interface homme/machine. Le suivi du procédé peut donc se faire à distance, en limitant au maximum les opérations de maintenance nécessitant des interventions humaines.

On comprend par procédé de pilotage « semi-automatique » un procédé faisant intervenir des moyens électroniques/informatiques associés à des instrumentations de type capteur, tout en maintenant une surveillance /une intervention humaine.

Selon un mode de réalisation préféré, on fait circuler l’effluent liquide dans le dispositif de lavage en boucle fermée. On peut alors régénérer ou remplacer l’effluent liquide de façon continue ou par une purge périodique. On peut prévoir à proximité de l’enceinte où s’effectue le lavage un contenant d’effluent « neuf », destiné à remplacer progressivement ou d’un coup après purge complète l’effluent liquide « usé » une fois suffisamment chargé / saturé en particules solides ou en gaz polluants absorbés/convertis.

On peut également prévoir un contenant d’effluent « usé », destiné à récupérer tout ou partie de l’effluent usé, avec éventuellement un temps de décantation suffisant pour collecter plus facilement les particules en fond de contenant. Les espèces polluantes gazeuses éventuellement encore présentes dans cet effluent usé peuvent être traitées sur place ou ultérieurement, après vidage du contenant une fois plein, et récupération de la phase liquide. On prévoit toutes les connexions fluidiques appropriées (conduites équipés de vannes) pour assurer facilement la purge ou le remplissage de liquide depuis ou vers l’enceinte de lavage.

Comme mentionné plus haut, on parvient à augmenter le temps et la surface de contact entre l’air à traiter et l’effluent liquide en choisissant selon une première variante un écoulement gravitaire en munissant l’intérieur de l’enceinte du dispositif de lavage de garnissages (encore appelés « internes »), du type de ceux utilisés par exemple dans le domaine des colonnes de distillation. En maximisant ainsi ce contact, on améliore encore la mise en suspension des particules et la solubilisation des composés qu’on veut traiter dans la phase liquide comprenant l’agent actif destiné à les traiter. Cela peut permettre aussi de diminuer la taille de l’enceinte sans diminuer le temps de contact air/effluent liquide. L’écoulement gravitaire peut être réalisé par une multitude d’amenées d’eau en partie haute de l’enceinte du dispositif de lavage, qui créent une pluralité de de flux liquides s’écoulant de haut en bas et venant se briser sur les garnissages.

Selon une deuxième variante également mentionnée plus haut, on peut aussi utiliser une ou des rampes ou buses de pulvérisation, qui viennent pulvériser sous pression l’effluent liquide sous forme d’un ou plusieurs nuages de gouttelettes, cheminant de haut en bas de l’enceinte du dispositif de lavage sous l’effet de la gravité.

De la même façon, l’invention a également pour objet tout dispositif destiné à la mise en œuvre du procédé décrit plus haut. L’invention a également pour objet un dispositif de traitement d’air extérieur urbain afin de l’appauvrir en composés gazeux polluants, notamment en NOx, et en particules solides, et qui comprend un dispositif de lavage comprenant une enceinte, notamment d’orientation substantiellement verticale ou oblique, qui est munie d’une entrée d’effluent liquide, d’une sortie d’effluent liquide, et d’une entrée d’air à traiter et d’une sortie d’air traité, avec un écoulement, notamment par gravité de haut en bas, de l’effluent liquide soit sous forme d’un flux de gouttelettes soit par un écoulement gravitaire sur des garnissages et comprenant au moins un composé actif vis-à-vis du ou d’au moins un des composés gazeux polluants, de sorte que ledit effluent liquide au contact de l’air se charge en particules et agit sur ledit ou au moins un desdits composé gazeux par absorption, puis éventuellement conversion chimique, notamment du type oxydation ou réduction.

De préférence, le dispositif de lavage est équipé de moyens d’amenée d’air à traiter audit dispositif et de moyens de sortie d’air traité dudit dispositif, lesdits moyens d’entrée et éventuellement de sortie étant munis de moyens pneumatiques du type moyens de ventilation/surpresseurs forçant la circulation d’air à travers le dispositif de lavage.

Avantageusement, le dispositif de traitement comprend des moyens de solidarisation mécanique, amovibles ou non amovibles, à un élément d’environnement urbain, comme une chaussée routière, un trottoir, un mobilier urbain du type abribus, une façade d’immeuble, une bouche de métro, une colonne Morris.

Le dispositif de traitement selon l’invention peut regrouper une pluralité de dispositifs de lavage avec une portion commune au moins de moyens d’amenée d’air à traiter auxdits dispositifs de lavage et/ou de sortie d’air traité. On peut ainsi mutualiser des portions de conduites, des moyens pneumatiques, et faire fonctionner ces dispositifs de lavage en série ou en parallèle.

Quand le dispositif de lavage est disposé à l’extérieur, on prévoit de préférence au moins une entrée d’air à traiter en partie basse du dispositif, notamment au voisinage du niveau du sol, et une sortie d’air traité en partie haute du dispositif de lavage. On comprend par «au voisinage » le fait que l’entrée est au raz du sol, ou éventuellement légèrement au dessus - ou au dessous- du niveau du sol (si le dispositif est au moins partiellement enterré), avec des moyens d’amené additionels appropriés (conduites). On comprend « haute » et « basse », ou tout autre terme de positionnement spatial, en considérant le dispositif de lavage comme un dispositif d’orientation essentiellement verticale.

Quand le dispositif de lavage est majoritairement, notamment totalement, souterrain, il est muni d’amenée(s) en d’air à traiter dans ledit dispositif et de des moyens sortie d’air traité de connexion fluidique vers et depuis le dispositif de lavage, du type conduits, au moins en partie souterrains. On peut alors prélever l’air à traiter par des bouches d’aspiration affleurant le sol et connectées à des conduites appropriés, et le rejeter par des bouches de sortie également affleurant le sol ou le rejeter plus en hauteur, à hauteur d’homme par exemple, à l’aide de conduites extérieures.

On comprend par « majoritairement » le fait que le dispositif est souterrain sur au moins la moitié de sa hauteur. De préférence, il peut être souterrain sur au moins 80 ou 90% de sa hauteur.

Il est avantageux de prévoir ainsi d’implanter au moins partiellement le dispositif en sous terrain pour au moins deux raisons : pour des raisons esthétiques, le dispositif étant ainsi partiellement ou complètement dissimulé à la vue. En outre, pour des applications pour traiter de l’air à proximité de voies routières/voies de circulation, il est préférable, pour des raisons de sécurité, que le dispositif soit enterré, et ne constitue pas ainsi un éventuel obstacle quand un véhicule quitte sa voie accidentellement.

De préférence, l’intérieur de l’enceinte du dispositif de lavage est muni de garnissages quand l’écoulement de l’effluent se fait de façon gravitaire, sans pulvérisation sous pression. On parvient ainsi à augmenter le temps et la surface de contact entre l’air à traiter et l’effluent liquide en munissant l’intérieur de l’enceinte du dispositif de lavage de ces garnissages (encore appelés « internes »), du type de ceux utilisés par exemple dans le domaine des colonnes de distillation. En maximisant ainsi ce contact, on améliore encore la mise en suspension des particules et la solubilisation des composés qu’on veut traiter dans la phase liquide comprenant l’agent actif destiné à les traiter. Cela peut permettre aussi de diminuer la taille de l’enceinte sans diminuer le temps de contact air/effluent liquide.

Toujours dans l’optique d'améliorer l’efficacité du traitement, l’effluent liquide peut contenir un promoteur de solubilité des composés gazeux polluants. Il peut s’agir notamment, d’agents oxydants comme le peroxyde d’hydrogène, qui convertit au moins une partie des NO en N0 ₂ , qui, comme vu précédemment, se solubilisent mieux dans un effluent liquide que NO, ce qui, globalement, améliore l’extraction des NOx par l’effluent de lavage de l’invention.

Le dispositif de traitement est de préférence muni d’un système de commande électronique/informatique permettant un pilotage manuel, automatique ou semi-automatique, à distance, ledit système de commande comprenant notamment des moyens électroniques/informatiques connectés d’une part à un ou des moyens de mesure associés au dispositif de lavage, notamment un capteur de pH de l’effluent liquide, et au moins un moyen de pilotage du procédé, notamment des moyens de pilotage d’ouverture/fermeture de vannes et connectés d’autre part à une interface homme/machine. Tout où partie du système de commande peut être mutualisé pour centraliser le pilotage d’une pluralité de dispositifs de traitement.

Pour l’alimentation électrique du dispositif selon l’invention, notamment pour alimenter les moyens pneumatique (ventilation) pour la circulation forcée de l’air à traiter, les moyens de pompage et/ou de pulvérisation pour assurer la circulation de l’effluent liquide, on peut utiliser les réseaux électriques déjà présents, notamment pour alimenter des moyens d’éclairage ou de signalisation urbains.

Selon un mode de réalisation le plus simple, l’entrée d’effluent liquide et la sortie d’effluent liquide de l’enceinte sont en connexion fluidique l’une avec l’autre, l’effluent liquide circulant en boucle fermée. On vient donc injecter dans l’enceinte « par le haut » l’effluent liquide, qu’on collecte en bas de l’enceinte, et qui, via un système de conduites et de par exemple un moyen de pompage, est ensuite réinjecté en haut de l’enceinte.

Comme l’effluent liquide va alors progressivement se charger en particules solides et s’appauvrir en agent réactif, il est nécessaire de prévoir comment remplacer l’effluent « usé ». On peut munir le dispositif d’un moyen de purge de l’effluent liquide, et le purger complètement pour le remplacer par un effluent liquide « neuf » périodiquement, ou dès que des seuils suivis par des moyens d’instrumentation sont atteints (chute de pH, teneur en particules...). On peut aussi prévoir des moyens de prélèvement d’une partie de celui-ci, pour le remplacer périodiquement ou en continu.

On peut prévoir un contenant d’effluent « neuf » à proximité de l’enceinte de lavage, avec une connexion fluidique éventuelle entre le contenant et l’enceinte.

On peut aussi prévoir un contenant de rétention pour stocker temporairement de l’effluent liquide « usé » suite à une purge complète ou totale. On peut alors déterminer un temps de séjour de l’effluent « usé » dans ce contenant (bac) minimum avant vidage pour permettre aux particules solides de tomber par gravité au fond dudit contenant, ce qui peut en faciliter la collecte et l’évacuation de déchets solides séparément de la phase liquide surnageante.

On comprend donc par « effluent usé » un effluent chargé en particules/ en gaz polluant à un niveau tel qu’il devient utile/nécessaire de l’évacuer pour le remplacer. Ce niveau peut être défini en fonction du degré de saturation en particules / en gaz, l’effluent usé étant de préférence remplacé (un peu) avant d’atteindre ce degré de saturation pour préserver son efficacité. L’effluent « neuf » est à comprendre a contrario comme un effluent « frais » ou un effluent usé qui a été retraité/nettoyé et qui n’est dons pas/quasiment pas chargé en particules/gaz polluant.

De préférence, l’effluent liquide est une phase aqueuse, ce qui est le plus simple, le moins coûteux et le moins polluant des liquides. Il peut contenir au moins un agent actif comme un composé alcalin du type KOH et/ou un promoteur de solubilité du composé gazeux polluant, comme du peroxyde d’hydrogène.

L’invention a également pour objet tout mobilier urbain, qui intègre au moins un dispositif décrit précédemment, comme un abri bus, une bouche de métro, un parement de façade de bâtiment, une colonne Morris, un moyen de signalisation ou d’éclairage urbain... L’invention a aussi pour objet l’utilisation du procédé ou du dispositif décrits plus haut pour purifier l’air extérieur urbain ou périurbain.

Description détaillée

L’invention sera ci-après détaillée à l’aide d’exemples non limitatifs illustrés par les figures suivantes :

Figure 1 : une représentation d’un exemple de réalisation d’un dispositif de lavage selon l’invention en coupe verticale ;

Figure 2 : une représentation d’une utilisation du dispositif de lavage de la figure 1 pour traiter l’air d’un axe routier urbain ou périurbain selon une première variante, en coupe verticale transversalement à l’axe routier ;

Figure 3 : une représentation d’une utilisation du dispositif de lavage de la figure 1 pour traiter l’air d’un axe routier urbain ou périurbain selon une deuxième variante en coupe verticale transversalement à l’axe routier.

Toutes ces figures sont très schématiques, et les différents composants représentés ne sont pas nécessairement à l’échelle. Les références identiques d‘une figure à l’autre se rapportent à un composant identique. Les composants du dispositif de lavage représentés sont représentés dans leur positionnement en fonctionnement normal.

A l’aide de la figure 1 , on décrit tout d’abord le dispositif de lavage 1 selon l’invention seul, avant de voir ensuite son intégration pour traiter l’air d’espaces confinés de différents types. Le dispositif 1 ne sera décrit que par ses composants principaux. Il comprend une enceinte 2 sous forme d’une colonne destinée à être orientée substantiellement selon un axe vertical. Cette colonne a ici une section sensiblement circulaire, d’autres variantes pouvant prévoir des sections différentes, carrées, ovales, rectangulaires... L’enceinte est équipée en partie haute d’une rampe d’écoulement 3 connectée via une entrée 4 en partie haute dans l’enceinte à une boucle de circulation 5. On peut prévoir plusieurs rampes, ou des buses individuelles. Cette rampe envoie une pluralité de jets, sous forme d’une pluralité d’écoulements d’effluent liquide aqueux, répartis sur la section de l’enceinte, à la façon d’une douche qui, sous l’effet de la gravité, circule de haut en bas pour se briser sur des garnissages (non représentés, et qui restent optionnels) et former, en partie basse de l’enceinte, un certain niveau de liquide qui est ensuite évacué par une sortie 7 connectée à la conduite 5, de façon à permettre une recirculation en boucle fermée de l’effluent liquide. Une pompe 8 est prévue en partie basse de la conduite, pour remonter l’effluent liquide sortant par la sortie basse 7 jusqu’à l’entrée 4 en partie haute. Alternativement, au lieu de faire un simple écoulement gravitaire de l’effluent liquide, on peut procéder à une pulvérisation sous pression via des rampes/buses ad hoc, pour créer dans l’enceinte un ou plusieurs nuages de gouttelettes cheminant du haut vers le bas de l’enceinte, on n’a alors plus besoin de garnissages. On peut faire les réglages appropriés pour ajuster au mieux la vitesse des gouttelettes, et/ou modifier leur taille et/ou la trajectoire des gouttes ou du nuage de gouttes dans son ensemble.

L’enceinte est également pourvue d’une entrée 9 d’air à traiter en partie basse de l’enceinte et d’une sortie d’air 10 en partie haute de l’enceinte. Les entrées et sorties 9, 10 sont chacune reliées à des conduites.

L’air à traiter circule donc de bas en haut, à contrecourant de l’effluent liquide. La qualité du contact gaz-liquide (surface de contact, temps d’exposition) peut être améliorée si nécessaire en disposant à l’intérieur de l’enceinte 2 des structures spécifiques de ruissellement appelées garnissages (non représentés) ou « internes » dans le domaine des colonnes de distillation par exemple. Typiquement, on peut utiliser des garnissages structurés (aires géométriques allant de 100 à 750 m ² /m ³ ) ou vracs (aires géométriques allant de 70 à 300 m ² /m ³ ).

Pour réduire encore la perte de charge, on peut alternativement envisager de faire circuler l’air de haut en bas (on parle alors d’écoulements en co-courant). On peut aussi envisager de faire circuler l’air de manière latérale (on a alors des écoulements en courants croisés).

L’effluent liquide, le liquide de lavage donc, circule en continu, se charge progressivement en particules et se transforme chimiquement par l’absorption/conversion des composés gazeux polluants dont on cherche à diminuer la teneur dans l’air ainsi traité. Quand l’effluent liquide est trop chargé en particules ou qu’il n’absorbe plus les composés gazeux visés, il est vidangé et remplacé par une simple opération de pompage. Alternativement, on peut aussi prévoir un renouvellement continu par un système d’appoint/purge pour limiter le volume d’effluents à traiter. Le système pourra avantageusement être équipe d’analyseurs en ligne permettant le suivi et la maintenance préventive de l’installation, par exemple par contrôle du pH.

L’effluent liquide est par exemple une phase aqueuse contenant du KOH (ou du NaOH) pour assurer un pH basique neutralisant le HN0 ₃ issu de la solubilisation du N0 ₂ pour former un nitrate. On peut y ajouter du peroxyde d’hydrogène pour oxyder le HN0 ₂ issu de la solubilisation du NO, ce qui augmente la solubilité de NO par déplacement d’équilibre. A noter qu’une solution à pH basique permet aussi d’absorber d’autres composés gazeux polluants ou à tout le moins non désirés dont C0 ₂ , S0 ₂ , H ₂ S. Les mécanismes en solution aqueuse d’absorption des NOx dans de l’eau en présence de H ₂ 0 ₂ et de NaOH sont notamment expliqués dans Les techniques de l’Ingénieur, G1805 V1 - NO (oxydes d’azote).

Pour donner des ordres de grandeur dimensionnels, l’enceinte 2 peut présenter une section de passage comprise entre 1 et 170 m ² , par exemple de 90 m ² , ce qui correspond à une surface carrée de 13 m x 13 m, et une hauteur comprise entre 2 et 30 m. par exemple de 10 m pour les enceintes les plus grandes. On peut aussi, notamment dans un contexte urbain encombré, préférer des enceintes de plus petites dimensions, par exemple sous forme d’une colonne de section circulaire de diamètre de 1 m et de hauteur de 2 à 4 m.

Pour donner des ordres de grandeur de paramètres de procédé, on peut prendre l’exemple d’un flux d’air à traiter présentant un débit de 55 m ³ /s. L’air est à 20°C et la pression est la pression ambiante (1 bar). Pour absorber la quasi-totalité des N0 ₂ et des particules, on prévoit un débit d’effluent liquide tel que le taux d’arrosage soit au moins aux environs de 60 m ³ /m ² /h. Le taux d’arrosage est défini comme le débit de liquide divisé par la section de la colonne de lavage.

Pour des garnissages vracs standards (« Pâli Rings » 100-300 m ² /m ³ ) il convient de se limiter de préférence à des vitesses de l’ordre de 0,6 m/s, soit une section de 92 m ² environ (typiquement un carré de 10 m de côté environ). La hauteur de garnissage est de 10 m pour assurer une réduction de 70% de la teneur en N0 ₂ de l’air. Le débit minimum de KOH est de 1 ,54 m ³ /s pour assurer un bon mouillage de la structure.

Avec un garnissage structuré standard (100-300 m ² /m ³ ) on peut réduire la section à environ 40-50 m ² soit un carré de 6-7 m. La hauteur reste comparable. Pour conserver un taux de mouillage pertinent, le débit d’effluent liquide de l’ordre de 0,5 m ³ /s.

Il est à noter que les garnissages peuvent n’occuper qu’une partie de la hauteur de l’enceinte, et que, alternativement, l’enceinte de lavage peut également fonctionner sans garnissages.

Le dispositif 1 est également muni d’instrumentations, notamment d’un capteur de pH de l’effluent liquide, pour mesurer l’évolution de sa concentration en KOH. Le bon fonctionnement de la pompe 8 et de la rampe 3 peuvent être surveillés, on peut prévoir des caméras, et les vannes équipant le dispositif, notamment la vanne de purge non représentée (associée à un éventuel bac de rétention), peuvent être pilotées. Un système de contrôle commande vient piloter et surveiller le dispositif et afficher les informations pertinentes (alarmes, suivi des mesures par les instruments, image vidéo...) sur une interface homme machine IHM déportée. Les connexions entre les instrumentations, les éléments pilotables, l’unité de contrôle et IΊHM sont réalisées de manière connue, par exemple par un réseau local internet, à l’aide de fibres optiques, de connecteurs modulaires pour connexion Ethernet type RJ45 (avec éventuel ajout d’un commutateur/LAN au plus près du dispositif de lavage 1 ).

Les moyens d’aspiration pour amener l’air à traiter dans le dispositif de lavage sont des ventilateurs avec une vitesse de flux d’air de préférence d’au plus 5 m/s, notamment d’au plus 1 m/s, ce qui est suffisant et permet de limiter toute nuisance sonore à proximité des dispositifs.

La figure 2 représente l’application du dispositif de lavage de la figure 1 selon une première variante pour améliorer la qualité de l’air extérieur au voisinage d’une route 20 à deux voies de circulation : un dispositif de lavage 1 sous forme d’une colonne d’orientation verticale est installée à l’extérieur, dans la partie centrale de la route. La colonne est munie en partie basse d’entrées d’air 21 ,22 orientées vers chacune des deux voies., avec un moyen d’aspiration commun en partie basse de la colonne et non représenté, du type ventilateur. On peut aussi prévoir autant de ventilateurs que d’amenées d’air. On peut aussi prévoir que des conduites extérieures prolongent ces amenées d’air 12,22. L’air une fois entré en partie basse de la colonne de lavage remonte à contrecourant du rideau d’effluent liquide, puis ressort en partie haute de la colonne par une sortie 23, les flèches sur la figure indiquant le sens d’écoulement global de l’air dans et hors de la colonne de lavage. La colonne peut être fixée par tout moyen mécanique à la route. Tous ses « périphériques », comme les éventuels contenants de liquide neuf ou usé etc. ... peuvent être disposés sous le niveau de la route.

On peut répartir ainsi toute une série de colonnes de lavage au long de la route, à des intervalles réguliers ou en ajustant le nombre au niveau de pollution habituel. On peut aussi disposer ce type de colonne au milieu ou au bord d’un carrefour.

Si la route ne présente qu’une seule voie de circulation par exemple, on peut disposer la série de colonnes que d’un côté de la route, avec une seule amenée d’air latérale tournée vers la voie de circulation.

La colonne peut être sur la chaussée ou sur un trottoir.

On peut piloter chaque colonne (dispositif de lavage) ou l’ensemble des colonnes d’un secteur par un système de commande centralisé, qui peut faire marcher en on/off ou de façon plus ou moins importante chacune des colonnes en fonction de la qualité de l’air estimée ou mesurée, par exemple en liaison avec des systèmes de mesure en temps réel ou de prévision des pics de pollution et/ou en liaison avec des mesures de pollution faites directement sur le dispositif ou à proximité de celui-ci.

La figure 3 représente l’application du dispositif de lavage de la figure pour traiter l’air au-dessus de la même route 20 qu’à la figure 2. Cette fois, on choisit une aspiration de l’air à traiter en partie centrale de la route entre les deux voies de circulation, avec une bouche d’aspiration affleurant à la surface de la voie et débouchant dans une conduite 30 ici verticale souterraine , elle-même en connexion avec deux conduites 31 ,32, ici horizontales et souterraines également et amenant chacune une portion de l’air aspiré via la conduite 30 en entrée de deux colonnes de lavage souterraines 1 disposées sous les bords opposés de la route 20. L’air entre dans les colonnes en partie basse, en ressortent en partie haute via des conduites 33,34 venant rejeter l’air à proximité du niveau du sol par des bouches de sortie prévues dans la chaussée ou sur les trottoirs de la même manière que les bouches d’aspiration.

Les bouches d’aspiration et de sortie d’air sont de préférence munies de moyens de rétention/filtration de solides du type grilles ou autres, pour éviter que des déchets divers provenant de la chaussée ne s’accumulent dans les conduites.

On peut aussi prévoir des moyens pour séparer les eaux pluviales de l’air aspiré à traiter.

Des moyens de ventilation sont prévus soit dans la conduite commune 30, soit dans chacune des conduites 31 ,32 soit dans l’ensemble de ces trois conduites.

On peut prévoir que les conduites 33,34 rejettent l’air traité plus haut, par exemple à 1 mètre ou 1 m 50 ou 2 mètres.

Ici, on vient donc mutualiser une partie des conduites, ici la conduite 30, et éventuellement aussi tout ou partie des moyens pneumatiques pour forcer l’aspiration et la circulation d’air. L’avantage ici est que le dispositif de traitement est quasi invisible pour les passants, et n’encombre pas l’espace routier/urbain. Par contre, cette variante oblige à « enterrer » les dispositifs, mais il est parfois possible de réutiliser des conduites et des espaces souterrains préexistants. Ici, on utilise deux fois plus de colonnes de lavage que dans la variante précédente, ce qui permet soit de traiter plus d’air, soit de traiter la même quantité d’air avec des colonnes de taille plus réduite, par exemple. Les colonnes de lavage peuvent être mises en série ou en parallèle, que ce soit sur le circuit d’air à traiter ou le circuit d’effluent liquide.

Naturellement, on peut aussi avoir des dispositifs de traitement « souterrains » que d’un côté de la rue. On peut aussi avoir des dispositifs souterrains avec une aspiration d’air par des bouches d’aspiration dans la chaussée ou le trottoir à traiter à proximité de la colonne de lavage, ce qui peut s’avérer plus simple notamment quand la route est étroite, on diminue ainsi la longueur des conduites nécessaires.

En conclusion, le dispositif de lavage de l’invention est peu coûteux en énergie ou en installation, il s’adapte bien au traitement de l’air extérieur urbain, il est flexible de mise en oeuvre, puisqu’on peut choisir son dimensionnement, son mode de fonctionnement, la répartition la plus appropriée d’une pluralité de dispositifs éventuellement à commande centralisée. Il s’adapte aussi à l’espace urbain, puisqu’il peut s’intégrer dans du mobilier urbain existant, s’enterrer ... Il permet de traiter à la fois la pollution sous forme particulaire et sous forme gazeuse en une seule opération, en fonctionnant avec une phase aqueuse, ce qui le rend particulièrement adapté à une utilisation urbaine.