Modélisation du procédé et caractérisation des boues d’un électrocoagulation pour l’élimination des émulsions huile-dans-eau et du calcium des eaux usées de raffinerie

Pourquoi le nettoyage de l’eau de raffinerie est important

Les raffineries modernes transforment le pétrole brut en carburants et lubrifiants dont nous dépendons quotidiennement, mais elles produisent aussi d’importantes quantités d’eaux chargées de gouttelettes d’huile et de minéraux dissous comme le calcium. Si ces eaux ne sont pas correctement traitées, elles peuvent encrasser les équipements, gaspiller des ressources hydriques précieuses et polluer rivières et mers. Cette étude explore une méthode de traitement électrique prometteuse capable d’attaquer simultanément deux problèmes majeurs — pollution huileuse et minéraux responsables de la dureté — tout en maintenant l’énergie et les coûts sous contrôle.

Une méthode électrique pour piéger les impuretés dans l’eau

Les chercheurs se sont intéressés à un procédé appelé électrocoagulation, où des plaques métalliques dans un réacteur sont reliées à une alimentation en courant continu. Quand l’électricité traverse l’eau, de petites quantités d’aluminium se dissolvent d’une plaque et réagissent avec l’eau pour former des particules duveteuses et adhésives. Ces particules peuvent s’accrocher aux gouttelettes d’huile et au calcium dissous, les agglomérant en particules plus grosses qui flottent en surface sous forme d’écume ou qui coulent sous forme de boues. Contrairement au traitement chimique traditionnel, cette méthode génère ses « agents de nettoyage » à partir des plaques métalliques, réduisant le besoin d’ajouter des réactifs externes.

Concevoir la meilleure recette pour une eau plus propre

Les performances de nettoyage dépendent de nombreux réglages : la durée d’application du courant, son intensité, la salinité de l’eau, son acidité ou alcalinité, et les teneurs en huile et en calcium. Plutôt que d’utiliser l’essai-erreur, l’équipe a employé une approche statistique structurée pour explorer cet espace multidimensionnel. Ils ont préparé des eaux usées de raffinerie synthétiques avec des quantités contrôlées d’huile de lubrification et de sels de calcium, puis ont varié systématiquement six conditions clés : durée du traitement, pH, densité de courant, taux de sel (chlorure de sodium) et concentrations initiales d’huile et de calcium. Un logiciel spécialisé les a aidés à planifier 84 expériences et à ajuster des modèles mathématiques reliant ces entrées à l’élimination de l’huile et du calcium, ainsi qu’à la consommation d’énergie et au coût d’exploitation.

Ce que les expériences et les modèles ont révélé

L’analyse a montré que la durée du traitement était le facteur unique le plus important pour éliminer à la fois l’huile et le calcium : plus de temps donnait généralement aux flocs à base d’aluminium plus d’occasion de se former et de capturer les polluants. La densité de courant et le niveau de sel jouaient aussi des rôles importants, mais de manière plus complexe. Un courant plus élevé aidait après un temps suffisant, améliorant l’élimination en générant davantage de flocs et de bulles de gaz, mais à court terme il pouvait perturber la formation des flocs. Des quantités modérées de calcium et de sel amélioraient la conductivité électrique, mais un excès conduisait à la formation de couches minérales dures sur les électrodes et à des réactions secondaires indésirables qui gaspillaient de l’aluminium et réduisaient l’efficacité. Le pH de l’eau importait également : des conditions légèrement alcalines autour de pH 9 favorisaient la formation d’espèces d’aluminium particulièrement efficaces pour rompre les émulsions d’huile et complexer le calcium.

Trouver un compromis entre performance et coût

En combinant les données expérimentales avec une modélisation par surface de réponse, l’équipe a identifié un ensemble de conditions opératoires optimisant conjointement l’élimination de l’huile, celle du calcium et le coût. Dans ces conditions — pH 9, une densité de courant modérée à élevée, des niveaux initiaux d’huile et de calcium spécifiques, un apport de sel modéré et un temps de traitement d’environ une heure et demie — le système a éliminé plus de 91 % de l’huile et près de 73 % du calcium. Parallèlement, il a consommé environ 12 kilowattheures d’électricité par mètre cube d’eau et atteint un coût d’exploitation total d’environ 0,21 dollar US par mètre cube, inférieur à certaines études antérieures sur l’électrocoagulation. Des simulations informatiques avec le logiciel COMSOL ont confirmé que, dans ces conditions, le champ électrique à l’intérieur du réacteur cylindrique est distribué de façon plus uniforme, favorisant des réactions efficaces sur l’ensemble du volume d’eau.

Que devient la matière capturée

Après traitement, les polluants piégés se présentent sous forme d’un mélange de boue et d’écume flottante. Les auteurs ont analysé ce matériau par spectroscopie infrarouge, analyse élémentaire par EDX et microscopie électronique. Ils ont trouvé qu’il contenait des structures d’hydroxyde d’aluminium ainsi que du carbone d’origine huileuse et des sels de calcium et de sodium, formant des particules poreuses et irrégulières à grande surface spécifique. Ces caractéristiques suggèrent que la boue pourrait être réutilisée plutôt que simplement éliminée — par exemple comme amendement pour sols où sa teneur minérale pourrait améliorer les propriétés du sol, ou comme source d’aluminium susceptible d’être récupérée et recyclée en nouveaux produits de traitement.

Une eau plus propre grâce à un système plus simple

Globalement, l’étude montre qu’un réacteur d’électrocoagulation relativement simple, alimenté par des courants électriques modestes et utilisant des électrodes en aluminium facilement disponibles, peut simultanément éliminer les huiles émulsifiées et le calcium des eaux usées de raffinerie à un coût compétitif. En ajustant soigneusement les conditions opératoires et en étayant les expériences par une modélisation statistique et une simulation numérique, les auteurs démontrent que cette technologie peut transformer des eaux industrielles fortement contaminées en un flux beaucoup plus propre, tout en produisant une boue gérable qui pourrait même avoir des usages secondaires. Pour les collectivités et les industries confrontées à la rareté de l’eau et à des limites strictes de rejet, un tel traitement électrique optimisé offre une voie pratique vers une réutilisation de l’eau plus sûre et plus durable.

Citation: Mohamed, Y.E., El-Gayar, D.A., Amin, N.K. et al. Process modeling and sludge characterization of electrocoagulation for the removal of oil-in-water emulsions and calcium from petroleum refinery wastewater. Sci Rep 16, 7954 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37854-8

Mots-clés: eaux usées de raffinerie pétrolière, électrocoagulation, émulsion huile-dans-eau, élimination de la dureté de l’eau, optimisation du traitement des eaux usées