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Oxyde de titane : la tornade blanche

Christian Guyard

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Salissures de surface, polluants atmosphériques... rien ne résiste à l'effet photocatalytique induit par le dioxyde de titane. Les applications explosent.

Le dioxyde de titane (TiO2) est à la mode. Les propriétés nettoyantes de ce matériau, dues à l'effet photocatalytique, sont mises en oeuvre à tout propos pour épurer l'air ou rendre les surfaces autonettoyantes. Apparaissent ainsi des produits exotiques dont on aimerait bien quantifier l'effet réel : carrelages recouverts de dioxyde de titane, lampe basse consommation contre les mauvaises odeurs et même... brosse à dents pour une bouche sans carie ni odeur. Des propriétés quasi magiques puisqu'il suffirait que l'objet "titanisé" soit éclairé pour faire son oeuvre.

Tout cela n'est pas bien sérieux. Les propriétés photocatalytiques du TiO2 existent bel et bien. Elles sont remarquables. Mais elles ne se manifestent que dans un contexte bien défini. Pour détruire salissures et autres polluants, encore faut-il qu'ils atteignent la surface contenant le dioxyde de titane. Et que celui-ci soit suffisamment éclairé pour créer en quantité suffisante les radicaux qui détruiront les polluants. Bref, si le phénomène physico-chimique est réel, tout l'art est dans sa mise en oeuvre pour un objectif qui doit être bien défini par le futur utilisateur.

Cela explique sans doute pourquoi « les applications commerciales se développent dans l'ordre inverse de celui que l'on envisageait, comme le souligne Pierre Pichat de l'École centrale de Lyon, l'un des spécialistes mondiaux du sujet. Les recherches ont été intenses dans les années 1970 ; on a d'abord pensé à l'eau potable, puis à l'épuration de l'air, seulement ensuite à des surfaces autonettoyantes. Or, les vitrages autonettoyants sont en vente depuis 2002, et l'épuration d'air et d'eau commence seulement. »

Établir l'équilibre entre polluant et éclairage

Les paramètres à prendre en compte sont simples. La quantité de "polluants" visés et la vitesse d'élimination envisagée déterminent la surface de contact. L'éclairage doit être suffisant (soleil ou lampes UV) ; il doit exister un moyen d'apporter les "polluants" au bon endroit. Il faut aussi intégrer des aléas : la salissure a peut-être des compagnons qui ne sont pas touchés par le phénomène (sables, minéraux...), ou il peut se produire une arrivée momentanément trop importante qui "étouffe" l'effet photocatalytique et dépasse les capacités. Pour que le dioxyde de titane exprime ses vertus photocatalytiques, il faut donc penser "système". Sinon, l'échec est garanti ou "l'arnaque" évidente.

Sachant cela, trois secteurs d'applications démarrent fort : le BTP, les atmosphères confinées, la dépollution des eaux.

Dans le BTP, le vitrage est l'application reine. Pilkington a lancé en 2002 son vitrage autonettoyant (Activ), ainsi que PPG, suivi par Saint-Gobain (Bioclean). Dans les trois cas, une couche d'oxyde de titane de 50 à 100 nm est responsable de l'effet photocatalytique qui va dégrader les salissures organiques. Avantage supplémentaire, la surface devient très hydrophile ce qui facilite l'étalement et l'écoulement de l'eau qui entraîne au passage les salissures non attaquées. S'il ne pleut pas pendant longtemps, il faudra peut-être arroser pour avoir une vitre claire, mais l'effet est prouvé et les références se multiplient.

Pourquoi le béton ne profiterait-il pas de ce progrès ? Italcementi (Calcia en France) et Millenium, deuxième producteur mondial de dioxyde de titane, s'y emploient. Quelques références existent (Cité de la musique de Chambéry) réalisées pour la fonction d'autonettoyage.

Dépollution de l'air en milieu urbain

On vise aussi la possibilité de dépolluer l'air urbain. C'est l'objet du programme européen Picada dont le coordinateur est GTM Construction. Un projet coïnitié par Robert Copé, du CSTB, et GTM (associés à Italcementi, Millenium et plusieurs centres de recherche) à la vue des développements entrepris notamment au Japon.

« Il s'agit d'évaluer réellement les effets antipollution dans un contexte de rue canyon, là où les polluants gazeux s'accumulent, et de mettre au point des formulations (bétons, enduits), des méthodes d'application et d'évaluer des coûts et le bénéfice retiré », explique Christophe Gobin coordinateur R&D de GTM Construction.

Le projet, démarré en 2002, durera quatre ans. La partie la plus difficile sera la mise en évidence effective d'une dépollution de l'air en espace libre.

De son côté, Sysa, filiale d'Eurovia, se lance dès cette année dans ce créneau avec des murs antibruit dotés d'une couche superficielle contenant du dioxyde de titane pour détruire les polluants locaux NOx, hydrocarbures... Emmanuel Toulan, responsable du produit, annonce plusieurs négociations en cours et espère une réalisation en 2004 : « Il faut des situations comme des sorties de tunnels ou des tranchées, pour qu'une fraction significative des polluants touche effectivement les parois comme le montrent des études japonaises. Les murs doivent être exposés à la lumière et nettoyés pour que l'oxyde de titane reste exposé au rayonnement. » Le surcoût dépollution serait de l'ordre de 5 à 10 % sur le prix du chantier.

Épuration de l'eau

L'air intérieur est le second domaine où se déploie une forte activité. Le papetier finlandais Ahlstrom travaille depuis dix ans sur le sujet. Joseph Dussaud, responsable de la recherche stratégique et du développement, raconte : « Pierre Pichat m'a demandé un jour si nous savions fixer du dioxyde de titane sur du papier sans trop diminuer l'efficacité de la photocatalyse. Après quelques années de recherche, une solution, brevetée en 1997, s'applique à tous les types de fibres. Une chance s'est présentée, le programme Predit concernant l'épuration de l'air dans un habitacle de voiture (Valeo) voire les couloirs du métro (RATP). Ce programme a été un tremplin pour nous. Nous avons développé différents produits disponibles de manière industrielle. »

Le papier est le support le moins cher (facteur 100 à 1 000 sur la céramique). Trois références commerciales existent, coûtant 10 à 80 euros/m2, certaines incluant du charbon actif pour encaisser des bouffées de polluants qui sont ensuite détruits lors de la désorption.

Ce principe est mis en oeuvre dans le système d'épuration d'air de Valeo pour l'automobile. On le retrouve aussi dans le Vineo, un appareil développé par Ciat pour détruire les chloroanisoles parfois présents dans l'air des caves à vin et qui provoquent des goûts et des odeurs de bouchon et de moisi au vin. Plusieurs dizaines de caves ont été équipées en quelques mois avec satisfaction.

L'épuration d'eau se conçoit, elle, au niveau d'effluents peu chargés en polluants difficiles à détruire et sur des débits faibles, entre le litre par heure et quelques mètres cubes par heure. La viticulture démarre ainsi que la dépollution de nappes : Sita Remediation a développé pour son propre besoin un système de surface (pompage des effluents) et un autre pour barrière réactive (dans le sous-sol). Un chantier est en cours en Alsace.

Toutes ces applications, de même que celles envisagées en médecine et pour des salles blanches, assurent un développement rapide de l'usage du dioxyde de titane. Pas besoin de produits exotiques comme ceux mentionnés plus haut.

TiO2

Le dioxyde de titane est un minéral blanc, abondant, non toxique, utilisé à raison de 4 Mt/an pour ses propriétés opacifiantes et de blancheur dans les papiers, la peinture, les plastiques... du fait de son indice de réfraction élevé. Ses propriétés photocatalytiques ont été découvertes au xxe siècle.

COMMENT ÇA MARCHE

Le processus de nettoyage/dépollution est le résultat de l'effet photocatalytique. Lorsqu'un photon d'énergie suffisante (UV) frappe le cristal de TiO2 (semi-conducteur), il se crée une paire électron-trou qui donne naissance à un système oxydo-réducteur. Captés en particulier par l'eau et l'oxygène de l'air, l'électron et le trou vont créer des radicaux libres très réactifs. Ces radicaux attaquent les molécules organiques (polluants et salissures) au contact et ceci jusqu'à minéralisation complète, c'est-à-dire la production de gaz carbonique et d'eau pour la matière organique, d'ions nitrate pour les NOx, etc. Les micro-organismes et virus sont également détruits par la photocatalyse. Pour que l'effet photocatalytique soit efficace, il faut que la production de radicaux libres soit supérieure à leur consommation, sinon... la saleté triomphe.

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