Approvisionnement durable en matières premières : le nouveau procédé FlashPhos convertit les boues d'épuration en phosphore à usage industriel
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Éliminer les déchets des stations d'épuration tout en récupérant le phosphore blanc : Le nouveau procédé thermochimique FlashPhos en est la preuve. Il s'agit actuellement de la seule technologie en Europe capable de produire cette matière première essentielle à l'usage industriel de manière écologique, efficace et rentable. Un consortium européen, coordonné par l'université de Stuttgart, a développé et étudié cette technologie.
Une matière première essentielle
Le phosphore blanc (P₄) est une matière première indispensable pour les industries chimique, pharmaceutique, alimentaire et électronique. "Notre objectif est d'assurer un approvisionnement durable en matières premières économiquement importantes qui sont difficiles d'accès et de plus en plus rares", explique le professeur Markus Reinmöller, directeur de l'Institut pour l'ingénierie des processus énergétiques et la dynamique des systèmes énergétiques (IED) de l'université de Stuttgart. "Cela n'est possible que si nous produisons ces matières premières essentielles dans le cadre d'une économie circulaire, comme le démontre le procédé FlashPhos." Alors que les méthodes conventionnelles récupèrent le phosphore des boues d'épuration pour l'utiliser dans les engrais, FlashPhos produit du P₄ comme matière première pour un large éventail d'applications industrielles, notamment les batteries de voiture, les retardateurs de flamme, les catalyseurs et la fabrication de puces. Actuellement, seuls quatre pays produisent du phosphore blanc, ce qui rend l'Europe fortement dépendante des importations.
Fermer les boucles de ressources grâce au traitement des boues d'épuration
Les gisements de phosphate économiquement viables sont inégalement répartis dans le monde. À l'exception de quelques petits gisements en Finlande, il n'existe actuellement aucun gisement exploitable en Europe, et même les gisements bien connus en Norvège sont difficiles à exploiter. Depuis la fermeture du dernier four produisant du P4 en 2012, l'Union européenne (UE) dépend entièrement des importations. Compte tenu de son importance économique, de sa dépendance à l'égard des importations et de sa disponibilité limitée, l'UE classe le phosphore blanc parmi les matières premières critiques. Dans le même temps, les boues d'épuration riches en phosphore issues du traitement des eaux usées posent des problèmes croissants en matière d'environnement et d'élimination. C'est pourquoi la récupération du phosphore à partir des boues d'épuration deviendra obligatoire en Allemagne à partir de 2029.
À l'avenir, les usines FlashPhos devraient permettre une élimination des boues d'épuration respectueuse de l'environnement tout en récupérant des matières précieuses. Outre le phosphore blanc, le processus permet d'obtenir d'autres produits utiles qui peuvent remplacer les matières premières à forte intensité de CO₂. "Cela réduit la dépendance à l'égard des importations et renforce l'économie circulaire", explique Christian Schmidberger, chercheur à l'IED et coordinateur de FlashPhos.
Un processus innovant en trois étapes
Le procédé FlashPhos comprend trois étapes destinées à séparer et à récupérer le phosphore des boues d'épuration. Tout d'abord, les boues d'épuration humides sont traitées dans un "broyeur sécheur" nouvellement mis au point, qui produit une poudre fine, presque exempte d'eau. Au cours de la deuxième étape, cette poudre est transformée en quelques millisecondes dans le "réacteur flash" en un gaz combustible et en scories contenant du phosphate. Ce processus se déroule à des températures de 1 600°C. L'énergie nécessaire au processus provient des composants organiques (contenant du carbone) des boues d'épuration elles-mêmes. Lors de la dernière étape du processus, les scories contenant du phosphate sont traitées à haute température dans ce que l'on appelle un "raffineur", ce qui permet de produire du phosphore blanc élémentaire. Les autres produits comprennent un substitut de ciment respectueux du climat, un alliage de fer et un concentré de métaux lourds convenant à un traitement ultérieur dans l'industrie métallurgique. Les gaz et la chaleur résiduelle produits au cours de ces étapes peuvent être réutilisés dans d'autres processus industriels, ce qui réduit les besoins en combustibles fossiles.
Mise à l'échelle pour la production industrielle
Le "broyeur sécheur", mis au point par le partenaire du projet Buss-SMS-Canzler GmbH (SMS), a été testé et optimisé à l'Institut de génie sanitaire, de qualité de l'eau et de gestion des déchets solides (ISWA) de l'université de Stuttgart. Les démonstrateurs de réacteur flash et de raffineur ont été développés conjointement par plusieurs partenaires du projet et assemblés dans les installations d'Aufbereitung, Recycling und Prüftechnik GmbH (ARP) à Leoben, en Autriche. L'installation pilote traite jusqu'à 250 kilogrammes de poudre de boue d'épuration par heure.
La prochaine étape consistera à construire la première installation de production à grande échelle. Les partenaires industriels impliqués dans FlashPhos ont pour objectif de lancer la production industrielle de phosphore blanc d'ici 2028. La disponibilité des boues d'épuration reste un défi à relever. Seules quelques régions densément peuplées disposent de quantités suffisantes de boues d'épuration. "Des zones métropolitaines telles que la région de la Ruhr, Barcelone, Madrid ou Milan seraient particulièrement adaptées", explique M. Schmidberger. D'ici 2050, les usines FlashPhos pourraient couvrir jusqu'à la moitié de la demande en P₄ de l'Europe. Pour l'avenir, l'équipe de recherche explore déjà d'autres applications : "Notre vision à long terme à l'IED est de récupérer d'autres matières premières essentielles à partir des flux de déchets."
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