Nature de la synergie plasma-photocatalyseur pour la destruction d’un composé organique volatil type : l’acétylène.

Accueil || Parcours || Recherche || S'enregistrer || Mon Compte || Contacts || Aide || Langues

Guaitella, Olivier (2006) Nature de la synergie plasma-photocatalyseur pour la destruction d’un composé organique volatil type : l’acétylène. Doctorat LPTP, EP - LPTP Laboratoire de Physique et Technologie des Plasmas, EP/X p.296.

Autres Localisations: http://www.imprimerie.polytechnique.fr/Theses/Files/Guaitella.pdf

Résumé

Les procédés de couplage d’un plasma à pression atmosphérique et d’un catalyseur
représentent une solution prometteuse pour la dépollution atmosphérique, ou
plus spécifiquement pour le traitement des Composés Organiques Volatils. En
particulier, le faible coût énergétique de cette technique la rend très intéressante
pour les petites concentrations (traitement d’odeurs), difficiles à traiter avec les
techniques habituelles.
Parmi les catalyseurs qui peuvent être employés, le TiO2 (photocatalyseur) est
avantageux pour son faible coût, sa non toxicité, et surtout son excellente
sélectivité en CO2. Le couplage avec un plasma pourrait améliorer la vitesse de
traitement qui est très lente en photocatalyse seule.
La synergie plasma/TiO2 est étudiée depuis 2000 seulement. Le but de ce travail
est d’identifier les mécanismes responsables de cette synergie en séparant les
contributions de la décharge, de la porosité et de l’activité photocatalytique du
TiO2. Pour y parvenir, une approche originale à été utilisée en étudiant à la fois
une décharge à pression atmosphérique (DBD) et une décharge à basse pression
(DC pulsée) autorisant l’utilisation de diagnostics lasers infra-rouge pour
effectuer des mesures in situ résolues en temps.

Table des Matières

Introduction générale 1
Chapitre I : Introduction, état de l’art et objectifs 5
1. Introduction 5
2. Le contexte environnemental 6
2.1 Qu’est-ce que la pollution atmosphérique ?6
2.2 La règlementation 7
2.3 Qu’est-ce qu’un COV ? 8
3. comment réduire les émissions de COV ? 9
3.1 Les procédés de DeCOV 9
3.2 Intérêts et contraintes des plasmas froids 10
3.3 les sources de plasmas froids envisagées pour la dépollution de l’air 11
4. Physico-chimie d’une DBD 18
4.1 La DBD, un plasma filamentaire 18
4.2 Townsend mis en défaut 19
4.3 De l’avalanche au « streamer » 21
4.4 Effets d’une barrière diélectrique sur les filaments 26
4.5 Le filament : un mini réacteur chimique 29
5. Le couplage DBD/catalyseur 33
5.1 Les réacteurs de couplage 33
5.2 Nature des catalyseurs et apport du couplage 34
5.3 Les COV dégradés dans des réacteurs de couplage 35
5.4 Mécanismes de la synergie plasma/catalyseur 36
6. Le couplage DBD/photocatalyseur 38
6.1 Les photocatalyseurs, le TiO2 38
6.2 Dépollution par plasma/TiO2 43
7. bilan sur l’association plasma/TiO2 et objectifs 46
7.1 Les certitudes 46
7.2 Pertinence des comparaisons avec et sans catalyseur 47
7.3 L’approche adoptée 48
7.4 Intérêt d’une décharge DC pulsée à basse pression 50
Chapitre II : Dispositifs expérimentaux 53
1. Introduction 53
2. dispositif expérimental de la DBD 54
2.1 Géométrie retenue 54
2.2 Descriptif du réacteur 54
2.3 Circuit de gaz 57
2.4 Le COV : L’acétylène (C2H2) 57
2.5 Le photocatalyseur : TiO2 59
2.6 Circuit électrique et diagnostics électriques 61
2.6.1 Circuit de la DBD 61
2.6.2 Dimensionnement de la sonde de courant 62
2.6.3 Comparaison du shunt inductif et de l’anneau de Rogowsky 64
2.7 Diagnostics chimiques 65
3. dispositif expérimental de la décharge DC pulsée (basse pression) 75
3.1 Le réacteur et le circuit de gaz 75
3.2 Spécificités du montage : le volume tampon, les lampes UV 76
3.3 Le circuit électrique 78
3.4 Spectroscopie d’absorption IR : le laser à diodes à sel de plomb 81
3.5 Spectroscopie d’émission : méthode d’actinométrie 91
Chapitre III : Influence du TiO2 sur la DBD 97
1. Introduction 97
2. Influence du plasma sur le TiO2 98
2.1 Modification du matériau après irradiation plasma 98
2.2 Effet du champ électrique appliqué sur le TiO2 100
2.3 Spectre d’émission de la DBD/spectre d’absorption du TiO2 103
3. Influence du TiO2 sur la décharge 105
3.1 Position du problème 105
3.2 Mesure de l’énergie injectée : méthode de Manley 106
3.3 Caractérisation électrique globale de la DBD : mesure de l’énergie injectée 111
3.4 Caractérisation des filaments de plasma : maxima et fonction de distribution en amplitude des pics de courant 121
3.5 Expérience petit plan métallique/grand plan diélectrique 144
3.6 Conclusions et implications pour l’étude de la chimie du milieu 147
Chapitre IV : Mécanismes d’oxydation de C2H2 en couplage DBD/TiO2 147
1. Introduction 151
2. l’oxydation du C2H2 par le plasma 152
2.1 Quel est l’oxydant de C2H2 ? 153
2.2 Schémas réactionnels 165
3. Effet d’un matériau poreux 171
3.1 Effet de la micro et de la nano porosité 171
3.2 Bilan carbone et sélectivité 175
3.3 Intermédiaires réactionnels 176
4. Effet du TiO2 181
4.1 Influence de la nature chimique de la surface, sans activation UV 181
4.2 Effet des UV externes avec TiO2 : Existence de la synergie plasma/TiO2 182
4.3 Intermédiaires réactionnels dans les réactions photocatalytiques 184
5. Porosité, photocatalyse et rôle de l’ozone 191
5.1 Effet de la porosité sur O3 191
5.2 Rôle de O3 dans les processus photocatalytiques (mesures avec UV externes) 198
6. Conclusions sur les mécanismes d’oxydation de C2H2 par combinaison plasma/TiO2 204
Chapitre V : Etude de l’interaction plasma/TiO2 à basse pression 207
1. Introduction 207
2. Récapitulatif des expériences à basse pression 208
3. Cinétique de O atomique en plasma DC pulsé 209
3.1 Préambule sur la méthode d’actinométrie 209
3.2 Application et validité de l’actinométrie dans nos conditions 210
3.3 Production de O pendant un pulse plasma 216
3.4 destruction de O en post décharge temporelle 222
3.5 Cinétique de O pendant une série de pulses 226
3.6 Effet du C2H2 sur la cinétique de O 230
4. Cinétique de destruction de C2H2 231
4.1 Etude dynamique : avec flux de gaz 232
4.2 Etude statique : série de pulses plasma sans flux de gaz 238
5. Interactions plasma/TiO2 241
5.1 Modifications de la cinétique de O engendrée par le TiO2 241
5.2 Concentration moyenne de C2H2 en présence de TiO2 : Etude en flux de gaz 251
5.3 Destruction de C2H2 sans flux de gaz : étude statique 253
6. Conclusions, comparaison avec les mesures à pression atmosphérique 263
Conclusions 267
Annexes 271
Annexe 1 : sonde de courant 271
Annexe 2 : montage à trois colonnes du chromatographe en phase gaz 275
Annexe 3 : abaque de l’étalon au Ge 277
Annexe 4 : principes de l’actinométrie 282
Annexe 5 : procédure de dépouillement des cycles de Manley 290
Annexe 1 : procédure de mesure des FDA 293
Annexe 1 : résultats complémentaires sur les acides adsorbés 296
Production scientifique 297
Références bibliographiques 301

Statistiques de consultation

Administrateurs de l'archive uniquement : éditer cet enregistrement