Conception et caractérisation de microréacteurs photocatalytiques

Design and characterization of a photocatalytic microreactor

• Auteur / Autrice : Guillaume Charles
• Direction : Serge Corbel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 25/02/2011
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Laurent Falk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Corbel, Laurent Falk, Lingai Luo, Sylvie Bégin-Colin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lingai Luo, Sylvie Bégin-Colin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Salicylique, Acide

Photocatalyse

Mots clés libres

Photocatalyse

Microréacteur

Stéréolithographie

TiO₂ déposé

Transfert de matière

Acide salicylique

Langmuir-Hinshelwood

Intensification

Procédés

Photocatalysis

Microreactor

Stéréolithographie

TiO₂ coated

Mass-transfert

Salicylic acid

Langmuir-Hinshelwood

Intensification

Process

Résumé

L'objectif général du travail de recherche était l'amélioration de la compréhension de la réaction de dégradation photocatalytique de l’acide salicylique choisi comme polluant modèle. Un réacteur ouvert ayant un canal parallélépipédique, de largeur et de profondeur de l'ordre du millimètre, imprégné de catalyseur TiO₂ , a permis de caractériser la dégradation de l’acide salicylique en fonction des dimensions du canal, du débit, de la concentration en polluant et de l’intensité d'irradiation UV. La fraction dégradée d’acide salicylique diminue avec le débit, la concentration d’entrée et augmente avec l’intensité d’irradiation UV. Pour un temps de passage donné, la réduction de la profondeur et la largeur du microcanal, améliore l’efficacité de la dégradation. En effet, d'une manière générale, la vitesse de la réaction de dégradation est proportionnelle à la surface catalytique sur le volume réactionnel. Le rapport de la surface imprégnée sur le volume du microcanal est augmenté par la miniaturisation du canal ce qui entraine une meilleure dégradation. Un modèle basé sur le modèle de Langmuir-Hinshelwood et tenant compte du transfert de matière permet de rendre compte des résultats expérimentaux. Ce modèle met en évidence que la limitation de la réaction de dégradation par le transfert de matière est plus importante aux plus faibles débits (< 10 ml/h) et quand le canal devient plus profond. La simulation prédit des taux de conversion de l’ordre de 90 %, soit en agissant sur la géométrie (réacteur multicanaux, longueur totale des canaux de l’ordre du mètre), soit sur le procédé (réacteur à recyclage fermé)

The overall objective of the research work was to improve the understanding of the photocatalytic reaction of salicylic acid degradation chosen as model pollutant. An open reactor having a parallelepiped channel, of width and depth near millimetre size, coated with TiO₂ catalyst, was used to characterize the salicylic acid degradation in function of channel dimensions, flow rates, inlet pollutant concentrations and UV irradiation intensities. The degraded fraction of salicylic acid decreases with the flow rate, inlet concentration while it increases with UV irradiation intensity. For a given residence time, the reduction of the microchannel depth and width improve the degradation efficiency. Indeed, the reaction rate of degradation generally increases with the ratio of catalyst area on reaction volume. The ratio of coated area on microchannel volume is increased by miniaturization of the channel which leads to a larger degradation. A model based on the Langmuir-Hinshelwood approach which takes into account the mass-transfer account very well for the experimental results. This model highlights that reaction limitation by mass-transfer is larger at the lowest flows (< 10 mL/h) and when the channel becomes deeper. The simulation allows us to predict that conversion ratio of about 90%, can be reach by both acting on the geometry (multichannel reactor, total length of channels of the order of meter) or on the process (batch recirculation reactor)