Développement d’un procédé de couplage réacteur plasma DBD-réacteur photocatalytique pour le traitement des effluents gazeux : du laboratoire à l’application industrielle

Development of a process for coupling between a DBD plasma reactor and a photocatalytic reactor for waste gas treatment : from laboratory to industrial application

• Auteur / Autrice : Aymen Amine Assadi
• Direction : Dominique Wolbert, Abdelkrim Bouzaza
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences chimiques
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Rennes, Ecole nationale supérieure de chimie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Chimiques de Rennes
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cédric Vallet, Laurence Lecoq, Jean-Michel Tatibouët
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Lecoq, Jean-Michel Tatibouët

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de masse

Composés organiques volatils

Photocatalyse

Procédés chimiques

Mots clés libres

Réacteur continu

Modélisation

Résumé

L’augmentation des contraintes réglementaires et un souci de développement durable conduisent à rechercher de nouveaux procédés de dépollution d’air, idéalement «sans réactif, sans déchet». Les performances de réacteurs continus mettant en oeuvre, au choix, l'un des trois procédés : la photocatalyse tangentielle, le plasma DBD surfacique et le couplage plasma DBD/TiO2-UV, sont comparées en termes d’abattement de cinq polluants gazeux, de capacité de minéralisation et de formation de sous-produits. L’influence des différents paramètres opératoires a été établie afin d’identifier les principales grandeurs caractéristiques. Un effet de synergie entre le plasma et la photocatalyse est mis en évidence avec deux géométries différentes de réacteur, pour tous les polluants et dans quasiment toutes les conditions. À partir des concepts à l’origine des réacteurs de laboratoire permettant de traiter quelques m3. H-1, et de leur performances, un prototype semi-industriel a été développé pouvant traiter près de 1000 m3. H-1 par les trois procédés. La validité du changement d’échelle a été évaluée par un ensemble d’expérimentations sur gaz reconstitué. L’effet de synergie lors de la mise en oeuvre du couplage plasma DBD/TiO2-UV a été confirmé à cette échelle. Des premiers essais ont également été menés avec ce prototype sur un site industriel émetteur d’une pollution olfactive multicomposé. Malgré les incertitudes inhérentes à ce type d’essais, les performances observées pour les trois procédés tendent à confirmer, à minima, que la transition vers l’application industrielle est possible. Un modèle mathématique décrivant les réacteurs, la dégradation et la formation de sous produits d’un polluant est proposé. Un ajustement satisfaisant aux données expérimentales avec les trois procédés a pu être obtenu dans le cas de la dégradation et la minéralisation d’un aldéhyde.

Increasing regulatory constraints and aiming at sustainable solutions led to search for new, ideally “reagent free, waste free”, air pollution treatment processes. The performances of continuous reactors with one of the three processes: tangential photocatalysis, surface DBD plasma and coupled DBD plasma /TiO2-UV have been compared in terms of degradation efficiency of five gaseous pollutants, of mineralization ability and by-product formation. The influence of various operating parameters has been established in order to identify the main characteristics. A synergetic effect between plasma and photocatalysis was observed for the two reactor geometries, all the pollutants and almost all conditions. Based on the concepts used to build the lab-scale reactors, which can treat some m3. H-1, and their performances, a semi-industrial prototype has been developed to treat around 1000 m3. H-1 by each of the three processes. The validity of the scale-up has been evaluated for a set of experiments on a artificial gas mixture. The synergetic effect of the coupled DBD plasma/ TiO2-UV process has been confirmed at that scale. Firsts trials have been performed with this prototype on a industrial site emitting a multicomponent odorous pollution. Despite the uncertainties of such type of tests, the observed efficiencies for the three processes tend to confirm, at the least, that the transition to an industrial application is feasible. A mathematical model describing the reactors, the degradation and the mineralization of a pollutant is proposed. A satisfying fit to the experimental data has been obtained with the three processes tested in the case of the degradation and mineralization of an aldehyde.