Procédé de séparation membranaire et procédé d'oxydation : une association pertinente pour le traitement des COV dans l'atmosphère de travail

Membrane separation process and oxidation process : a relevant combination for the treatment of VOCs in the working atmosphere

• Auteur / Autrice : Perla Trad
• Direction : Nicole Simiand, Éric Favre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (Orsay, Essonne ; 1965-....) - Institut national de recherche et de sécurité (France)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Odic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Khaled Hassouni, Laurent Fulcheri, Fabien Gérardin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Khaled Hassouni, Laurent Fulcheri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Membranes de séparation des gaz

Composés organiques volatils

Plasmas froids

Air confiné -- Pollution

Décontamination

Air

Cinétique chimique

Mots clés libres

Cinétique hors équilibre thermodynamique (ETL)

Dépollution

Plasma froid filamentaire

Composés organiques volatils (COV)

Décharge à barrière diélectrique (DBD)

Techniques de séparation membranaire

Plasma kinetics

Pollution control

Filamentary cold plasma

Volatil organic compounds (VOC)

Dielectric barrier discharge (DBD)

Membrane separation techniques

Résumé

L’objectif de cette thèse est d’évaluer la pertinence de l’association d’un procédé d’oxydation avancé par plasma non thermique et d’une technique séparative telle que la perméation gazeuse pour le traitement d’effluents contenant des COV. Ce sujet est adossé à un contrat de collaboration de recherche entre trois laboratoires : le Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas (LPGP), UMR 8578 du CNRS - Université Paris-Saclay, le Laboratoire de Réactions et Génie des Procédés (LRGP) UMR 7274 du CNRS – Université de Lorraine et le Laboratoire PROCédés et Epuration des Polluants (PROCEP) de l’INRS. Dans un premier temps, une étude est effectuée sur le traitement par plasma de plusieurs COV avant de passer à la phase d’étude du procédé de couplage dans son ensemble. L’étude se décline sous la forme d’une approche expérimentale conséquente. Les molécules étudiées sont le n-hexane, le formaldéhyde, et le dichlorométhane. L’étude de la décomposition de COV par plasma froid est réalisée au LPGP alors que l’étude du procédé de séparation des COV est conduite au PROCEP avec le soutien du LRGP. Les capacités d’un plasma froid à dégrader ces molécules est examinée pour des valeurs de paramètres (débit de gaz, concentration de polluants) rencontrées dans des réacteurs d’extraction de COV par membranes. Une attention particulière est portée sur les points suivants : stabilité de fonctionnement d’une décharge à barrière diélectrique pour un faible flux, effet d’une forte concentration sur la stabilité et le dépôt d’énergie dans le plasma, rôle de la forme temporelle de l’impulsion de tension appliquée à la structure de décharge, géométrie de cette structure (réacteur packed-bed ou décharge à barrière diélectrique). Les sous-produits de dégradation de ces molécules sont caractérisés et quantifiés le plus finement possible à l’aide de différents diagnostiques, en particulier un spectromètre de masse haute résolution de type PTR FT-ICR (Proton Transfer Reaction associated with Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance). Cette technologie permet de réaliser la détection à haute résolution et la quantification de traces. D’autres diagnostiques chimiques comme la chromatographie avec un détecteur TCD ou MS et des détecteurs spécifiques pour l’ozone et le CO₂ sont utilisés. Dans une dernière étape, le couplage séparation membranaire - procédé plasma est effectué dans le cas du n-hexane pour évaluer la capacité d’un ensemble composé d’un module de séparation et d’un module plasma à traiter un effluent gazeux représentatif de l’application en termes de composition et de concentration en COV.

This thesis aims to assess the relevance of combining an advanced oxidation process using non-thermal plasma with a separative technique such as gas permeation for treating effluents containing VOCs. This subject is supported by a research collaboration contract (November 2018 - October 2022) between three laboratories: the Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas (LPGP), UMR 8578 of the CNRS - Université Paris-Saclay, the Laboratoire de Réactions et Génie des Procédés (LRGP) UMR 7274 of the CNRS - Université de Lorraine and the Laboratoire PROCédés et Epuration des Polluants (PROCEP) of the INRS. Initially, a study will be carried out on the treatment of several VOCs by plasma before moving on to the study phase of the coupling process as a whole. The study takes the form of an extensive experimental approach. The molecules studied are n-hexane, formaldehyde and dichloromethane. The study of the decomposition of VOCs using cold plasma is being carried out at the LPGP, while the study of the VOC separation process is being carried out at PROCEP with the support of the LRGP. The ability of cold plasma to degrade these molecules is examined for parameter values (gas flow rate, pollutant concentration) encountered in VOC extraction reactors using membranes. Particular attention is paid to the following points: the operating stability of a dielectric barrier discharge at low flux, the effect of high concentration on stability and energy deposition in the plasma, the role of the temporal shape of the voltage pulse applied to the discharge structure, the geometry of this structure (packed-bed reactor or dielectric barrier discharge). The degradation by-products of these molecules are characterized and quantified in as much detail as possible using various diagnostics, in particular a high-resolution mass spectrometer of the PTR FT-ICR (Proton Transfer Reaction associated with Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance) type. This technology enables high-resolution detection and quantification of traces. Other chemical diagnostics such as chromatography with a TCD or MS detector and specific detectors for ozone and CO₂ are used. In the final stage, the coupling of membrane separation and plasma process is carried out in the case of n-hexane to evaluate the capacity of an assembly composed of a separation module and a plasma module to treat a gaseous effluent representative of the application in terms of composition and VOC concentration.