Plasmas et Catalyseurs Optimisés pour le traitement de COV dans l'air – PECCOVAIR

Le projet part d’un concept de réacteur plasma froid de type Décharge à Barrière
Diélectrique volumique, qui permet déjà de réduire la consommation électrique de
ventilation (faible perte de charge). Les méthodes mises en oeuvre sont : 1/ Développer les
connaissances sur les mécanismes physico-chimiques de conversion des COV et sur la
synergie plasma/catalyse en post-plasma; 2/ Concevoir un réacteur afin d’obtenir, à moindre
consommation énergétique, la meilleure performance de dégradation des COV par le plasma
et la création d’espèces nécessaires à l’activation du catalyseur; 3/ Réaliser des générateurs
d’impulsions de tension de très faible durée, avec mesure du rendement intrinsèque et des effets sur la décharge, sur les densités d’espèces produites et extraites du plasma, et sur l’efficacité énergétique; 4/ Etudier les mécanismes de traitement et de recombinaison dans les mélanges à plusieurs types de COV; 5/ Développer des formulations pour un catalyseur post-plasma fonctionnant à basse température (T< 60°C); 6/ Etudier la méthode de dépôt de la formulation catalytique sur un support solide tridimensionnel à faible perte de charge.

L’ozone produit par le plasma permet d’activer un catalyseur d’oxyde de manganèse sur
alumine, l’éthanol est efficacement converti. Des sous-produits de conversion de l’acétone,
l’éthanol, et du toluène ont été identifiés et quantifiés, des aldéhydes sont présents. Leur
Référence du formulaire : ANR-FORM-090601-01-01 4/16
traitement optimisé nécessite une étude de catalyseur plus poussée. Des points de
fonctionnement optimaux associant meilleur traitement et moindre consommation d’énergie
ont été déterminés (ex.: 85% de 100 ppm d’éthanol convertis en CO2 et CO pour une
consommation compteur de 32Wh/m3). Ce procédé pourrait permettre de réduire fortement
la consommation énergétique de chauffage de locaux industriels nécessitant un fort taux de
renouvellement d’air (gisement estimé à 2,1 TWh/an). Le générateur mis en oeuvre pourrait
être développé industriellement pour une application du projet.

.

Ce projet a donné lieu à deux publications l’une dans The European Physical Journal - Applied
Physics au sujet du couplage alimentation/décharge et l’autre dans International Journal of
Plasma, Environmental Science and Technology au sujet du traitement de l’éthanol et l’acétone. Il
est aussi à l’origine de six communications dans des conférences internationales (GEC,
ECEEE, ICPIG, 8th ISNTP, ESCAMPIG XXI, CIP 2013).Ces résultats ont aussi été présentés
dans différents colloques.

Le projet PECCOVAIR concerne le traitement des Composés Organiques Volatils présents dans les rejets de certaines activités industrielles, à savoir les captages d'air sur les ateliers et les machines de fabrication qui sont souvent raccordés à une extraction centralisée avec un débit de sortie important, ce qui nécessite des groupes de moto-ventilation puissants. Le mélange et la dilution des différents effluents rendent le traitement souvent difficile. De plus, ces grandes longueurs de gaines d'extraction engendrent des pertes de charge qui augmentent la consommation d'énergie de ventilation. Les industriels sont donc à la recherche de technologies compactes, économiques, qui permettraient de traiter des extractions d'air chargé de COV, par poste, en continu ou en mode intermittent lors des cycles de fabrication. C'est un travail de recherche fondamentale prévu sur une durée de trois années, destiné à préparer les bases nécessaires au développement d'une technique éco-efficace associant plasma froid et catalyse, dans une gamme bien identifiée de forts débits de gaz (de 100 à 10.000 m3/h), avec des concentrations de COV inférieures à 1g/Nm3 et des mélanges complexes de polluants, de natures chimiques différentes. Le projet part d'un concept de réacteur plasma froid de type Décharge à Barrière Diélectrique multipointes/ plan volumique, qui permet déjà de réduire la consommation électrique de ventilation (faible perte de charge). Cette géométrie pourra évoluer en fonction des résultats obtenus au cours des travaux. En premier lieu, des recherches à faible flux (quelques litres/mn) concerneront l'alimentation électrique, son couplage avec la décharge, et l'association du couple alimentation-réacteur à la catalyse « froide » (température proche de l'ambiante), en post-plasma dans l'écoulement. Des mélanges simples (1 type de COV) et complexes (plusieurs molécules de nature chimique différentes présentes dans le flux de gaz porteur) seront étudiés. Ces travaux seront suivis de montages expérimentaux conçus pour les flux forts et qui permettront, après une étude des interactions entre les différents composants et paramètres, de chiffrer le niveau de performances énergétiques pour le traitement des polluants, pouvant être atteint avec un tel dispositif optimisé. Trois laboratoires scientifiques (LPGP à Orsay, LACCO à Poitiers, département ESE de Supélec à Gif-sur-Yvette) et un laboratoire industriel (EDF RetD aux Renardières) collaboreront, avec des compétences en électrotechnique de puissance, physico-chimie des plasmas froids, catalyse en phase hétérogène, et génie des procédés. Les objectifs sont ciblés : 1/ Développer les connaissances sur les mécanismes physico-chimiques de conversion des COV et sur la synergie plasma / catalyse en post-plasma; 2/ Concevoir un réacteur afin d'obtenir, à moindre consommation énergétique, la meilleure performance de dégradation des COV par le plasma et la création d'espèces nécessaires à l'activation du catalyseur; 3/ Réaliser des générateurs d'impulsions de tension de très faible durée, avec mesure du rendement intrinsèque et des effets sur la décharge, sur les densités d'espèces produites et extraites du plasma, et sur l'efficacité énergétique; 4/ Etudier les mécanismes de traitement et de recombinaison dans les mélanges à plusieurs types de COV; 5/ Développer des formulations pour un catalyseur postplasma fonctionnant à basse température (T< 60°C); 6/ Etudier la méthode de dépôt de la formulation catalytique sur un support solide tridimensionnel à faible perte de charge. Les principaux verrous qui devront être levés sont : 1/ La mise au point de catalyseurs basse T fonctionnant sans apport d'énergie supplémentaire; 2/ La minimisation de la perte de charge; 3/ L'optimisation du dépôt d'énergie dans le plasma.Le projet se décline en quatre tâches : le couplage réacteur plasma/alimentation, la caractérisation physicochimique des réacteurs plasmas, l'optimisation du couple réacteur plasma-catalyseur, et la recherche d'un optimum énergétique global du procédé. Les retombées industrielles et économiques seront d'autant plus importantes que les résultats de gains énergétiques seront bons. Si la réduction de la consommation énergétique est très importante, des applications pour de plus forts débits sont envisageables. Un produit optimisé et performant devrait permettre ultérieurement d'aboutir à une offre commerciale intéressante et de nombreux placements en traitement d'effluents gazeux.