Dès 1876, Marcellin Berthelot a émis l’hypothèse qu’il était possible de détruire des composés toxiques comme le sulfure d’hydrogène en utilisant une DBD [102]. Plus tard, en 1992, d’autres scientifiques comme Traus et Suhr ont aussi essayé de traiter de l’H2S. Pour ce faire, ils ont utilisé de l’ozone
préalablement produit par décharge plasma pour dégrader le sulfure d’hydrogène. Actuellement, la recherche se concentre sur l’élimination des COVs (Composés Organiques Volatiles) tels que les hydrocarbures, les chlorofluorocarbures (CFCs),ou encore les NOx [103], [104]. Les COVs regroupent
plusieurs types de composés tels que des alcanes, aldéhydes, alcools et autres molécules nocives. Ces molécules se retrouvent facilement dans l’environnement et sont sources de complications médicales. Afin de lutter contre leur prolifération, de nombreuses technologies se sont développées pour le traitement des COVs, notamment par décharge plasma [105]. Ce type de procédés présente différents avantages. Ils nécessitent une quantité d’énergie plus faible que d’autres technologies telles que l’incinération. Ils sont très efficaces pour détruire de nombreux COVs, et sont faciles à mettre en œuvre. Les géométries et le type de décharges peuvent varier en fonction des objectifs désirés. Les réacteurs peuvent être de forme coaxiale le plus souvent en Pyrex, avec des électrodes en cuivre ou en acier. La figure 20 [106] représente quelques réacteurs utilisés pour le traitement de l’air.
Il est également possible de trouver des géométries planes de type multi-pointes-plan, plan-plan ou encore pointe-plan.
2.3.4. Le plasma pour la médecine
Des études récentes ont montré qu’il était possible d’utiliser les plasmas non-thermiques à des fins médicales. Pour ce faire, plusieurs utilisations du plasma sont possibles, telles que :
• L’application directe : le plasma est directement appliqué sur les tissus. La peau sert de contre- électrode (type DBD) [107].
Figure 20 : Exemples de réacteurs plasma pour le traitement de l'air a) Décharge pulsé, b) Décharge de surface, c) Décharge dans une céramique poreuse [106]
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• L’application indirecte : le plasma est créé entre deux électrodes, et est par la suite entraîné par un gaz porteur (type plasma jet) [108], [109].
• L’application d’un système hybride : appelé couramment décharge à barrière couronne (Barrier Coronal Discharges), la décharge est appliquée directement sur la peau, et est préalablement formée entre deux électrodes [110].
Les débouchés sont multiples et pourront servir par exemple pour la stérilisation d’outils chirurgicaux [111], pour améliorer la circulation sanguine [112]–[114], ou encore pour désinfecter des tissus [115]. La société Adtec Healthcare a développé un système permettant d’appliquer la décharge en surface des tissus à traiter (figure 21) [116].
2.4. Pour la valorisation du CO
2Ces dernières années, le réchauffement climatique, causé par la présence de gaz à effet de serre, a mis en avant la nécessité de trouver des solutions durables. Le dioxyde de carbone représente la plus grande partie des GES présents dans l’atmosphère.Son captage ou encore son stockage ne sont que des réponses partielles à la question : que faire du CO2 ?
Les technologies plasmas permettent d’activer le dioxyde de carbone à basse température, en appliquant une haute tension. Différentes voies de valorisation sont possibles, comme :
• La décomposition du CO2
• L’hydrogénation du CO2
• Le reformage sec du méthane
Plusieurs études ont été réalisées suivant ces différentes voies de valorisation.
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2.4.1. La décomposition du CO
2La réaction de décomposition du CO2 nécessite l’utilisation d’une source importante d’énergie.
Réalisée d’ordinaire à haute température en présence de catalyseur, il est toutefois possible de l’effectuer à basse température.
En effet, le développement du plasma non-thermique a permis d’étudier la réaction de décomposition du dioxyde de carbone en dioxygène et monoxyde de carbone (équation 55).
𝐶𝑂2→ CO + ½ 𝑂2 éq. 55
Wang et al ont été les premiers à étudier cette réaction en utilisant une décharge à barrière
diélectrique, afin de mieux comprendre l’influence de certains paramètres tels que la nature du métal composant l’électrode de haute tension, l’influence de la teneur en CO2 du mélange réactionnel, ou
encore l’influence du débit [117]. Ils ont réussi à obtenir une conversion de 30% du CO2 en appliquant
une tension de 7kV, tout en utilisant de l’hélium comme gaz de dilution. Par la suite Paulussen et al ont réussi à atteindre la même conversion de 30% sans utiliser de gaz nobles, en appliquant une fréquence de 90kHz et une puissance de 200W [118]. Le débit du flux gazeux, la teneur en dioxyde de carbone dans le mélange réactionnel, ainsi que la puissance appliquée sont des paramètres déterminants pour la décomposition du dioxyde de carbone.
2.4.2. L’hydrogénation du CO
2L’hydrogénation représente également une voie de valorisation du CO2 intéressante. De même que
pour la dissociation du dioxyde de carbone, il est possible d’obtenir de multiples composés de hautes valeurs ajoutées. Zang et Tu ont étudié la réaction de méthanation (équation 56) ainsi que la réaction inverse du gaz à l’eau (équation 57) à partir du CO2par l’application d’un plasma froid [119].
𝐶𝑂2+ 𝐻2→ CO + 𝐻2𝑂 éq. 56
𝐶𝑂2+ 4𝐻2→ C𝐻4 + 2 𝐻2𝑂 éq. 57
L’étude de certains paramètres, comme le ratio H2/CO2, ou encore l’ajout d’eau au mélange
réactionnel, a montré qu’il était possible d’influencer les sélectivités des réactions. En plus de la méthanation et de la réaction inverse de gaz à l’eau, il est possible de former du méthanol par hydrogénation du CO2.
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Eliasson et al ont réalisé cette réaction avec un plasma à pression atmosphérique [120]–[122]. Les
mécanismes réactionnels impliqués peuvent se présenter selon les réactions suivantes (équations 58- 62) [123] : 𝐶𝑂2+ 𝐻 → 𝐶𝑂 + 𝑂𝐻 éq. 58 𝐶𝑂 + 𝐻 → 𝐶𝐻𝑂 éq. 59 𝐶𝐻𝑂 + 𝐻 → 𝐶𝐻2𝑂 éq. 60 𝐶𝐻2𝑂 + 𝐻 → 𝐶𝐻3𝑂 éq. 61 𝐶𝐻3𝑂 + 𝐻 → 𝐶𝐻3𝑂𝐻 éq. 62
Des études récentes ont permis de réaliser des modélisations numériques, en étudiant les processus de formation et de consommation du méthanol et du formaldéhyde [124]. D’après les travaux de De
Bie et al, les principales réactions pour la synthèse de ces composés oxygénés seraient :
𝐶𝐻2+ 𝐶𝑂2→ 𝐶𝐻2𝑂 + 𝐶𝑂 éq. 63
𝐶𝐻3+ 𝑂𝐻 + 𝑀 → 𝐶𝐻3𝑂𝐻 + 𝑀 éq. 64
Cependant, les sélectivités restent faibles (pour la formation du méthanol la sélectivité est inférieure à 4%) [123]. L’une des raisons de ces faibles rendements serait la vitesse de formation de ces produits. Les groupements CH2 et CH3 nécessaires à leurs synthèses peuvent être consommés pour produire du
méthane ou encore du CO2. La figure 22 représente les principaux produits issus de l’hydrogénation
du CO2 selon le modèle numérique établi par De Bie et al [124] .