La courbe représentant la quantité de CO2 produite en fonction de la température du microréacteur est marquée d’un plateau entre 300 et 400°C : cette zone correspond à celle où les taux de conversion de certains composés ont tendance à diminuer alors que d’autres continuent d’augmenter. Au-delà de 400°C, les taux de conversion des autres COV augmentent
encore, c’est pourquoi la courbe de la production de CO2 croit à nouveau. En considérant les COV indiqués dans le Tableau 4.20 (donc sans les deux composés inconnus), la concentration en CO2 attendue à l’issue de l’oxydation du mélange, à 507°C, est de 18375 ppm, elle est ainsi du même ordre de grandeur que la concentration en CO2 observée (18234 ppm). La concentration initiale du mélange est de 10580 mgC/Nm3, et il reste 1522 mgC/Nm3 dans l’effluent à l’issue de l’oxydation catalytique du mélange, à 507°C, soit 14 % du carbone organique total initial.
I.3.d. Bilan sur l’oxydation de mélanges de COV
Les résultats expérimentaux montrent ainsi que l’oxydation catalytique d’un mélange de COV dans le microréacteur, que le mélange soit binaire ou plus complexe, permet d’obtenir des taux de conversion comparables à ceux obtenus à l’issue de l’oxydation des composés seuls, même si les concentrations globales en COV sont plus importantes dans le mélange. Ainsi, l’utilisation du microréacteur catalytique semble tout à fait adaptée à la dégradation d’effluents contenant plusieurs COV, qu’ils soient de même nature chimique ou non, et quel que soit le rapport de concentration entre les différents composés présents dans le mélange. L’utilisation du microréacteur à une température proche de 500°C permet de garantir un taux de conversion optimal pour chaque COV.
I.4. Conclusion
L’étude des résultats expérimentaux a permis de montrer les performances qu’offre le microréacteur catalytique pour l’oxydation de COV. Dans un premier temps, les composés sont dégradés seuls. Les alcools et les composés carbonylés étudiés (à savoir l’éthanol, le 1-propanol et l’isopropanol, ainsi que l’acétone, la méthyléthylcétone et l’acétate d’éthyle) sont tous oxydés à plus de 90 % au-delà de 450°C, bien que leurs T50 varient entre 90°C et 325°C. Par contre, que ce soit pour le n-hexane, le 1,4-dioxane ou le toluène, les taux de conversion ont tendance à se stabiliser entre 60 % et 80 % lorsque la température augmente au-delà de 300°C.
A titre comparatif, des essais sur un microréacteur ne contenant pas de catalyseur ont ensuite été menés. Il apparaît que les performances du microréacteur catalytique sont meilleures que celles obtenues avec le microréacteur thermique. L’utilisation du catalyseur permet alors de limiter l’apport énergétique puisque les températures requises pour obtenir des performances identiques sont inférieures.
L’oxydation catalytique de chaque COV est ensuite étudiée en considérant les différents produits retrouvés à l’issue de la réaction. Les sous-produits détectés par le chromatographe à la sortie du microréacteur ont été comparés aux intermédiaires réactionnels proposés par les mécanismes. Les principaux produits issus de l’oxydation des COV ont alors pu être caractérisés de manière qualitative. Il s’agit pour la plupart de composés comprenant un, deux ou trois atomes de carbone. Pour chaque COV, la température optimale d’utilisation du microréacteur a été proposée, prenant en compte le taux de conversion ainsi que la génération des sous-produits. Pour les alcools et les composés carbonylés, il convient d’utiliser le microréacteur à une température d’environ 500°C. Pour l’oxydation catalytique du n-hexane,
du 1,4-dioxane et du toluène, la température optimale est plutôt de l’ordre de 300°C : au-delà, le taux de conversion se stabilise alors que la formation de sous-produits augmente.
Les performances du microréacteur étant établies pour l’oxydation catalytique d’un effluent contenant un seul COV, la dégradation de mélanges a ensuite été étudiée. En pratique, les effluents industriels contiennent la plupart du temps plusieurs composés à dégrader. Pour les trois cas étudiés, il apparaît que le microréacteur permet d’obtenir (à 500°C) des performances pour l’oxydation catalytique de mélanges qui sont du même ordre de grandeur que celles obtenues pour les composés seuls, que le mélange de COV dans l’effluent soit binaire ou plus complexe, équimolaire ou avec des concentrations variables. En ce qui concerne le mélange complexe, les taux de conversions sont en moyenne 10 % plus faibles lorsque les composés sont mélangés par rapport aux composés seuls, mais les concentrations sont différentes. Il apparaît par ailleurs que les performances du microréacteur sont légèrement meilleures si la concentration des COV dans l’effluent est plus faible.
L’influence de la température a ainsi été étudiée en considérant le taux de conversion du COV et la sélectivité de la réaction d’oxydation, qui augmentent globalement avec la température. D’autres paramètres opératoires peuvent également intervenir dans les performances du microréacteur, en particulier le débit de l’effluent. L’étude de l’influence des paramètres opératoires sur les performances du microréacteur a ainsi été effectuée en considérant l’acétate d’éthyle ; les résultats sont présentés dans la partie suivante.
II. Etude de l’oxydation catalytique de l’acétate d’éthyle
L’acétate d’éthyle est le composé choisi pour étudier l’influence de différents paramètres opératoires sur les conversions et rendements obtenus à l’issue de l’oxydation catalytique dans le microréacteur étudié. Les résultats précédents ont montré que ce composé présente un des taux de conversion les plus faibles à des températures inférieures à 400°C, mais atteint un taux de conversion de près de 97 % à des températures plus élevées.
Les différents paramètres étudiés sont la concentration du COV dans l’effluent à l’entrée du microréacteur, ainsi que le débit d’alimentation en introduisant le temps de séjour en relation avec la température. Enfin, les résultats d’un essai de longue durée sont présentés afin de mettre en évidence une éventuelle désactivation du catalyseur.
II.1. Influence de la concentration
Les résultats issus de l’étude de l’oxydation du mélange acétate d’éthyle / 1-propanol pour différentes concentrations du mélange binaire ont révélé que la quantité de COV dans l’effluent à traiter pouvait jouer un rôle dans le taux de conversion obtenu, bien qu’assez peu mis en évidence dans les cas traités (partie I.3.b de ce chapitre). L’étude de l’influence de la concentration de l’acétate d’éthyle a ainsi été menée pour une gamme de concentration plus étendue : six niveaux de concentrations allant de 250 ppm à 8000 ppm sont alors étudiés, pour un débit de 0,5 NL/min à l’entrée du microréacteur. La Figure 4.35 illustre les résultats obtenus
en termes de taux de conversion de l’acétate d’éthyle en fonction de la température du microréacteur.
Figure 4.35 : évolution du taux de conversion de l’acétate d’éthyle pour six concentrations différentes en COV
dans l’effluent à l’entrée du microréacteur (0,5 NL/min)
L’influence de la concentration s’avère peu importante. En effet, alors que la concentration en acétate d’éthyle est multipliée par un facteur trente-deux (de 250 à 8000 ppm), les valeurs de la T50 n’augmentent que d’environ 60°C entre la concentration la plus faible et la plus élevée. Par contre, les taux de conversion maximaux obtenus vers 520°C sont du même ordre de grandeur, compris entre 95 % et 97 % (excepté pour la concentration de 8000 ppm - 91 % - mais pour laquelle la température maximale étudiée est inférieure d’environ 10°C).
L’étude des produits issus de l’oxydation catalytique de l’acétate d’éthyle pour différentes concentrations à l’entrée du microréacteur indique que, si la conversion est peu affectée par une variation de concentration, celle-ci a une influence non négligeable sur les produits obtenus. Après avoir analysé les résultats obtenus pour les sous-produits (Figure 4.36 à Figure 4.39), le cas particulier du CO2 sera traité.