Interaction plasma-liquide

a) réactions directe en surface de la solution

Quand le plasma (gaz plasmagène O2 ou air) est directement en contact avec le liquide à traiter, les espèces à courte durée de vie produites dans la décharge (radicaux, molécules excitées, électrons, radiations UV) entretiennent une réaction directe en surface de la solution pour former des espèces nouvelles (Figure II-37) [30, 32-34].

Phase plasma

Liquide

(O , N2⁺ ) + H₂O (hµ, e-) + H₂O Réactions de surfaces

Figure II-37 : Mécanisme de réactions de surfaces

Parmi ces réactions, il y a la dissociation de la molécule d’eau par impact électronique pour former les radicaux OH° et °HO₂ et des espèces stables comme le H₂O₂ suivant les réactions :

e^ H₂OO₂ HO^₂^OHe^ (II.28) e^ H₂OH^^OHe^ (II.13)

e^ 2H₂OH₂O₂ H₂ e^ (II-34) Les radicaux (°HO₂) formés peuvent réagir également avec la molécule d’eau pour former des espèces stables comme le H₂O_2.

HO₂ H₂OH₂O₂ OH (II-52) La présence des rayonnements UV dans la décharge contribuent aussi à la formation des

77 Thèse IYA-SOU Djakaou « Élimination de solutés organiques polluants d’effluents liquides par plasma non thermique :

comparaison des processus mis en jeu à l’interface liquide - plasma dans les procédés GLIDARC et DBD » radicaux OH° et H° par dissociation de la molécule d’eau :

H2O+hv 

2 °OH + H° (II-53)

D’autre part, la dissociation de la molécules d’eau par le radical O° conduit à la formation des radicaux OH° et à la formation du H2O2 suivant les réactions :

OH2OH2O2 (II.54) OH₂OOHOH (II.20)     H OOH OH O ₂ (II-55)

Les espéce azotées excitées à courte durée de vie ( N2⁺) réagissent également avec les molécules d’eau pour accroitre la concentration des radicaux OH° :

H₂ON₂^ 2NH^^OH (II-21) H₂ON^₂ N₂^



H₂O



(II-22) H₂ON₂^



H₂O



H₃O^ N₂^OH (II-23) N^H₂ONOH^ 2 (II-56) Dans la phase plasma non thermique (O2 ou air), les espèces à courte durée de vie peuvent aussi conduire à la formation des espèces stables à longue durée de vie comme présenté dans le paragraphe II.2.2.

b) Transfert des espèces à longue durée de vie en mode décharge directe et en post décharge spatiale

Les espèces stables formées peuvent se transférer de la phase gazeuse vers la phase liquide et par la suite, réagir avec les molécules d’eau. Ce processus se déroule soit, quand la décharge est directement en contant avec le liquide, soit en post décharge spatiale où la décharge n’est pas en contact directe avec la solution.

Dans le cas de l’ozone, où sa production est nettement supérieure quand le gaz plasmagène est de l’oxygène (au détriment de l’air), une fois absorbé, les réactions se produisant en phase

78 Thèse IYA-SOU Djakaou « Élimination de solutés organiques polluants d’effluents liquides par plasma non thermique :

comparaison des processus mis en jeu à l’interface liquide - plasma dans les procédés GLIDARC et DBD » liquide sont sa décomposition en présence du l’ion OH^- et des radiations UV dans le cas ou la décharge est directement en contact avec la solution (a) et uniquement en post décharge spatiale (b) pour sa décomposition en présence de l’ion OH

[53, 54]. plasma Liquide H₂O O_{3 (g)} O₂ O_{3 (l)} hv hv O_{3 (g)} O_{3 (l)} H2O plasma Liquide O3 (g)

Figure II-38 : Mécanisme d’absorption de l’ozone

Les réactions dans les deux cas sont les suivantes :

2O3 + OH^-  °OH+ O2°^- +2O2 (II-50) O₃ + H₂O+hv 

2 °OH (II-51)

Le H2O2 formé en phase gazeuse (dans les conditions où il y a la présence des molécules d’eau dans la phase gazeuse) peut également s’absorber à cause de sa constante de Henry élevée. Cependant il peut être décomposé rapidement en présence des radiations UV suivant la réaction [55] :

H₂O₂+hv 

2°OH (II-57)

Si le gaz plasmagène est de l’air (N₂ + O₂), les espèces azotées stables créées dans la phase gazeuse peuvent s’absorber comme dans le cas de l’ozone (figure II-3).

a)Contact direct de la décharge avec le liquide

b) Contact de la décharge et la solution en post décharge spatiale

79 Thèse IYA-SOU Djakaou « Élimination de solutés organiques polluants d’effluents liquides par plasma non thermique :

comparaison des processus mis en jeu à l’interface liquide - plasma dans les procédés GLIDARC et DBD » plasma Liquide H₂O NO_{x (g)} N₂+O₂ hv hv H₂O plasma Liquide NOx (l) NOx (g) NOx (l) NO_{x (g)}

Figure II-39 : Mécanisme d’absorption des NOx

Parmi ces NOx, le dioxyde d’azote (NO2) et sa forme dimère, le N₂O₄ absorbés réagissent avec les molécules d’eaux suivant les réactions suivantes [55,56] :

2NO2 + H2O 

HNO2 + H⁺ + NO3^- (II-58) N2O4 + H2O 

HNO2 + H⁺ + NO3^- (II-59)

Pour ce qui est du NO, son absorption est généralement négligeable en raison de sa faible valeur de la constante de partition de Henry (He =1.810^-5 mol/m³.Pa). Néanmoins, il peut réagir en phase gazeuse avec le NO2 pour former le N2O3 qui s’absorbe nettement mieux (He

= 0,26 mol/m³.Pa). Le N2O3 dissout peut réagir avec de l’eau pour former le HNO2.

N₂O₃ + H₂O 

HNO₂ (II-60)

L’acide nitreux absorbé, formé préalablement en phase gazeuse suivant la réaction II-33 : NO (g)+ NO₂(g) + H₂O(g)2HNO₂(g) , et celui formé en phase liquide par les réactions II-58 à II-60, est instable et se décompose rapidement en acide nitrique et NO suivant la réaction [57,58] :

3HNO2  H⁺ + NO3^- +H2O + 2NO (g) (II-70) En présence des radiations UV, mécanisme probable quand la décharge est directement en contact avec la solution, la réaction ci-dessous peut également se produire :

a)Contact direct de la décharge avec le liquide

b) Contact de la décharge et la solution en post décharge spatiale

80 Thèse IYA-SOU Djakaou « Élimination de solutés organiques polluants d’effluents liquides par plasma non thermique :

comparaison des processus mis en jeu à l’interface liquide - plasma dans les procédés GLIDARC et DBD » HNO2+hv 

°OH + °NO (II-71)

Enfin, il peut exister dans la phase liquide, des réactions entres les espèces oxygénées et des espèces azotées, ou des espèces oxygénées entre elles :

O3+ HNO2  O2 + H+ NO3^- (II-72) H2O2+ HNO2  H2O + H⁺ +NO3^- (II-73) H2O2+ 2O3  2 °OH + 3O2 (II-74)

Si le liquide à traiter contient des molécules polluantes, les espèces oxydantes produites dans la décharge et/ou dans la phase liquide, peuvent entretenir des réactions d’oxydation avec ces polluants. Les espèces oxydantes susceptibles d’éliminer la charge polluante sont : le radical OH° très réactif et non sélectif, le radical O°, l’ozone, les espèces azotées (NOx) etc. On peut également rajouter à ces espèces, les radiations UV et les électrons.

Dans le document Elimination de solutés organiques polluants d'effluents liquides par plasma non thermique : comparaison des processus mis en jeu à l'interface liquide-plasma dans les procédés Glidarc et DBD (Page 77-81)