Le premier dispositif, formé d’un réacteur DBD cylindrique alimenté par une source impul-sionnelle, est utilisé pour le traitement de flux gazeux. Le réacteur est placé dans un four dont la température est régulée, ce qui nous permet d’étudier son effet sur le traitement. Nous injectons dans le réacteur des flux de mélanges gazeux de composition bien précise. Des moyens de diagnos-tic en temps réel ou par prélèvement d’échantillons nous permettent de déterminer la composition du gaz à la sortie du réacteur.
Le second dispositif est utilisé dans le cadre du traitement d’une solution aqueuse de phénol. Il est formé d’un réacteur à décharge glissante ou GlidArc et de son système. Le réacteur est une enceinte cylindrique en pyrex à double enveloppe fermée par une coupole placée au dessus. Sur cette enceinte sont fixées (dans la partie supérieure) les électrodes en forme de lames de couteau. L’alimentation en gaz est assurée par un compresseur et l’alimentation électrique par un transfor-mateur.
II.1.1 Le réacteur DBD
Le réacteur DBD a une géométrie cylindrique. Il est formé d’un tube de diélectrique (en verre pyrex), de 14,2 mm de diamètre interne et d’épaisseur 1,8 mm autour duquel est enroulée une feuille de cuivre (de 145 mm de long) reliée à la masse. Une tige de tungstène de 2 ou 5 mm de
II.1. LES DISPOSITIFS EXPÉRIMENTAUX 49 diamètre est disposée sur l’axe du diélectrique et reliée à la haute tension positive. Le volume total du réacteur est de 22,5 cm3 pour l’électrode de 2 mm et 20 cm3 pour celle de 5 mm de diamètre. La figureII.1 ci-dessous présente une vue schématique du réacteur. L’ensemble est placé dans un four GERO modèle SR-A 150-750/11 de longueur totale 1000 mm, celle de son unité de chauffage (par convection) est de 750 mm pour 150 mm de diamètre. Sa température est réglable pouvant atteindre jusqu’à 1 100°C avec une rampe de 300°C.h−1. Le réacteur DBD est placé à 230 mm de l’entrée du four ; le point de mesure se situe alors à 700 mm du réacteur (60 mm de la sortie du four). 1,8 mm 14,2 mm 2,0 mm 145 mm Diélectrique (Pyrex) Électrode HT (Tungstène)
Électrode masse (Cuivre)
Figure II.1: Le réacteur à décharge à barrière diélectrique.
L’alimentation électrique du réacteur DBD est un générateur capacitif de haute tension impul-sionnelle qui délivre + 40 kV avec des fréquences d’impulsion atteignant 300 Hz. Son temps de montée, entre 5 kV et la tension de claquage, est de 55 ns pour une durée effective d’impulsion de 500 ns.
II.1.2 Le circuit de gaz
Le circuit est schématisé sur la figureII.2. Nous formons un mélange gazeux dont le pourcen-tage d’oxygène est au maximum 10% (comme il est souvent le cas dans les gaz d’échappement par exemple). Trois régulateurs de débit massique MKS modèle 1179B reliés à un seul boitier de contrôle à quatre voies MKS 247C, nous aident à contrôler les débits et la composition du mélange injecté dans le réacteur. Le flux principal a un débit maximum fixé à 1 L.min−1 dans les conditions standard. Le temps de séjour du mélange dans la zone de décharge dans ces conditions est donc de 1,35 seconde.L’acétaldéhyde est dilué dans l’azote à une teneur de 1 000 ± 20 ppm
50 Chapitre II. DISPOSITIFS ET MÉTHODES Plasma GC/MS Micro-GC MS-BTrap N2 Air N2 /CH 3 CHO Ozone CO2/H2O FTIR RDM Four Catalyseur Diélectrique
Figure II.2: Représentation schématique du circuit de gaz de la décharge DBD.
Pour chauffer le gaz, le four est mis en marche avec une consigne fixée à la température dé-sirée. Le temps de stabilisation de la température dépend de la consigne. Il est plus long lorsque la température de consigne est basse. En effet, la température sur l’axe du four est soumise à des variations du fait du flux de gaz qui le traverse. Ces variations ne sont détectées qu’au bout d’un certain temps nécessaire pour l’établissement d’un équilibre thermique après que la consigne soit atteinte. Ce temps est allongé par le fait que la sonde de mesure du four soit localisée sur sa paroi. Ainsi, il est estimé à 5 heures pour 100°C contre 3 à 4 heures pour 300°C par exemple. Par ailleurs, une étude de K. Bouamra [226] réalisée pendant sa thèse a montré que la température d’équilibre varie selon la position sur l’axe. Elle est égale à la consigne au milieu du four incluant le réacteur ; mais baisse lorsque l’on approche des deux extrémités du four. Ce résultat a été vérifié en utilisant un thermomètre infrarouge (impact IN 11). Nous avons obtenu au niveau du réacteur, des écarts avec la consigne acceptables de l’ordre de 5% et 10% pour 300°C et 50°C respectivement, lorsque l’équilibre thermique est atteint.
II.1.3 Les catalyseurs
Généralement, le traitement par plasmas froids d’un mélange oxygéné produit une quantité im-portante d’ozone qui réagit très peu avec les sous-produits formés. La vitesse de réaction de l’ozone avec la plupart des composés organiques est plus faible que celle de l’oxygène atomique. Pour ré-duire voire éliminer le polluant résiduel et ses sous-produits, nous utilisons un catalyseur à base de dioxyde de manganèse (MnO2) qui décompose l’ozone en produisant de l’oxygène atomique. Les performances de ce dioxyde sont bien connues dans ce domaine [227,228].
II.1. LES DISPOSITIFS EXPÉRIMENTAUX 51 réduit en petit grains de 1 à 2 mm de diamètre d’une part et d’autre part, des billes d’alumine de 2 mm de diamètre imprégnées de dioxyde de manganèse dopé au palladium (1%). La surface spécifique des billes est de 197 m2.g−1. La figure II.3 montre les deux catalyseurs utilisés pour l’élimination de l’acétaldéhyde.
Figure II.3: Les catalyseurs utilisés en post-décharge dans l’élimination de l’acétaldéhyde par DBD.
Le module du catalyseur est formé d’un tube en verre pyrex où est introduit 0,8 g de catalyseur. Cette masse correspond à une Vitesse Volumique Horaire VVH (représentant l’inverse du temps de séjour) de 108620 h−1 pour le DiOxyde de manganèse Massique (ou DOM) et 57530 h−1 pour le Dioxyde de manganèse Dopé (ou DOD). La longueur du module est de 10 mm, son diamètre extérieur est égal au diamètre interne du tube diélectrique (14 mm) et son diamètre interne vaut 11 mm. Pour augmenter le temps de séjour, un autre module de 20 mm de long a été préparé et on y a introduit 1,6 g de DOD. Ce catalyseur avec lequel le flux a été réduit de moitié est le DOD2 et sa masse correspond à une VVH de 14380 h−1.
En coulissant dans le tube diélectrique, ce module est placé 50 mm après la zone de dé-charge. À cette distance, les densités de O(3P), OH et celles des autres radicaux sont faibles. Ainsi, les espèces qui arrivent sur le catalyseur sont des espèces moléculaires, ce qui per-met de mieux étudier l’effet catalytique sur leur oxydation. La sortie du four est alors à 590 mm (pour le DOM et le DOD) et le premier point de mesure (celui du µGC) est à 650 mm du catalyseur.
Avant chaque utilisation, le catalyseur est nettoyé soit en produisant une décharge dans un mélange N2/O2, soit en chauffant à l’aide du four jusqu’à 300°C ; On peut aussi combiner ces deux méthodes. Le catalyseur est considéré propre lorsque le dioxyde de carbone n’est plus détecté dans le gaz sortant du réacteur.
52 Chapitre II. DISPOSITIFS ET MÉTHODES
II.1.4 Le réacteur GlidArc et son système
Le réacteur qui est au centre du dispositif GlidArc a une paroi latérale constituée de deux enve-loppes entre lesquelles circule l’eau de refroidissement. La partie supérieure du corps du réacteur porte les électrodes tandis que la coupole, placée au dessus du corps du réacteur, porte la buse d’in-jection de gaz plasmagène comme le montre le schéma présenté sur la figureII.4. Ce schéma n’est pas à l’échelle. Les caractéristiques du réacteur sont résumées dans le tableauII.1ci-dessous.
Tableau II.1: Les caractéristiques du réacteur GlidArc.
Paramètres Valeurs
Volume réacteur (mL) 750
Épaisseur électrodes (mm) 2
Longueur des électrodes (mm) 60
Distance inter-électrodes (mm) 3 à 4 Diamètre de la buse (mm) 1 +
-1 2 4 5 3 7 8 8 6
Figure II.4: Schéma représentatif du réacteur GlidArc ; 1 : la Buse d’injection de gaz (air humide) ; 2 : introduction de la cible (phénol aqueux) ; 3 : électrodes ; 4 : sortie de gaz ; 5 : double paroi ; 6 : prélèvement d’échantillon ; 7 : solution cible ; 8 : eau de refroidissement.
Le réacteur GlidArc est alimenté par un générateur qui délivre une tension continue de 4,5 kV. Ce générateur est un transformateur 220 V/4500 V de chez AUPEM SEFLI modèle 9000-100. Le gaz plasmagène est de l’air humide provenant d’un compresseur Atlas Copco modèle LX 111 avec un réservoir de 50 litres. L’air est humidifié par barbotage avant d’être injecté dans le réacteur entre les deux électrodes. Le débit est mesuré par un débitmètre à bille. Le circuit de l’air est présenté sur la figueII.5où on peut voir également l’aspect du GlidArc pour un débit de 800 L.h−1.