Paramètres influençant l’efficacité des traitements

Plusieurs paramètres influencent l’efficacité d’un procédé plasma, et afin de maximiser le taux de conversion et l’efficacité énergétique, il est nécessaire de les étudier et de les contrôler. Equations I.29 et I.30 sont les formules utilisées pour calculer le taux de conversion τ pour une durée de traitement t, et l’efficacité énergétique EY pour cette même durée :

100 . C C (%) 0 t 0 C    (Eq I. 32) t.P ).V C (C ) . ( E 1 0 t     kWh g Y (Eq I. 33)

Où C0 et Ct (g.L-1) sont, respectivement, les concentrations initiales et finales du composé pharmaceutique traité pendant une durée Δt (en h), V (L) est le volume de la solution traité et P (kW), la puissance consommée. Ces deux paramètres permettent de comparer les POA entre eux, et de juger de leurs efficacités

I.3.4.1. Effet de la haute tension

En principe, l’augmentation de la tension appliquée à la décharge augmente le champ électrique générant une quantité plus grande des espèces actives, telles que : O^●, OH^●, O3 et H2O2, capables d'oxyder plus le polluant en produisant des espèces de poids moléculaire inférieur comme des acides carboxyliques ou du dioxyde de carbone [81].

I.3.4.2. Effet de la distance inter-électrode

L’augmentation de la distance inter-électrode peut diminuer le champ électrique et ainsi le taux de dégradation du polluant. Tang et al. [100] ont constaté qu’une augmentation de la distance inter-électrode diminue la formation des espèces actives telles que les radicaux hydroxyles pour une même densité d’énergie. En effet, une longue distance inter-électrode limite la dégradation du polluant car les espèces à courte durée de vie en phase gazeuse disparaissent par réactions de recombinaisons avant d’arriver sur la surface du liquide [99,100]. A l’inverse, quand la distance est trop faible il sera impossible d’avoir un régime de décharge couronne ou streamer,

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cela augmente donc le risque du passage au régime spark et l’endommagement du réacteur. Des risques de dépôt d’eau sur l’électrode haute tension peuvent causer des perturbations.

Sugiarto et al. [101] ont étudié la dégradation d’une solution de 300 mL de trois colorants en utilisant un réacteur pointe-plan ou les deux électrodes sont immergées à l’intérieur du liquide. Les traitements sont menés à 20 kV avec une alimentation HT impulsionnelle, une fréquence de pulse de 25 Hz avec deux différents gaz l’oxygène et l’air avec un taux d’humidité de 100%. Il en résulte qu’à une distance inter-électrodes de 30 mm, un régime streamer est obtenu. A 15 mm, un régime spark-streamer est obtenu, tandis qu’à 7 mm le régime c’est de type spark qui est obtenu.

Pour Sato et al. [66], l’influence de la distance inter-électrodes a été étudiée dans l’air et dans l’oxygène pour une tension de 25 kV et une fréquence de 100 Hz en mode impulsionnel. Pour eux, l’espace optimal de travail est de 6 à 7 mm. Au-delà de 7 mm, les streamers ne peuvent atteindre la solution, de ce fait, les espèces oxydantes ne peuvent pas réagir avec le polluant. Tang et al. [100] ont étudié le traitement d’une solution du diméthylsulfoxyde à une concentration de 0,5 mol.L-1 à une tension de 40 kV et une fréquence allant de 5 à 25 kHz, en signal alternatif. Ils ont constaté que l’augmentation de la distance de 2 à 6 mm entre les électrodes diminuait la formation des espèces oxydantes telles que les radicaux OH^●.

I.3.4.3. Effet de la conductivité

La nature des décharges générées dépend fortement de la conductivité de la solution. Un streamer possède un diamètre d'environ un millimètre et peut se propager à plus d'un centimètre dans l'eau [102]. La densité électronique de ces streamers dans l'eau augmente avec la

conductivité de la solution et est de l'ordre de 1018 cm-3 lorsque la conductivité est de 210 S.cm-1 [103]. Dans l'eau déminéralisée ayant une conductivité bien plus faible, la décharge

est relativement faible [102]. Une certaine concentration d'ions (conductivité de l'ordre de 10-80 S cm-1) améliore la conduction, entraînant une décharge plus intense, un courant plus élevé, une longueur de streamer plus longue et une augmentation de la production d'espèces chimiquement actives [104]. Une valeur de conductivité entre 10-80 S.cm-1, est une valeur optimale pour un bon traitement par plasma. A cette valeur de conductivité, une forte émission des radicaux OH^● et O^● est obtenue ainsi qu’une forte production de H2O2 en phase gazeuse[103–105].

La conductivité de l'eau joue également un rôle important dans la génération de décharges couronnes et sur la production de espèces chimiquement actives [102–104]. Comme la décharge

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couronne est partielle (sans contact avec la contre-électrode), le courant de décharge doit être transféré par les ions présents dans la solution. Ainsi, une augmentation de la conductivité de l'eau (plus loin de la valeur optimale de 10-80 S.cm-1) entraîne une compensation plus rapide de la charge sur la tête de streamer (longueur du streamer plus courte) [103]. À faible conductivité, la décharge est limitée également.

I.3.4.4. Effet de la nature et du débit du gaz

Pour tous types de plasma, le taux de dégradation des composés organiques est plus élevé lorsque du gaz contenant de l'oxygène est injecté dans le réacteur [42,54,91,100]. La dissociation de l’oxygène permet la formation de plusieurs espèces réactives oxydantes (équations partie I.3.3) dans la phase gazeuse tels que O3, OH^●, O^● et dans la phase liquide tel que H2O2, NO3^-, NO2^-. Grabowski et al. [91] ont étudié la dégradation du phénol avec deux gaz, l’oxygène et l’air. La tension appliquée était de 40 kV, et une fréquence de 10 Hz avec un mode d’alimentation impulsionnel. Au bout de 5 minutes, et sans ajout des réactifs cités au paravent, 45% du phénol est dégradé dans l’air (pour une efficacité de 48 g.kWh-1). Cette efficacité énergétique est due au fait que la tension des pulses ainsi que la fréquence sont faibles. Dans l’oxygène pur, la dégradation obtenue est de 61% (rendement énergétique de 64 g.kWh-1). Par ailleurs, si on augmente le débit de l’oxygène, dans un mélange gazeux, cela provoquerait une diminution de la dégradation du polluant, étant donné que les espèces oxydantes produites en phase gazeuse sont évacuées du réacteur ou subissent des réactions de recombinaison avant d’atteindre la solution à traiter [91].

Tang et al. [100] ont étudié l’influence de l’humidité du gaz sur la formation d’espèces actives. Les résultats montrent que, l’azote et l’eau présents dans le gaz permettent d’accélérer la formation de radicaux hydroxyles mais empêchent la génération d’ozone. La radiolyse de l’eau (Eq I.8) peut former des radicaux H^● et OH^●. Par la suite, ces radicaux détruisent les molécules d'ozone par les équations suivantes :

H^● + O3 → OH● + O2 (Eq I.34) OH^● + O3 → HO2● + O2 (Eq I.35) Il a été aussi remarqué que plus on augmente le taux d’humidité dans l’oxygène, plus la vitesse de formation du peroxyde d’hydrogène augmente, et plus celle de la formation d’ozone diminue. Ceci s’explique par l’absorption de l’énergie électronique par la vapeur d’eau, qui conduira à la formation de radicaux H^●et HO●.

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En présence d'azote, les molécules d'azote ionisées électroniquement peuvent dissocier H2O pour former des radicaux OH^● et H^● par les réactions suivantes :

N2⁺ +H2O → 2 NH● + OH^● (Eq I.36) N2⁺ (H2O) + H2O → H3O+ + OH^● (Eq I.37) N2 (A3Ʃ) + H2O → N2 + OH^●+H^● (Eq I.38) Ils ont aussi remarqué qu’une augmentation du débit de gaz permet d’augmenter la formation de HO^●. Par ailleurs pour Sato et al. [66], la meilleure dégradation du phénol est obtenue en utilisant un débit d’argon. Dans ce cas, le débit gazeux de l’argon n’a eu aucune influence sur la dégradation.

I.3.5. Les travaux sur les plasmas utilisés pour le traitement des résidus