Contribution à l'étude de plasmas d'arc immergé : applications à la décontamination et à la gazéification d'effluents organiques aqueux

Discipline

Chimie et Microbiologie de l'Eau

Classification

Chimie, minéralogie, cristallographie,

Technologie (Sciences appliquées),

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

pollution et polluants, matière organique, décontamination, plasmas, gazéification, arc électrique

Mots-clés

Eau -- épuration - Thèses et écrits académiques,

Eau -- Pollution par les composés organiques - Thèses et écrits académiques,

Arc électrique - Thèses et écrits académiques,

Jets de plasma - Thèses et écrits académiques

Ce mémoire concerne la décontamination et la gazéification d'effluents organiques aqueux à l'aide d'une technologie utilisant des plasmas d'arc immergé. Le concept consiste à utiliser d'une part les hautes températures du plasma d'arc pour décomposer les composés organiques et d'autre part la trempe thermique (de l'ordre de 107-108K/s) obtenue par immersion du gaz produit dans la solution à traiter. Deux types de plasmas d'arc sont étudiés: un arc électrique immergé produit entre deux électrodes de graphite et un jet de plasma généré par une torche à plasma d'arc non transféré. Pour les effluents faiblement concentrés « 1 g/L) et contenant des molécules réfractaires aux traitements biologiques, les radicaux hydroxyles OH° produits en continu par l'éjection d'un jet de plasma dans la solution permettent la minéralisation complète en dioxyde de carbone et en eau des molécules; les hétéroatomes sont convertis en ions solvatés. Les décompositions de molécules telles que les chlorophénols et l'aniline, sont étudiées. Un mécanisme réactionnel est proposé à partir des produits intermédiaires identifiés. Le réacteur expérimental met en oeuvre le phénomène de gazosiphon: il assure la recirculation simultanée des phases liquide et gazeuse qui est évaluée par la mesure des vitesses issue de l'analyse d'images obtenues par cinématographie rapide. La simulation numérique du phénomène de recirculation est réalisée à l'aide d'un code CFD. Les vitesses obtenues lors de la simulation sont confrontées aux résultats expérimentaux. Pour les effluents plus fortement concentrés (> 100 g/L), le cracking thermique des molécules organiques conduit à la production d'un gaz de synthèse riche en monoxyde de carbone et en hydrogène (45 % de H2 et 45 % de CO quand on utilise le procédé à arc électrique immergé). Les deux types de plasmas d'arc sont évalués pour cette application. L'effluent est simulé par une solution de fructose et de glucose (quelques centaines de g/L). L'étude de l'arc électrique immergé est réalisée par spectroscopie d'émission optique et par cinématographie rapide. L'étude de la gazéification par plasma thermique est faîte selon une approche « génie des procédés » à l'aide d'un plan d'expériences. Des essais avec des effluents issus de l'industrie oléicole et papetière complètent ces travaux.