Étude cinétique de la dégradation photocatalytique de composés organiques volatils (COV) et modélisation par une approche numérique de la mécanique des fluides PDF Download
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Author: Amélie Queffeulou
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Pages : 278
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Les COV présents en air intérieur sont une source d'inconfort pour les occupants et peuvent être nocifs pour la santé. La photocatalyse apparaît comme un procédé prometteur pour l'abattement de ces polluants. ArcelorMittal Liège Research développe à cet effet des films minces de TiOB2B déposé sur acier qui peuvent être intégrés dans des systèmes de purification d'air. Les objectifs de cette recherche sont, d'une part, identifier les paramètres influençant la dégradation photocatalytique de ces COV avec ce type de catalyseur et d'autre part, valider la possibilité de prédire les performances d'un réacteur photocatalytique par un modèle couplant l'écoulement et la réaction photocatalytique. Pour réaliser l'étude cinétique à des teneurs de quelques ppm, un dispositif expérimental adapté a été conçu ; il utilise un réacteur annulaire continu. L'acétaldéhyde a été choisi comme polluant modèle. La conversion dépend de la concentration en polluant, du taux d'humidité, de la température, de l'intensité lumineuse en UV et de la présence d'autres COV. La réaction est modélisée avec un modèle théorique surfacique de la réaction photocatalytique. Afin de prédire les performances d'un réacteur photocatalytique utilisant des films minces de TiOB2B, une méthodologie consistant à coupler l'écoulement et la réaction photocatalytique a été développée et validée. La distribution spatio-temporelle de la concentration en polluant est alors déterminée par une approche de mécanique des fluides numériques. La comparaison des résultats expérimentaux et des simulations obtenus avec un réacteur photocatalytique de laboratoire et un autre à l'échelle semi-pilote est très satisfaisante.
Author: Amélie Queffeulou
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Les COV présents en air intérieur sont une source d'inconfort pour les occupants et peuvent être nocifs pour la santé. La photocatalyse apparaît comme un procédé prometteur pour l'abattement de ces polluants. ArcelorMittal Liège Research développe à cet effet des films minces de TiOB2B déposé sur acier qui peuvent être intégrés dans des systèmes de purification d'air. Les objectifs de cette recherche sont, d'une part, identifier les paramètres influençant la dégradation photocatalytique de ces COV avec ce type de catalyseur et d'autre part, valider la possibilité de prédire les performances d'un réacteur photocatalytique par un modèle couplant l'écoulement et la réaction photocatalytique. Pour réaliser l'étude cinétique à des teneurs de quelques ppm, un dispositif expérimental adapté a été conçu ; il utilise un réacteur annulaire continu. L'acétaldéhyde a été choisi comme polluant modèle. La conversion dépend de la concentration en polluant, du taux d'humidité, de la température, de l'intensité lumineuse en UV et de la présence d'autres COV. La réaction est modélisée avec un modèle théorique surfacique de la réaction photocatalytique. Afin de prédire les performances d'un réacteur photocatalytique utilisant des films minces de TiOB2B, une méthodologie consistant à coupler l'écoulement et la réaction photocatalytique a été développée et validée. La distribution spatio-temporelle de la concentration en polluant est alors déterminée par une approche de mécanique des fluides numériques. La comparaison des résultats expérimentaux et des simulations obtenus avec un réacteur photocatalytique de laboratoire et un autre à l'échelle semi-pilote est très satisfaisante.
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Author: Nadjet Hadj Salah
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La première partie de ce travail est consacrée à l'évaluation de l'efficacité photocatalytique de plusieurs semiconducteurs commerciaux. La comparaison est basée sur la détermination de leurs propriétés physiques : diamètre des particules, taille des cristallites, structure cristallographique, propriétés électroniques, composition chimique ainsi que capacité d'adsorption. L'efficacité photocatalytique est testée sur le phénol, un polluant modèle. Alors que ZnO présente une activité photocatalytique légèrement supérieure à celle des différents TiO2 étudiés, c'est pour le TiO2 P25 que la plus faible résistivité a été observée. C'est donc au sein de ce dernier que la circulation électronique est la meilleure. L'existence de différentes formes cristallographiques pour le TiO2 est démontrée être également un autre paramètre fondamental gouvernant la réactivité. Si la partition anatase/rutile (80/20%) est donc importante, le fait que le TiO2-P25 soit formé d'un seul cristallite le semble tout autant, car c'est tout le grain qui peut être considéré comme actif.Une seconde partie est dédiée à l'étude de la dégradation photocatalytique d'un colorant, le Vert Cibacron (RG12) utilisé dans l'industrie textile. Le travail est réalisé en suspension aqueuse en présence de dioxyde de titane TiO2-P25. La décoloration de la suspension est effective après 90min de traitement et s'accompagne d'une minéralisation partielle de 60% pour une gamme de concentration initiale en RG12 entre 10-40 mgL-1. Pour déterminer le mécanisme général de la photocatalyse, des investigations thermodynamiques et cinétiques ont été menées sur l'adsorption du colorant sur TiO2-P25. La chimisorption s'est avérée être le processus spontané endothermique majoritaire se déroulant à la surface du photocatalyseur. La cinétique d'adsorption suit globalement une loi de pseudo-ordre deux accompagnée d'un mécanisme de diffusion intraparticulaire observé aux fortes concentrations (80-120 mgL-1) mettant en avant les mésopores du matériau. Un modèle faisant intervenir une adsorption compétitive des espèces à la surface du photocatalyseur a été élaboré. Les molécules de colorant, de sous-produits de dégradation, les molécules d'eau et ions hydroxydes, ainsi que le dioxygène présent en solution et à la surface du TiO2 sont supposés entrer en compétition vis à vis des mêmes sites d'adsorption. Il est alors observé que l'inverse de la constante de dégradation photocatalytique du colorant dépend d'un polynôme du second degré de la concentration initiale du colorant de départ.Afin de contrecarrer le problème récurrent de la filtration des suspensions aqueuses de TiO2, la fixation de TiO2 par la méthode PMTP sur des plaques de verre a été étudiée. La caractérisation des dépôts par MEB et DRX a permis de montrer que ceux-ci étaient homogènes. Les performances du TiO2 supporté ont été comparées au procédé photocatalytique classique en suspension aqueuse sur le colorant Vert Cibacron dans un réacteur à recirculation de 500 mL dont les conditions optimales de fonctionnement ont été déterminées. Le modèle précédent de compétition d'adsorption des espèces à la surface du photocatalyseur, s'est montré adapté à décrire les résultats expérimentaux comparativement au modèle de Langmuir-Hinshelwood.Enfin, le couplage photocatalyse/sonolyse a été examiné pour la dégradation du vert Cibacron. Le dosage des espèces actives générées par chaque technique a été réalisé. Une synergie est apparue lors du couplage de la photocatalyse sous irradiation solaire en présence d'ultrasons 500 kHz.
Author: Frédéric Batault
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Les Composés Organiques Volatils (COV) font partie des principaux polluants de l'air intérieur. L'oxydation photocatalytique sur TiO2 est un procédé qui permet de traiter l'air en éliminant les COV. Les objectifs de ce travail sont d'étudier (1) l'adsorption simple et compétitive des COV sur TiO2, (2) la cinétique de l'oxydation photocatalytique d'un mélange de COV, (3) l'effet de la géométrie du média photocatalytique, de l'intensité lumineuse, de la vitesse d'écoulement et de la concentration initiale sur l'efficacité du traitement. Dans le but de se rapprocher des conditions réelles du traitement de l'air intérieur, les dégradations de COV sont effectuées sous une humidité relative de 50 % et avec des concentrations initiales en COV inférieures à la ppm. Les COV étudiés sont le formaldéhyde, l'acétaldéhyde, l'acide acétique, le toluène et le décane. Les résultats montrent principalement que (1) l'adsorption des COV est affectée par l'humidité de différentes manières, ces mécanismes doivent être pris en compte lors de la modélisation de l'oxydation photocatalytique des COV en mélange, (2) les vitesses de dégradation des COV sont plus faibles en présence d'autres COV, dans les réacteurs fermés agités comme dans les réacteur dynamiques multi-passages, (3) les propriétés d'adsorption des COV permettent l'interprétation des effets de mélange, mais d'autres phénomènes participent à ces effets, (4) le contact entre l'air et le photocatalyseur joue un rôle important sur les performances du traitement photocatalytique, l'efficacité augmente lorsque le média est placé de manière à augmenter la longueur de ce contact et lorsque la vitesse d'écoulement de l'air diminue.
Author: Arezki Fadli
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L'utilisation extremement importante de composes organiques volatils (cov) comme solvants, intermediaires de synthese, fluides frigorigenes, etc dans nos societes industrialisees est devenue une preoccupation majeure pour la protection de notre environnement. Face a une reglementation de plus en plus contraignante, les industriels se trouvent dans l'obligation de limiter les emissions de cov issues de leurs procedes. La mise en place de techniques de destruction thermique propres c'est-a-dire suffisamment performantes et fiables pour permettre le respect des limites d'emissions des rejets vers l'environnement suppose une meilleure connaissance des processus responsables de la degradation des compose organiques traites et plus particulierement, celle du mecanisme de formation des polluants atmospheriques qui leur sont associes. L'objectif de ce travail est de contribuer a une meilleure connaissance des processus de degradation thermique de quelques molecules modeles appartenant a differentes types d'organochlores tels que le dichloromethane (compose paraffinique), l'hexachlorobutadiene (compose insature) et le monochlorobenzene (compose aromatique). Les processus d'oxydation thermique de ces trois composes ont ete etudies par la methode du reacteur tubulaire ouvert a 1 atm. Entre 600 et 1100c. Les principales especes moleculaires intermediaires et finales ont ete identifiees et analysees en fonction de la temperature et pour des temps de sejour compris entre 0,5 et 3 secondes. Le monoxyde de carbone s'avere etre le compose intermediaire majoritaire forme lors de l'oxydation thermique de ces trois composes. Dans le cas de l'hexachlorobutadiene et du dichloromethane, le phosgene constitue l'intermediaire organique majoritaire alors que l'acetylene joue ce role pour le chlorobenzene.
Author: Fouad Araiedh
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La photocatalyse laisse entrevoir un large champ d'applications dans de nombreux domaines parmi lesquels figurent principalement ceux du traitement et de la purification de l'eau et de l'air. Ceci constitue une des raisons pour lesquelles les études fondamentales des processus de dégradation des molécules organiques à la surface des photocatalyseurs concernent le plus souvent les phases liquides et gazeuses. Les développements plus récents des applications de la photocatalyse dans le domaine des surfaces autonettoyantes ont soulevé des problématiques fondamentales concernant les mécanismes de dégradation photocatalytique de composés solides tels que les suies et les acides gras. Ces problématiques restent encore peu abordées dans la littérature malgré les enjeux majeurs en terme environnemental et méritent donc des travaux de recherche plus approfondis. Cette thèse porte sur l'étude des modes de dégradation photocatalytique de dépôts solides d'acide stéarique (AS) sur des couches minces de dioxyde de titane. Dans ce travail, des approches expérimentales originales basées sur la microscopie optique sont mises en œuvre pour suivre la dégradation photocatalytique de ces dépôts d'AS à l'échelle microscopique sous exposition à la lumière ultraviolette. Les dépôts d'AS se présentent sous forme d'îlots microscopiques présentant une distribution de taille et de forme. Sur la base d'un nouveau modèle cinétique que nous proposons, le lien existant entre la vitesse de dégradation photocatalytique du dépôt et la distribution de taille initiale de la population d'îlots est mis en évidence. Le modèle cinétique développé permet de rationaliser nos résultats et de concilier d'autres résultats, jusqu'alors contradictoires, de la littérature. Ce travail propose en outre une étude originale sur la dégradation photocatalytique de microcristaux d'AS déposés sur des couches minces de TiO2 microstructurées qui a permis d'appréhender le rôle des radicaux libres dans le processus de dégradation photocatalytique. La démarche expérimentale est basée sur le lien étroit existant entre l'orientation des molécules, inhérente à la structure propre des microcristaux, et les directions des plans cristallographiques {hkl}. Ainsi, nous mettons en évidence une dépendance en {hkl} des vitesses de dégradation des microcristaux qui est justifiée à l'échelle moléculaire par l'affinité des radicaux pour les terminaisons chimiques exposées selon ces plans cristallographiques.
Author: Lyamine Messaadia
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Cette thèse porte sur l'étude de dégradation atmosphérique de quelques composés organiques volatils oxygénés par les principaux oxydants atmosphériques OH, Cl, et NO3. Ce travail, comporte, d'une part la détermination des spectres d'absorption UV-Visible des composés hydroxycarbonylés (Hydroxyacétone (HAC), 4-hydroxy-2-butanone (4HB), 3-hydroxy-2-butanone (3HB) et 3-methyl-3-hydoxy-2-butanone (3H3M2B) et d'autre part les mesures cinétiques de la réaction du composé HAC avec le chlore atomique et le radical nitrate. Les réactions entre 4HB et 3H2B avec les radicaux OH et le chlore atomique ont aussi été étudié. Les mesures d'absorption ont été réalisées dans la gamme de température 250 et 363 K à l'aide d'une lampe D2 couplé à un monochromateur. Les valeurs de section obtenues sont utilisées pour calculer la constante de photolyse et d'estimer les durées de vie dans la troposphère des composés étudiés. Les résultats suggèrent que la photolyse pourrait être un processus important pour ces espèces dans la troposphère. Les résultats des études cinétiques, montrent une légère variation des constantes de vitesse avec la température. Nous avons aussi étudié les composés dicétones : 2,4-pentanedione et 2,3-pentanedione. Cette étude porte sur la détermination des spectres d'absorption UV-Visible des composés dicétones et l'étude cinétique de leur réaction avec les radicaux OH en fonction de température. Pour les deux composés une variation de température de plus de 60 % est observée. Les calculs théoriques ont été effectués avec deux programmes différents. Avec logiciel Gaussian 03 nous avons réalisé une optimisation de la géométrie des minima, complexes et états de transition au niveau B3LYP/6-311G++(2d, pd). La méthode composite de haut niveau CBS-QB3 a été utilisée. Et avec le logiciel ChemRate pour les calculs cinétique, et la détermination des constantes de vitesse en phase gazeuse de la réaction étudié en fonction de la température. Les calculs des niveaux d'énergies montrent l'existence d'une étape réactionnelle où il se produit d'un complexe intermédiaire suivi d'une abstraction d'un atome d'hydrogène.
Author: Anthony Lannoy
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La photocatalyse hétérogène est une technique d'oxydation avancée prometteuse dans le domaine de la dépollution d'effluents aqueux ou gazeux industriels contenant des composés organiques tels que les colorants, engrais, pesticides ou composés organiques volatils (COV). La photocatalyse met en oeuvre l'excitation d'un matériau semi-conducteur par une radiation lumineuse et dans ce contexte le dioxyde de titane (TiO2) est le photocatalyseur le plus couramment employé. Cependant, son activité est liée à de nombreux paramètres (longueur d'onde d'irradiation, paramètres texturaux, composition cristalline...) qu'il convient de maitriser si on veut concevoir un système de dépollution efficace. Afin d'améliorer les performances du TiO2, différentes approches ont émergé durant les dernières décennies, telles que ledopage par des métaux de transition ou le dopage par des composés organiques.Le sujet de la thèse s'est inscrit dans ce contexte et a porté sur le développement de systèmes photocatalytiques élaborés en présence de cyclodextrines (molécules cages formées par l'enchainement d'unités glucosidiques) pour la dégradation de polluants organiques en phase aqueuse. Il s'articule en trois parties principales. La première partie a été consacrée à la possibilité de combiner directement l'action d'un dioxyde de titane commercial (P25) en suspension aqueuse en présence de cyclodextrines pour améliorer le rendement de réactions photocatalysées. Appliquée à la dégradation photocatalytique d'un COV hydrophobe (toluène) dans l'UV, l'étude n'a pas montré d'impact positif des cyclodextrines. Les résultats ont été rationnalisés par l'évaluation des capacités d'adsorption des cyclodextrines sur la surface duphotocatalyseur et des constantes d'association 1:1 CD:toluène. Le deuxième partie a porté sur la synthèse d'une série de matériaux mésoporeux TiO2 par voie sol-gel colloïdale en utilisant comme agents structurants des assemblages supramoléculaires de type Pluronic 123-cyclodextrine partiellement méthylée (micelles). L'introduction de cyclodextrine méthylée en quantité contrôlée permet de jouer sur le glonflement des micelles. Après élimination de l'agent template par calcination, il est mis en évidence qu'il est possible de moduler les paramètres texturaux et structuraux du dioxyde de titane. Ces matériaux ont été évalués dans la réaction de dégradation de l'acide phénoxyacétique en phase aqueuse sous une irradiation proche du rayonnement visible (365 nm). Dans la troisième partie, le développement de matériaux mésoporeux TiO2 par voie sol-gel colloïdale a été poursuivi en substituant les assemblages supramoléculaires comme agents structurants par des cyclodextrines seules. Les paramètres de synthèse ont été optimisés avec différentes types de cyclodextrines (natives ou modifiées) et différentes concentrations.Les meilleurs résultats en termes de dégradation photocatalytique de l'acide phénoxyacétique à 365 nm ont été obtenus avec le matériau R25-T500 préparé à partir de cyclodextrine alétoirement méthylée à 25 g/L. Enfin, l'incorporation d'or sous forme HAuCl4 durant le protocole de synthèse a même permis d'observer une augmentation de l'activité photocatalytique sous irradiation à 420 nm comparativement au catalyseur référence TiO2 P25.
Author: Hubert Latappy
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Les matériaux polymères sont aujourd'hui très présents dans notre environnement et deviennent irremplaçables pour de nombreuses applications : emballage, textile, mobilier,... La connaissance du cycle de vie de ces matériaux, de la production à leur destruction, devient importante pour nos sociétés. Par exemple ces matériaux peuvent émettre des Composés Organiques Volatils qui sont souvent toxiques et leur impact sur le milieu doit être évalué. L'objectif de ce travail de thèse a été de développer une méthode au laboratoire pour identifier et quantifier ces émissions. La difficulté provient de la grande diversité des composés qui peuvent être émis. Par ailleurs la méthode nécessite une fréquence de mesure élevée (temps réel) souvent incompatible avec les techniques actuelles. Une solution analytique couplant un four et un spectromètre de masse haute résolution associé à une méthode d'ionisation chimique contrôlée a été développée. Celle-ci est basée sur un spectromètre FT-ICR compact à bas champ magnétique : BTrap. Les points forts de cette technique sont la très haute résolution en masse qui permet de mesurer la masse exacte des composés et la détection multi composés, simultanée sur toute la gamme de masse. L'ionisation chimique contrôlée permet l'ionisation douce et quantitative des molécules d'intérêt. Le transfert de proton à partir de l'ion H3O+ (PTRMS) a montré son potentiel pour la détection des COV dans de nombreux domaines. Après une présentation du contexte et du besoin, le dispositif expérimental développé est détaillé. La validation de celui-ci pour l'analyse de gaz traces a été effectuée au LPGP, sur un système de dépollution par plasma froid. Les résultats de dégradation de l'acétaldéhyde en fonction des conditions de fonctionnement du réacteur sont présentés.L'ionisation par PTR conduit habituellement à la molécule protonée ce qui simplifie l'identification. Cependant des fragmentations peuvent être observées. L'utilisation d'un précurseur d'ionisation chimique plus lourd et moins réactif que H3O+ pourrait minimiser ces phénomènes. L'utilisation du diflurobenzène protoné a été testée et comparée à celle de l'ion H3O+. Pour cela, des études cinétiques ont été menées sur une série d'alcools connus pour fragmenter avec H3O+, et confirment l'intérêt du nouveau précurseur.Le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) est un matériau très répandu : plexiglass. Sa dégradation est a priori relativement simple puisqu'il s'agit très majoritairement d'une dépolymérisation, accompagnée de la formation de produits minoritaires. En conséquence, son étude nous a paru intéressante pour la mise au point et la validation de la méthode. La dégradation du PMMA a été étudiée sous atmosphère inerte, puis oxydante. Les résultats obtenus sont présentés : produits émis, bilan en masse, et apport du suivi en temps réel de la dégradation, montrant en particulier que les produits minoritaires sont émis après le monomère.Enfin une dernière partie de conclusion présente les perspectives pour cette nouvelle méthode.
Author: Abdouelilah Hachimi
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Pages : 166
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Dans le cadre d’une approche microcinétique de la réduction des composés organiques volatils (COV), la présente étude a pour objectif la détermination des paramètres impliqués dans le contrôle de l’équilibre d’adsorption des composés organiques volatils (COV) par une méthode originale appelée TPAE (Temperature Programmed Adsorption Equilibrium). Deux familles de COV ont été sélectionnées : les alcools et les aromatiques. Deux familles d’adsorbants ont été considérées : les oxydes métalliques (silice et alumine) et les carbones (les suies Diesel réelles (DPX-9) et modèle (Printex-U) et le charbon actif). Expérimentalement la méthode TPAE consiste à adsorber à 300 K un COV sous une pression d’adsorption Pa jusqu'à l’équilibre d’adsorption, puis à suivre par GC-FID l’évolution de la pression d’adsorption lors d’une monté linéaire de la température à faible vitesse pour limiter l’augmentation de la pression à moins de 30% de la pression initiale. Ces données permettent d’obtenir l’évolution expérimentale du recouvrement avec Ta en quasi isobare. Cette courbe est ensuite comparée aux courbes théoriques obtenues en considérant des espèces adsorbées soit localisées soit mobiles avec une chaleur d’adsorption soit constante soit dépendante du recouvrement. Ceci correspond aux modèles de Langmuir et de Temkin pour les espèces localisées soit les modèles de Hill pour les espèces mobiles. Il a été montré que les espèces adsorbées formées par les différents COV sont localisées avec des chaleurs d’adsorption en accord avec la littérature. L’utilisation de la méthode TPAE a été étendue à la caractérisation de la compétition d’adsorption entre COV aromatiques et les alcools sur la silice. Il a été ainsi montré que la méthode TPAE peut être utilisée pour la caractérisation de l’adsorption des molécules de structures simples et complexes
