Traitement de l'acétaldéhyde par décharges électriques impulsionnelles dans les mélanges de gaz atmosphériques (cinétique et efficacité énergétique)

Cette thèse a pour objet l analyse de la cinétique de la conversion de l acétaldéhyde, CH CHO, à des concentrations initiales inférieures ou égale à 5000 ppm dans un mélange de gaz à base d azote et contenant jusqu à 20% d oxygène, à température ambiante. L étude a été réalisée en utilisant trois réacteurs mettant en œuvre des décharges de qualités spatiales différentes. Il s agit d un réacteur (UV510) à décharge pré-ionisée (photo-déclenchée) par rayonnement UV produisant un plasma homogène, et de deux réacteurs à décharge à barrière diélectrique (DBD), de géométrie plane (plan-plan) et de géométrie cylindrique (tige-tube) alimentés par impulsion HT et produisant des plasmas non homogènes à faible (plan) ou forte (cylindre) filamentation ; un diagnostic d imagerie rapide (ns) de la DBD de géométrie plane montre que le plasma peut être considéré quasi-homogène. En s appuyant sur une modélisation 0D auto-cohérente de la décharge photo-déclenchée, l étude de la cinétique du mélange N /CH CHO montre l importance des états métastables de la molécule d azote, triplet A u , et singlets (groupe a' u, a g, et w u) dans la dissociation de l acétaldéhyde. Un coefficient minimum de 6.5.10 cm .s est estimé pour le quenching des singlets par l acétaldéhyde. Le coefficient du triplet est estimé entre 4.2.10 cm .s et 6.5.10 cm .s . Cette dissociation produit des radicaux (CH , CH CO, HCO, H, O) et des molécules (CH , CH CO, C H , C H , H , CO). Ainsi les sous-produits majoritaires mesurés à la fin de la post décharge temporelle sont le méthane, le dihydrogène, le monoxyde de carbone et l éthane. Les minoritaires sont l acétylène, l éthène, l acétone et l acétonitrile. Dans les mélanges contenant de l oxygène, l importance de la dissociation de CH CHO par quenching des états métastables de N diminue au profit des processus d oxydation par le radical hydroxyle, OH, et l oxygène atomique, O ( P). La mesure résolue en temps du radical OH dans la post-décharge du réacteur UV510 montre une très forte réactivité de ce radical avec les sous-produits de conversion de l acétaldéhyde. Une densité maximum de OH égale à 3.5.10 cm a été mesurée pour 10 % d oxygène et 5000 ppm d acétaldéhyde. Le schéma cinétique adopté pour ces mélanges donne, par la modélisation auto-cohérente, une valeur de densité plus élevée. Toutefois, la conversion de l acétaldéhyde dans N /O /CH CHO est bien expliquée par le modèle, de même que les concentrations produites de méthane et d éthane. Enfin, la comparaison de l efficacité énergétique des trois réacteurs étudiés montre que l homogénéité de la décharge favorise, pour des milieux pauvres en oxygène (moins de 2 %), la conversion de l acétaldéhyde.The present study deals with the kinetics analysis of acetaldehyde (CH CHO) conversion in electrical discharges with different spatial qualities et at room temperature. Acetaldehyde concentrations up to 5000 ppm in nitrogen-based gas mixture containing up to 20% of oxygen have been investigated. Three different plasma reactors were used: an UV510 reactor producing a homogeneous plasma thanks to a pre-ionization by UV radiation (photo-triggered), a plane-to-plane and a rod-tube dielectric barrier discharges (DBDs) reactors, In both DBDs reactors discharges were driven by high voltage pulses allowing the production of weakly inhomogeneous plasma in the plane geometry and highly filamentary discharges in the cylindrical one. A high speed imaging diagnostic (ns range) of the plane-to-plane DBD shows that the plasma can be considered quasi-homogeneous. Based on a self-consistent 0D model, the kinetics study of the N /CH CHO mixture conversion in the photo-triggered discharge shows the importance of nitrogen molecule metastable states , i.e. the triplet A u and the singlets group a' u, a g, et w u, in the acetaldehyde dissociation process. A minimum coefficient of 6.5.10 cm .s has been estimated for the quenching of N singlets state by acetaldehyde. For the triplet states quenching the coefficient of has been evaluated between 4.2.10 cm .s and 6.5.10 cm .s . This dissociation process produces radicals as CH , CH CO, HCO, H, O, and molecules like CH , CH CO, C H , C H , H , CO. Thus, the major by-products detected at the end of the post-discharge time are methane, hydrogen, carbon monoxide and ethane; smaller amounts of acetylene, ethene, acetone and acetonitrile were also detected. In containing oxygen mixtures, the importance of the CH3CHO dissociation processes due to N metastable states quenching of decreases in favor of oxidation processes promoted by the hydroxyl radical, OH, and atomic oxygen, O ( P). Time-resolved measurements of the OH radical in the photo-triggered post-discharge show a very high reactivity of this radical with the by-products of acetaldehyde conversion. A maximum density of OH radical equal to 3.5.10 cm was measured for 10% oxygen and 5000 ppm of acetaldehyde. The kinetic scheme adopted in the self-consistent model for the same gas mixture gives a higher density value; by the way the model is in good agreement with the acetaldehyde conversion in N /O /CH CHO mixtures, as well as with the methane and ethane produced concentrations. Finally, the comparison of the three studied reactors energy efficiency shows that, for low oxygen content (less than 2%), the homogeneity of the discharge promotes the acetaldehyde conversion.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Influence of water vapour on the propagation speed and mean energy of an atmospheric non-equilibrium diffuse discharge in air

We report results on the influence of humidity on the propagation and the energy of a pin-to-plane nanosecond pulse discharge at atmospheric pressure. Water vapour only impacts discharges in saturated gas mixtures, for which propagation is first slowed down, but accelerates faster than usual close to the plane. Energy is unchange

TRAITEMENT PAR PLASMA NON-THERMIQUE DES EFFLUENTS ISSUS D'UN MOTEUR FONCTIONNANT DANS DES CONDITIONS D'EXCES D'AIR

ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Decharge nanoseconde dans l'air et en melange air / propane. Application au declenchement de combustion

Cette étude a pour objet les décharges haute-tension nanoseconde dans l'air à des pressions supérieures ou égale à la pression atmosphérique, en géométrie pointe-plan, et leur application au déclenchement de combustion en mélange air/propane. Ces décharges fortement hors-équilibres sont susceptibles de former une concentration significative d'espèces réactives et nous analysons leur capacité à allumer un mélange combustible. Le générateur conçu est capable de fournir une impulsion de tension carrée de 40 à 80 kV avec un front de montée raide de 3 ns. A la pression atmosphérique, nous observons un type de décharge peu commun dans les précédentes études expérimentales de décharges couronnes: la décharge diffuse. On retrouve une décharge de type filamentaire en augmentant la distance pointe-plan ou en augmentant la pression, toutes choses égales par ailleurs. Nous mettons en avant par imagerie CCD rapide deux phases de développement de ces décharges, également analysées à l'aide de simulations COMSOL. Pour une pression de 1 bar, l'application de ces décharges à un mélange combustible air/propane provoque un allumage à la pointe, avec une énergie minimale de décharge de 8+-2 mJ. L inflammation est obtenue pour une impulsion de tension unique, et la richesse minimum pour l obtenir est 0,7. La question de la contribution de l'apport radicalaire en comparaison de l'apport thermique à l'apparition du noyau de flamme se pose. L'analyse paramétrique basée sur l'effet de l'atome d'oxygène sur les délais d'inflammation montre qu'il est nécessaire de convertir entre 0,5 et 0,8% d'oxygène moléculaire pour pouvoir allumer à délai équivalent et avec 100 K de moins par rapport à une auto-inflammation. Par ailleurs, la température du gaz à 1 mm de la pointe a été mesurée par spectroscopie Raman spontanée, en collaboration avec le laboratoire CORIA (Rouen): cette température reste proche de l ambiante pour une énergie de 30 mJ et une concentration de propane de 1,7 %. Ainsi les radicaux jouent probablement un rôle non négligeable dans le déclenchement de combustion par décharge nanoseconde mono-impulsionnelle.The present study deals with high voltage nanosecond discharges in air at equal or higher pressure than the atmospheric pressure in a point-to-plane geometry, and how they apply to the combustion triggering in air/propane mixtures. These highly non-equilibrium discharges can produce a significant concentration of reactive species and we analyse their ability to ignite combustion. The generator can produce a pulse voltage of 40 to 80 kV with a steep rise front of 3 ns. We observe an uncommon type of discharge at atmospheric pressure: the diffuse discharge. The common filamentary discharge occurs when we increase the point-to-plane distance or the pressure, all else being equal. With fast CCD imaging, we are able to identify two phases in the discharge evolution, which are also analysed with COMSOL simulations. At pressure of 1 bar, discharges can ignite an air/propane mixture at the point, with a minimal discharge energy depositing of 8+-2 mJ. Combustion occurs with a single voltage pulse, the minimal equivalence ratio being 0,7. This brings up the question of the contribution of the radical part as compared to the thermal part as the kernel of the flame. The parametric analysis based on the effect of the oxygen atom on the ignition periods show that it is necessary to convert between 0,5 and 0,8% of molecular oxygen in order to ignite with a similar time period and temperature reduced by 100K, as compared to auto-inflammation. Moreover the temperature of gas at 1 mm from the point has been measured by Raman Spectroscopy, in collaboration with the CORIA laboratory (Rouen): this temperature remains close to the ambient one for deposited energy of 30 mJ and a propane concentration of 1,7%. Thus radicals may play quite an important part in the triggering of combustion by nanosecond mono-pulse discharges.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Atmospheric pollutant removal by non-thermal plasmas : basic data needs for understanding and optimization of the process.

International audienc

Atmospheric pollutant removal by non-thermal plasmas : basic data needs for understanding and optimization of the process.

International audienc

Periodic forced flow in a nanosecond pulsed cold atmospheric pressure argon plasma jet

International audienceThis paper is devoted to the study of the argon flow modification in a cold atmospheric pressure plasma jet driven by nanosecond high voltage (HV) pulses, from single to multiple HV shots applications. A schlieren optical bench has been designed in order to visualize the argon flow downstream expansion in quiescent air, for moderate flow rates below 1 standard liter per minute. A coupled approach is used between charge coupled device (CCD) schlieren imaging and intensified CCD (ICCD) plasma plume imaging, both time-resolved. It is shown that the application of only one HV pulse (i.e. single HV shot) is enough to disturb the flow. The disturbed flow exhibits ripple propagation, on a timescale similar to the flow velocity. When operating in double HV shots, the second ionization wave can be used as a probe, to instantly visualize the flow structure any time after the first HV pulse application. For some flow rates, the ripple can increase in amplitude up to the point when it strongly deforms, or even stops, the plasma plume expansion, after which it is entrained by the flow and the plasma plume retrieves its full usual expansion. When a series of HV pulses are applied, the maximal disturbance of the flow is achieved for a certain pulse repetition frequency (PRF), specific of each flow rate. It is associated with ripples alternation in the plasma plume, in a 3D helicallike arrangement. For greater PRF, the ripples progressively vanish, and the flow is clearly less disturbed. Once the ripples have vanished, increasing further the PRF does not change the plasma plume and flow structures. We suggest that the repetitive plasma ignition mechanically forces the flow inside the capillary with consequences on the global flow structure, similarly to a forced backward-facing step flow with actuator

Naphthalene oxidation by different non-thermal electrical discharges at atmospheric pressure. Plasma Science and Technology

International audienc

Influence of the applied HV-pulse rise time on the removal efficiency of n-hexane in a DBD

International audienc