Oxydation du méthane à basse et haute température, application de procédés plasma et/ou catalyse

Abstract

Les travaux de recherche de cette thèse concernent les problèmes liés à l oxydation du CH4, gaz à effet de serre notoire provenant dans le cas présent du transport routier, et plus précisément l élimination du CH4 issu des gaz d échappement des moteurs de type Diesel. L oxydation totale du CH4 a été étudiée : - A basse température par procédé Plasma/Catalyse : de tous les systèmes testés, la combinaison d un système plasma froid de type DBD coaxial associé à un catalyseur Pd/Al2O3 en position POSTplasma permet l oxydation de 30 % du CH4 avec une énergie déposée de 225 J.L-1 (Q=600 mL.min-1, N2/O2/CO2/H2O/0,5%CH4, T=250 C, H=150 mm) tout en minimisant la production de O3 et en ne générant pas de NOx. Cependant, les puissances consommées (> kW) sont trop importantes pour une éventuelle application sur véhicules. - A basse température sur catalyseurs Pd/Al2O3 (température de light-off) : L étape de ré-oxydation de Pd est plus rapide sur des petites particules mais l activation du CH4 y est plus difficile en raison d une stabilisation plus importante des petites particules de PdO par le support. Une série de pulses réducteurs (CH4 ou C3H6) en conditions isothermes permet d activer le catalyseur et d atteindre un maximum de conversion. - A haute température sur catalyseurs Pd/(oxyde modifié) (pics haute température) : la synthèse d une alumine dopée (La, Sr, Ba, Mn) avec une surface spécifique de l ordre de 50 m2.g-1 permet d atteindre des taux de conversion de 90 % du CH4 à 700 C tout en maintenant une excellente stabilité thermique. Un mécanisme redox de type Mars et van-Krevelen, avec transfert de l oxygène du support vers les particules de palladium est proposé pour expliquer les différences en termes d activité catalytique et de stabilité thermique en comparaison au catalyseur de référence Pd/Al2O3.This research work deals with CH4 oxidation coming from road transport, CH4 being a well-known greenhouse gas, with CH4 removal from exhaust gas of Diesel engine. Total CH4 oxidation has been studied : - At low temperature by Plasma/Catalysis process : from all the systems tested, the combination of a coaxial DBD non-thermal plasma combined with Pd/Al2O3 catalyst in POST-plasma position allows to convert 30 % of CH4 with an energy of 225 J.L-1 (Q=600 mL.min-1, N2/O2/CO2/H2O/0.5%CH4, T=250 C, H=150 mm) while minimising O3 production and avoiding NOx production. However, the power consumed (> kW) is too significant for prospective vehicle applications. - At low temperature on Pd/Al2O3 catalysts (light-off temperature) : the re-oxidation step of Pd is faster on small particles but CH4 activation is more difficult due to stabilization of small PdO particles by the support. A series of reductant pulses (CH4 or C3H6) in isothermal conditions allows to activate the catalyst and to reach a maximum of conversion. - At high temperature on Pd/(modified oxide) catalysts (peak at high temperature) : (La, Sr, Ba, Mn) doped alumina preparation with a specific surface area of 50 m2.g-1 allows to reach 90 % of CH4 conversion at 700 C and to maintain an excellent thermal stability. A Mars and van-Krevelen mechanism, with oxygen transfer from support to palladium particles is proposed in order to explain catalytic activity and thermal stability differences in comparison to the Pd/Al2O3 reference catalyst.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF