dans les zéolithes par traitement plasma non-thermique

Sujet master 2- E4-2016
Développement d'un plasma non-thermique dans un liquide: valorisation de produits
issus de la biomasse
Catherine Batiot-Dupeyrat (E4, IC2MP), Elodie Fourré (E4, IC2MP), Christophe
Louste (PPrime)
Financement :
ACI PPrime-IC2MP
Contacts : E4 : [email protected], [email protected],
PPrime : [email protected]
Contexte
La technologie des plasmas non thermiques appliquée aux liquides a reçu un
développement considérable ces deux dernières décennies du fait de ses nombreuses
applications, en particulier dans le domaine de la purification de l’eau. D’autres
applications émergent, en particulier liées à l’énergie et à la chimie fine où le plasma non
thermique trouve sa place grâce à ses nombreux avantages, comme sa faible
consommation énergétique et sa forte réactivité chimique liée aux espèces actives de la
décharge. La conversion de composés liquides tels que des alcools ou des hydrocarbures
légers par plasma froid pour produire de l’hydrogène n’en est qu’à ses débuts mais laisse
entrevoir des perspectives intéressantes. Outre l’intérêt d’obtenir de l’hydrogène à partir
d’un liquide par un procédé fonctionnant à température ambiante, à pression
atmosphérique, et ne nécessitant pas de mise en régime, la technologie plasma peut
s’avérer également d’un grand intérêt pour former des produits à plus haute valeur
ajoutée à partir de sources carbonées renouvelables car issues de la biomasse.
Objectif de l’étude
Dans ce contexte l’objectif principal du programme de recherche est de développer une
décharge plasma dans un liquide pour produire de l’hydrogène et/ou des composés à plus
haute valeur ajoutée à partir de produits issus de la biomasse. La réactivité de l’éthanol
sera étudiée ainsi que la transformation potentielle d’un polyalcool tel que le glycérol. Les
produits visés sont non seulement l’hydrogène mais aussi les co-produits de réaction qui
peuvent s’avérer être des molécules plateforme pour la chimie. Ainsi par
déshydrogénation de l’éthanol la formation d’acétaldéhyde ou encore d’acide acétique est
envisageable, de même que la formation de produits de déshydratation à partir de
glycérol tel que l’hydroxyacétone. L’ensemble de ces produits étant d’intérêt pour le
secteur de la chimie. L’oxydation ménagée de produits tels que des mono ou poly-alcools,
facilement extraits de la biomasse, est un enjeu important dans le contexte actuel d’une
demande de plus en plus axée sur la synthèse de produits biosourcés. Or les recherches
dans le domaine de l’utilisation d’un plasma non-thermique pour effectuer de telles
réactions ne sont encore que très peu développées et de nombreux verrous demandent
encore à être levés.
Aussi, dans le cadre de ce programme, nous proposons de réaliser un travail important
sur la conception d’un réacteur « type » capable de générer des décharges dans un
liquide.
Méthodologie
Des essais préliminaires mettant en évidence la faisabilité d’un tel procédé ont été
réalisés conjointement entre l’équipe de PPrime et celle de l’IC2MP dans le cadre de deux
stages (Pierre Chabernaud 2013 et Rémy Llauberes 2014). Il a ainsi été mis en évidence
la formation d’hydrogène à partir de n-heptane placé dans une décharge. Toutefois, il n’a
pas été possible de poursuivre l’étude jusqu’à la quantification de l’hydrogène libéré ni
d’analyser complètement le contenu de la solution liquide après test. Il convient à présent
de poursuivre le travail de recherche en proposant notamment une géométrie de réacteur
adaptée à la problématique de la décharge en phase liquide. La définition d’un tel réacteur
sera discutée entre les partenaires compte tenu de l’expérience acquise dans ce
domaine.
Différents réacteurs seront développés à Pprime et feront l’objet d’une étude élémentaire.
En effet, une des clés de la réussite d’un tel réacteur est de pouvoir contrôler et stabiliser
la décharge en phase liquide. Les plasmas dans les liquides sont plus complexes que
leurs homologues en phase gaz. Souvent le liquide est utilisé comme électrode et cette
dernière peut se retrouver déformée ou transformée chimiquement. Cela ajoute une
complexité significative en comparaison avec les plasmas froids en phase gazeuse. Le
choix des électrodes (nature et géométrie) sera donc déterminant pour l’efficacité du
dispositif. De plus la nature même de l’électrode métallique pourra orienter la réaction
chimique et constituer un catalyseur pour la réaction. Il est en effet connu que le nickel et
le fer sont des métaux actifs en production d’hydrogène par catalyse thermique classique,
le rôle de ses éléments dans les conditions réactionnelles d’un plasma non-thermique
sera étudié dans le cadre de ce programme.
Les tests réactionnels seront réalisés à l’IC2MP. Le laboratoire dispose pour cela d’un
générateur impulsionnel Haute Tension et des outils analytiques nécessaires pour le
diagnostic électrique (sondes de tension, oscilloscope) et l’analyse des produits de
réaction. Les rendements en hydrogène seront évalués par analyse chromatographique
(microGC), et les sous-produits liquides et gazeux seront identifiés par GC-MS (pôle
instrumentation de l’IC2MP) puis quantifiés par HPLC et/ou chromatographie phase
gazeuse. Les premiers tests seront réalisés sur l’éthanol qui servira de molécule modèle
pour valider le réacteur plasma.