Manuscrit de thèse complet - Axel VINCENT

THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE PARIS VI
Pierre et Marie CURIE
Spécialité :
GENIE DES PROCEDES ET HAUTE TECHNOLOGIE
Présentée par
Monsieur Axel VINCENT
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR de l’UNIVERSITE PARIS VI
Sujet de la thèse :
Conception et simulation d’un réacteur fil-cylindre à décharge couronne
avec barrière diélectrique adapté au traitement des oxydes d’azote
dans des effluents marqués par un isotope
Soutenue le 20 Décembre 2002 devant le jury composé de :
M. J. JULLIEN
M. A. DELACROIX
Mme. A. VARDELLE
M. G. DJEGA-MARIADASSOU
M. M. GOLDMAN
M. J. AMOUROUX
Mme. M-F. GONNORD
M. M. MOSCOSA-SANTILLAN
M. H. MELLOTTEE
(Président)
(Rapporteur)
(Rapporteur)
(Examinateur)
(Examinateur)
(Examinateur)
(Examinateur)
(Invité)
(Invité)

Table des matières

Table des matières
1
INTRODUCTION GENERALE 11
CHAPITRE I
Caractérisation des principaux polluants atmosphériques– Normes Européennes
Techniques de traitement – Cahier des charges
Introduction 15
I. La pollution atmosphérique, les polluants et leurs origines 16
I.1. Définition de la pollution atmosphérique 16
I.1.1. La pollution locale (en milieu urbain) 16
I.1.2. La pollution régionale 16
I.1.3. La pollution globale ou mondiale 16
I.2. Les principaux polluants automobiles et leurs effets sur la santé 17
I.2.1. Les oxydes de Soufre (SO2 et SO3) 17
I.2.2. Les oxydes d’azote (NOx) 18
I.2.3. L’ozone (O3) 19
I.2.4. Les oxydes de carbone (CO et CO2) 20
I.2.5. Les composés organiques volatils (COV) 21
I.2.6. Les particules en suspension 22
I.2.7. Durée de vie des polluants et variation journalière de leur concentration dans
l’atmosphère 23
I.3. Sources d’émission des polluants atmosphériques 25
I.3.1. Les sources naturelles 25
I.3.1.1. Le volcanisme 25
I.3.1.2. La foudre 26
I.3.1.3. Autres sources naturelles de pollution 27
I.3.2. Les sources anthropiques 27
I.3.2.1. Niveau, répartition sectorielle et évolution des émissions polluantes d’origine
anthropiques 28
I.3.2.2. Emissions d’échappements moteurs – Cas de l’automobile 29
II. Pollution atmosphérique et réglementation des émissions automobiles 31

Table des matières
2
III. Techniques de traitement des polluants atmosphériques et cahier des charges de
cette étude 34
III.1. Principales techniques de réduction des émissions automobiles polluantes 34
III.1.1. Techniques appliquées en amont de la source 34
III.1.2. Techniques appliquées au niveau de la source 34
III.1.3. Techniques appliquées en aval de la source 34
III.1.3.1. La catalyse 34
III.1.3.2. Les systèmes d’adsorption 36
III.1.3.3. Les filtres à paroi céramique (ou filtres à particules) 36
III.2. Traitement des effluents gazeux par procédés plasma 37
III.2.1. Définition – Généralités sur les plasmas 38
III.2.2. Les décharges électriques 40
III.2.2.1. Les décharges luminescentes (décharges “glow”) 40
III.2.2.2. Les décharges couronne 40
III.2.2.3. Les décharges avec barrière diélectrique, ou décharges silencieuses 41
III.2.3. Autres techniques plasma 44
III.2.3.1. Les plasmas radio-fréquence 44
III.2.3.2. Les plasmas micro-ondes 45
III.2.3.3. Les plasmas par faisceau d’électrons 45
III.3. Cahier des charges de cette étude 46
Conclusion 47
Références Bibliographiques : 48
CHAPITRE II
Mécanismes de la décharge couronne – Réalisation et caractérisation électrique
d’un réacteur à décharge couronne avec barrière diélectrique de type fil-cylindre
Introduction 53
I. La décharge couronne 53
I.1. Formation des décharges dans les gaz 53
I.1.1. Mécanismes d’activation du gaz et paramètres fondamentaux 53
I.1.2. Décharge de Townsend et critère d’auto-entretien de la décharge 55

Table des matières
3
I.1.3. Loi de Paschen 56
I.2. Propriétés spécifiques aux décharges couronne 57
I.2.1. Caractéristique courant-tension et régimes de décharge 57
I.2.2. Champ électrique et topographie de la décharge 58
I.2.3. Les décharges filamentaires 60
I.2.3.1. Décharges pointe positive-plan ou “streamers” 60
I.2.3.2. Décharges pointe négative-plan ou “impulsions de Trichel” 62
I.2.3.3. Décharges alternatives 62
I.3. Vent électrique et conséquences hydrodynamiques 63
II. Réalisation et caractéristiques physiques du réacteur de dépollution par décharge
couronne avec barrière diélectrique 65
II.1. Choix du réacteur 65
II.2. Caractéristiques des différentes versions du réacteur “fil-cylindre” réalisées 66
II.2.1. Choix des matériaux 66
II.2.1.1. Matériau du diélectrique 66
II.2.1.2. Matériau des électrodes 68
II.2.2. Caractéristiques physiques du réacteur et des électrodes 69
II.2.2.1. Géométrie du réacteur 69
II.2.2.2. Géométrie des électrodes haute-tension 72
II.2.3. Conditionnement du mélange gazeux 73
II.3. Contrôle électrique de la décharge 75
II.3.1. Mesure des signaux électriques 75
II.3.2. Calcul de la puissance et de la densité d’énergie 75
II.3.3. Courant actif de décharge 76
III. Caractérisation électrique de la décharge et influence de différents paramètres
physicochimiques 77
III.1. Principe de la caractérisation électrique 77
III.1.1. Caractérisation des pulses 77
III.1.2. Optimisation du comportement électrique du réacteur fil-cylindre 78
III.1.2.1. Décharge impulsionnelle stable : le cas du réacteur pointe-plan 78
III.1.2.2. Obtention d’une décharge impulsionnelle stable en configuration fil-
cylindre et comparaison avec le réacteur pointe-plan 79
III.2. Influence des paramètres physico-chimiques sur le comportement électrique du
réacteur 81