Optimisation d`un réacteur plasma froid et de son

N° d’ordre : 2012-03-TH
THÈSE DE DOCTORAT
SPECIALITE : PHYSIQUE
Ecole Doctorale « Sciences et Technologies de l’Information des
Télécommunications et des Systèmes »
Présentée par :
Nicolas MERICAM-BOURDET
Sujet :
RECHERCHE D’OPTIMISATION ÉNERGÉTIQUE D’UN RÉACTEUR
PLASMA FROID DE TRAITEMENT D’EFFLUENTS GAZEUX CHARGÉS EN
COMPOSÉS ORGANIQUES VOLATILS A PRESSION ATMOSPHÉRIQUE
Soutenue le 19 mars 2012 devant les membres du jury :
M. Jean-Marie CORMIER Professeur Université d’Orléans, GREMI Rapporteur
M. Olivier EICHWALD Professeur Université Paul Sabatier, LAPLACE Rapporteur
M. Didier FROCHOT Ingénieur Electricité de France Invité
M. Michael J. KIRKPATRICK Professeur-adjoint Supélec Co-directeur de thèse
M. Emmanuel ODIC Professeur Supélec Directeur de thèse
M. Stéphane PASQUIERS Directeur de Recherche CNRS, LPGP Examinateur
M. Jean-Michel TATIBOUËT Directeur de Recherche CNRS, LACCO Examinateur

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Remerciements
Un certain nombre de personnes doivent êtres associées à la rédaction de ce mémoire qui finalise
trois ans (et même un peu plus) de recherches menées sur le thème des plasmas froids à pression
atmosphérique.
Tout d’abord, je tiens à remercier vivement mes directeurs de thèse Emmanuel ODIC et Michael
KIRKPATRICK pour leur confiance dans ma capacité à mener à bien ma recherche et leur disponibilité.
Merci également à Mr Jean-Claude VANNIER, chef du département Electrotechnique et Systèmes
d’énergie de Supélec pour son accueil au sein de son département.
Ce travail n’aurait pu se faire sans le soutien financier et technique de EDF R&D et j’exprime ma
reconnaissance à Didier FROCHOT, Ingénieur-chercheur à Electricité de France, qui a suivi de très près
l’avancement de mes recherches. Un merci particulier à Frederic TUVACHE pour tout son apport de
compétences dans la réalisation des essais sur le réacteur plasma pilote et la conception mécanique
des réacteurs d’études. Merci également à Mme Isabelle HITA, chef du groupe E25 Utilités
industrielles pour m’avoir accueilli dans son groupe et ses remarques toujours judicieuses. Je
remercie également Mr Jean-Marie FOURMIGUES et plus généralement l’ensemble du groupe E25
pour leur soutien.
Je remercie Mr Olivier EICHWALD, professeur de l’université Paul Sabatier de Toulouse et chercheur
au laboratoire LAPLACE, et Mr Jean-Marie CORMIER, professeur de l’université d’Orléans et
chercheur au laboratoire GREMI pour avoir accepté d’être les rapporteurs de ce travail.
Mes remerciements vont également à Mr Stéphane PASQ UIERS, directeur de r echerche au CNRS
(LPGP- Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas) et à Mr Jean-Michel TATIBOUET, directeur de
recherche au CNRS (LACCO – Laboratoire de Catalyse en Chimie Organique) pour avoir accepté de
siéger dans mon jury.
Une partie de cette étude a été menée en collaboration avec le LPGP et je remercie particulièrement
Mr Lionel MAGNE, Mme Nicole BLIN-SIMIAND pour leur aide sur la modélisation cinétique chimique
et Mr François JORAND et Mme Sara LOVASCIO pour l’étude expérimentale des sous-produits de
décharge. Merci également à l’ensemble de l’équipe DIREBIO du LPGP pour leur accueil et bon
courage aux doctorants de cette équipe pour la dernière ligne droite que constitue la phase de
rédaction et de soutenance.
A l’heure de les quitter, j’ai une pensée particulière pour mes compagnons de tous les jours,
doctorants et anciens doctorants au département énergie de SUPELEC : Adel, Christophe G., Jing,
Nathalie, Haitham, José, Soukayna, Benjamin, Mathieu, Christophe L., Maialen, Dany, Ivan, Antoine,
Thomas, Wilfried, Xavier, Gilbert, Tanguy, Na m, Trung, Mahzar, Hermann. Je remercie également
Mme Stéphanie DOUESNARD et Mme Christiane LEBOUQUIN pour la prise en charge des aspects
« administratifs » divers. Merci également à Mr Si-Mohamed BENHAMED, Mr José DE FREITAS, Mr
Damien HUCHET et Mr Jean-Pierre METENIER pour leur aide technique.
Pour terminer, je me dois de remercier particulièrement ma mère Catherine, mon père Pierre et ma
sœur Myrtille pour leur soutien.

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Table des matières
Introduction.................................................................................................................................. 1
Chapitre 1 .................................................................................................................................... 5
COV : généralités et dispositifs de traitement.................................................................................. 5
1.1 Rejets, effets et législation....................................................................................... 5
1.1.1 Définitions ....................................................................................................... 5
1.1.2 Emissions de COV ............................................................................................. 6
1.1.3 Effets ............................................................................................................... 8
1.1.4 Réglementation ................................................................................................ 8
1.1.5 Mesures ......................................................................................................... 10
1.2 Traitement de COV................................................................................................ 11
1.2.1 Procédés de récupération ............................................................................... 12
1.2.2 Procédés d’élimination.................................................................................... 15
1.2.3 Conclusion...................................................................................................... 22
Chapitre 2 .................................................................................................................................. 25
Plasmas non-thermiques et axes d’amélioration ........................................................................... 25
2.1 Plasmas non-thermiques ....................................................................................... 25
2.1.1 Faisceau d'électrons ....................................................................................... 26
2.1.2 Plasmas micro-ondes et radiofréquences ........................................................ 26
2.1.3 Arcs non-thermiques ...................................................................................... 27
2.1.4 Décharges couronnes ..................................................................................... 29
2.1.5 Décharges à barrière diélectrique ................................................................... 30
2.2 Chimie des décharges atmosphériques dans l'air .................................................... 41
2.2.1 Création d'espèces réactives dans la décharge................................................. 41
2.2.2 Réactions post-décharges ............................................................................... 45
2.3 Amélioration de l’efficacité énergétique de décomposition de COV par plasma froid48
2.3.1 Impulsions haute tension ................................................................................ 48
2.3.2 Paramètres physiques du flux de gaz................................................................ 51
2.3.3 Réacteur ........................................................................................................ 55
2.3.4 Procédé.......................................................................................................... 57
2.3.5 Conclusion...................................................................................................... 59
Chapitre 3 .................................................................................................................................. 61
Etude expérimentale sur la recherche d’une amélioration de l’efficacité énergétique du
procédé ...................................................................................................................................... 61