Procédés Plasmas

Le domaine de la physique des décharges et plus largement celui des plasmas trouvent des applications relevant de l’environnement et de la santé.

Dans le cas des décharges électriques pré-disruptives, le plasma est un milieu partiellement ionisé résultant des collisions inélastiques entre les atomes ou molécules de gaz et des électrons énergétiques (1-18 eV accélérés par un champ électrique imposé). Le gaz demeurant à une température proche de l’ambiante, le système est hors équilibre thermodynamique (plasma froid). Des phénomènes d’avalanches électroniques interviennent localement, conduisant à la multiplication des porteurs de charges (ions et électrons) mais également à la production d’espèces électroniquement excitées, qui se relaxeront rapidement par mécanisme radiatif (émission d’un spectre de raies) ou plus lentement par voie collisionnelle (espèces métastables réactives dont la durée de vie dépend de la pression du gaz). Dans un gaz moléculaire, deux autres modes supplémentaires de stockage d’énergie interviennent : l’excitation rotationnelle (qui est impliquée rapidement dans les transferts de chaleur) et l’excitation vibrationnelle qui contribue, avec les états électroniquement excités, à la réactivité chimique du milieu. Enfin, des phénomènes d’impact électronique dissociatif conduisent à la production d’atomes et de radicaux, qui seront les principales espèces responsables des cinétiques chimiques induites par les décharges. En présence de vapeur d’eau, un produit très réactif est obtenu : le radical hydroxyle OH, qui sera d’intérêt pour l’oxydation avancée de COV en phase gazeuse, l’assistance de combustion par plasma ou encore le traitement de surface.

Travaux récents et en cours

Dans le cadre du traitement d’effluents gazeux, les espèces radicalaires, atomiques et excitées produites par collision inélastique des électrons avec les molécules du gaz majoritaire (généralement de l’air) réagissent avec les polluants à faible concentration (50-5000 ppm). Dans le cas de polluants de type Composés Organiques Volatils (COV), des produits partiellement ou totalement oxydés sont obtenus. En vue de dégrader l’ozone produit et d’obtenir une sélectivité élevée en CO2, le couplage plasma-catalyse est une solution réaliste, notamment pour le traitement d’effluents de combustion automobile.

Projet REMOVAL « Modélisation et validation expérimentale des réacteurs corona utilisés pour la dépollution des gaz » - (2012-2016) du programme ANR blanc édition 2012. Consortium : LAPLACE, GREMI et GeePs.
Projet PECCOVAIR « Plasmas et Catalyseurs Optimisés pour le traitement de COV dans l'Air » - (2010-2012) du programme ANR Ecotech 2009. Consortium : EDF, LPGP, LACCO et SUPELEC.
Projet STREP PAGODE « Post-treAtment for the next Generation of Diesel Engines » du 6ème PCRD (2006-2009). Consortium : PSA, Fiat-CRF, Institut Français du Pétrole, Johnson Matthey, Chalmers University, Aerosol & Particle Technology Laboratory CERTH/CPERI et SUPELEC.

Réacteur DBD avec couplage post-décharge avec un catalyseur d’oxydation (Projet Pagode)

Dans le cadre de traitements de surface, les plasmas froids obtenus à pression atmosphérique sont étudiés pour la décontamination de surface. Au cours des quinze dernières années, l’utilisation des plasmas froids (basse pression et pression atmosphérique) pour applications biomédicale a été abordée, portant sur des microorganismes planctoniques (sous forme végétative ou sporulée) ; les travaux orientés sur le traitement de biofilms sont plus rares et de nombreuses questions scientifiques restent ouvertes, notamment les mécanismes de résistance des biofilms aux ROS (reactive oxygen species) et la mise en évidence de l’efficacité d’un procédé plasma sur la dégradation d’un biofilm dans des conditions « douces » pour les surfaces traitées. De plus, la géométrie de ces surfaces est également à prendre en compte. La géométrie tubulaire peut alors constituer un bon modèle pour les conduites d’endoscopes et de cathéters. Ce sont ces aspects que nous explorons.