Étude cinétique de la dégradation photocatalytique de composés organiques volatils (COV) et modélisation par une approche numérique de la mécanique des fluides, Kinetic study of VOC photocatalytic remediation and modelling with a computational fluid dynamics approach

Amélie Queffeulou

Description

Sous la direction de Orfan Zahraa, Paul-Marie Marquaire
Thèse soutenue le 05 novembre 2009: INPL
Les COV présents en air intérieur sont une source d’inconfort pour les occupants et peuvent être nocifs pour la santé. La photocatalyse apparaît comme un procédé prometteur pour l’abattement de ces polluants. ArcelorMittal Liège Research développe à cet effet des films minces de TiOB2B déposé sur acier qui peuvent être intégrés dans des systèmes de purification d’air. Les objectifs de cette recherche sont, d’une part, identifier les paramètres influençant la dégradation photocatalytique de ces COV avec ce type de catalyseur et d’autre part, valider la possibilité de prédire les performances d’un réacteur photocatalytique par un modèle couplant l’écoulement et la réaction photocatalytique. Pour réaliser l’étude cinétique à des teneurs de quelques ppm, un dispositif expérimental adapté a été conçu ; il utilise un réacteur annulaire continu. L’acétaldéhyde a été choisi comme polluant modèle. La conversion dépend de la concentration en polluant, du taux d’humidité, de la température, de l’intensité lumineuse en UV et de la présence d’autres COV. La réaction est modélisée avec un modèle théorique surfacique de la réaction photocatalytique. Afin de prédire les performances d’un réacteur photocatalytique utilisant des films minces de TiOB2B, une méthodologie consistant à coupler l’écoulement et la réaction photocatalytique a été développée et validée. La distribution spatio-temporelle de la concentration en polluant est alors déterminée par une approche de mécanique des fluides numériques. La comparaison des résultats expérimentaux et des simulations obtenus avec un réacteur photocatalytique de laboratoire et un autre à l’échelle semi-pilote est très satisfaisante
-COV
-Acétaldéhyde
-Mécanique des fluides numériques
-Modélisation
-Réacteur annulaire
-Film mince de TiO2
-Photocatalyse
VOCs are a source of discomfort for occupants and can have harmful effects on health. Photocatalysis is a promising process to remove these compounds. ArcelorMittal Liège Research has indeed developed TiOB2 Bthin film coated on steel which can be easily integrated into purification air systems. Objectives of this research are firstly, identifying parameters which influence the photocatalytic degradation of these VOCs using of such catalyst. Secondly, validate the possibility to predict performances of the photocatalytic reactor by combining fluid flow and photocatalytic reaction. An experimental set-up including an annular reactor has been designed and realized in order to conduct kinetic studies. Acetaldehyde has been chosen as a pollutant model and studied mainly with concentrations of few ppm ranges. Its conversion yield depends on pollutant concentration, relative humidity, temperature, UV light intensity and presence of others VOCs. Based on a theoretical surface model of the photocatalytic reaction, and using experimental data, this reaction is modelled. In order to predict performances of the photocatalytic reactor packed thin film of TiOB2B, a methodology which consists to combine fluid flow and photocatalytic reaction has been developed and validated. Space-time distribution of pollutant concentration is then determined with a computational fluid dynamics approach. Comparison between experimental data and numerical simulations obtained with a photocatalytic reactor at the laboratory scale and another one in semi-pilot scale are well satisfactory
-VOC
-CFD
-Modelling
-Annular reactor
-Photocatalysis
-TiO2 thin film
-Acetaldehyde Indoor air
Source: http://www.theses.fr/2009INPL068N/document

Sujets

• COV
• Éthanal
• Modélisation
• Photocatalyse

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 510
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE – INPL
ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES INDUSTRIES CHIMIQUES - ENSIC

Département de Chimie Physique des Réactions, UMR 7630 CNRS, Nancy-Université

THESE DE DOCTORAT

Présentée à l’INPL
Ecole Doctorale RP2E : Ressources, Procédés, Produits, Environnement

Pour l’obtention du diplôme de

DOCTEUR

Spécialité : Génie des procédés

Par

Amélie QUEFFEULOU

Ingénieur ENSIC

Etude cinétique de la dégradation photocatalytique de
composés organiques volatils (COV) et modélisation par
une approche numérique de la mécanique des fluides

Soutenue publiquement le 5 novembre 2009 devant la commission d’examen


Rapporteurs :
Pierre PICHAT (Ecole centrale Lyon, CNRS)
Nicolas KELLER (ULP Strasbourg, CNRS)

Examinateurs :
Sylvie BEGIN (ULP Strasbourg)
Laurent FALK (INPL/ENSIC, CNRS)
Catherine ARCHAMBEAU (ArcelorMittal, Liège)
Laurent GERON (ArcelorMittal, Liège)
Paul-Marie MARQUAIRE (INPL/ENSIC, CNRS)
Orfan ZAHRAA (INPL/ENSIC) 2 3 4







Ces travaux de recherche ont été réalisés au Département de Chimie Physique des Réactions
(DCPR) à Nancy et au centre d’ArcelorMittal Liège Research en Belgique.

J’adresse mes remerciements à mes encadrants universitaires MM. Orfan Zahraa et Paul-
Marie Marquaire.

J’exprime toute ma reconnaissance à Mme Archambeau, responsable du projet sur le dioxyde
de titane, qui m’a accordé sa confiance et m’a soutenu durant mes investigations de recherche.

J’adresse mes plus vifs remerciements à M. Laurent Geron, pour son implication, ses précieux
conseils et sa disponibilité. Je tiens à lui exprimer ma plus grande reconnaissance pour avoir
rendu ce travail si motivant et enrichissant.

Que MM. Pierrre Pichat, Nicolas Keller, Mme Sylvie Bégin et M. Laurent Falk trouvent ici
l’expression de ma profonde gratitude pour avoir accepté de juger ce travail.

Je tiens également à remercier très chaleureusement les personnes que j’ai côtoyées durant ces
trois années, en particulier MM. Hervé Le Gall, Philippe Hanquet et David Wicky, qui m’ont
apporté leur aide, leur expérience, leur soutien et leur amitié.

Merci enfin à Joffrey pour ses nombreuses relectures et son soutien, ainsi qu’à mes parents et
amis qui m’ont aidé et encouragé aux moments opportuns.
5 6SOMMAIRE

INTRODUCTION GENERALE .......................................................................................... 19

CHAPITRE I : POLLUTION DE L’AIR INTÉRIEUR PAR LES COMPOSÉS
ORGANIQUES VOLATILS ET TRAITEMENT PAR PHOTOCATALYSE................ 23
1 QUALITE DE L’AIR INTERIEUR ........................................................................................................ 26
1.1 FACTEURS PHYSIQUES ................................................................................................................ 26
1.2 POLLUTION DE L’AIR INTERIEUR.............................................................................................. 26
1.3 PRINCIPE D’EVALUATION DU SICK BUILDING SYNDROME (SBS) ..................................... 26
2 LES COMPOSES ORGANIQUES VOLATILS..................................................................................... 27
2.1 DEFINITION DES COV ................................................................................................................... 27
2.2 COV PRESENTS EN AIR INTERIEUR ........................................................................................... 27
2.3 LEGISLATIONS ET RECOMMENDATIONS ................................................................................ 28
2.4 ABATTEMENT DES COV............................................................................................................... 29
2.4.1 Contrôler les sources de pollution ................................................................................................ 29
2.4.2 Ventiler les locaux......................................................................................................................... 29
2.4.3 Purifier l’air interieur 29
3 DEGRADATION DES COV PAR PHOTOCATALYSE ...................................................................... 30
3.1 PRINCIPE DE LA PHOTOCATALYSE 31
3.2 ETUDES DE DEGRADATION DE COV PAR PHOTOCATALYSE.............................................. 33
3.2.1 Préparation du dioxyde de titane photocatalytique 33
3.2.2 Sources d’activation...................................................................................................................... 33
3.2.3 Photoréacteurs .............................................................................................................................. 34
3.2.4 COV étudiés et méthodes d’analyse .............................................................................................. 34
3.2.5 Paramètres influents ..................................................................................................................... 34
4 CONCLUSION DU CHAPITRE I........................................................................................................... 34
REFERENCES DU CHAPITRE I 35

CHAPITRE II : CATALYSE HÉTÉROGÈNE ET MODÉLISATION CINÉTIQUE :
APPLICATION AU PROCESSUS DE PHOTOCATALYSE SUR DIOXYDE DE
TITANE................................................................................................................................... 37
1 CATALYSE HETEROGENE ET MODELES CINETIQUES............................................................. 40
1.1 LES REACTIONS GAZ-SOLIDE CATALYTIQUES...................................................................... 40
1.2 PROCESSUS DE LA CATALYSE HETEROGENE ........................................................................ 41
1.2.1 Limitation par le transfert externe ................................................................................................ 42
1.2.2 tion par le transfert interne................................................................................................. 42
1.2.3 Limitation par la réaction catalytique hétérogène 43
1.3 MODELISATION DE LA REACTION CATALYTIQUE HETEROGENE..................................... 43
1.3.1 Phénomènes d’adsorption-désorption et thermodynamique ......................................................... 43
1.3.2 Cinétiques d’adsorption et de désorption...................................................................................... 45
1.3.3 Isothermes d’adsorption................................................................................................................ 46
1.3.4 Cinétique de catalyse hétérogène.................................................................................................. 49
2 PHOTOCATALYSE SUR DIOXYDE DE TITANE.............................................................................. 51
2.1 ADSORPTION DE L’EAU ET DE COV A LA SURFACE DU DIOXYDE DE TITANE................ 51
2.1.1 Adsorption de l’eau ....................................................................................................................... 51
2.1.2 Adsorption de composés organiques............................................................................................. 52
2.1.3 Influence de la mise en oeuvre du dioxyde de titane ..................................................................... 53
2.2 DEGRADATION DE COV PAR PHOTOCATALYSE SUR LE DIOXYDE DE TITANE
(ACTIVATION PAR L’UV)............................................................................................................................ 53
2.2.1 Influence de l’eau.......................................................................................................................... 53
72.2.2 Influence de la température........................................................................................................... 54
2.2.3 Influence de la nature des COV ................................................................