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1 er Salon national de la recherche universitaire, Montréal, 2005 Les états de la matière Solide : les atomes sont rangés selon un ordre bien défini (réseaux),

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1 1 er Salon national de la recherche universitaire, Montréal, 2005 Les états de la matière Solide : les atomes sont rangés selon un ordre bien défini (réseaux), ils sont fixes Plasma : sous forme de gaz mais interaction entre particules chargées et neutres Gaz : les atomes ou molécules occupent un large volume et sont complètement libres (gaz parfait) Liquide : les molécules se meuvent avec un certain degré de liberté Plasma : T > 6000 ºC Solide : (glace) T < 0 ºC Liquide : Température ambiante Gaz : (vapeur) T > 100 ºC Définition dun plasma Le plasma est un gaz ionisé, électriquement neutre, formé de : – particules chargées (ions, électrons) – particules neutres – atomes ou molécules excités – photons qui présentent un comportement collectif (neutralité macroscopique). e-e- Globalement neutre Les atomes (neutres ou excités), molécules, ions et électrons se meuvent tout en ayant un comportement collectif. Température croissante Exemple de l EAU En passant dun niveau excité à un niveau de plus basse énergie, les atomes émettent des photons dont la longueur donde peut se situer dans le spectre visible. Pourquoi le plasma émet-il de la lumière? Température croissante Destruction de gaz à effet de serre par un plasma micro-ondes entretenu à la pression atmosphérique Martin Nantel-Valiquette et Thomas Fleisch Pour la gravurePour la stérilisation Les éclairs Les aurores boréales Les tubes fluorescents (néons) TOKAMAK Les plasmas comme source dénergieLes plasmas dans la nature Les plasmas dans le quotidien

2 1 er Salon national de la recherche universitaire, Montréal, 2005 Leffet de serre Leffet de serre est un phénomène naturel qui nous permet de vivre sur la Terre en maintenant une température moyenne de lordre de 15 ºC. Les gaz à effet de serre (GES) sont des gaz susceptibles de capter et de réémettre le rayonnement infrarouge émis par la surface de la terre Les gaz à effet de serre Pourcentage démission par GES au Canada en 2001 Durée de vie et potentiel de réchauffement planétaire (PRP) des GES 1 But du projet de recherche Améliorer lefficacité énergétique de lUPAS pour la destruction de gaz à effet de serre: ( U niversal P lasma A batement S ystem) –optimiser la configuration expérimentale, –mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques intervenant dans le processus de destruction. UPAS Dispositif expérimental Liquide de refroidissement Piston daccord dimpédance Surfaguide Plasma Cage de Faraday Échangeur de chaleur Chaux sodée Spectromètre FTIR Hotte de ventilation Gaz : N 2, O 2, SF 6 Générateur micro-ondes Vers le bolomètre Débitmètre massique Caractéristiques du plasma micro-ondes Plasma hors-équilibre thermodynamique T électrons > T neutres T ions (T électrons K, T gaz K) 2 types de réactions chimiques : Collisions entre les électrons énergétiques et les molécules du gaz : Création despèces actives par dissociation, fragmentation, excitation et ionisation Collisions entre radicaux et molécules : Réactions chimiques en phase gazeuse conduisant à de nouvelles entités radicalaires ou moléculaires par reformation ou oxydation Souplesse dopération des POS Possibilité doptimiser le processus en fixant adéquatement les paramètres externes Paramètres externes Pression Pression atmosphérique : plus intéressant sur le plan industriel Fréquence dopération 2450 MHz À 2450 MHz : TDD de 90% à 4.6 kW 915 MHz À 915 MHz : TDD de 90% à 3.8 kW Économie dénergie de 0.8 kW, i.e. 21%, à 915 MHz Explication : à 915 MHz, le volume du plasma est plus grand, ce qui augmente le temps de séjour du SF 6 dans la décharge Puissance micro-ondes absorbée DRE < 90% DRE < 90% : comportement linéaire qui sexplique par une propriété des POS : P DRE > 90% DRE > 90% : influence de la reformation CF 4 plus stable que SF 6 Rayon du tube à décharge Influence de la contraction sur la densité électronique moyenne Nature et débit des gaz Nature du PFC : stabilité chimique propre à chaque gaz réactions chimiques différentes pour des gaz distincts Concentration du PFC Rapport [O 2 ]/[PFC]

3 1 er Salon national de la recherche universitaire, Montréal, 2005 Influence du rapport [O 2 ]/[SF 6 ] Oxydation vs reformation [O 2 ] / [SF 6 ] < 1 : TDD déterminé par le taux de reformation [O 2 ] / [SF 6 ] > 1 : oxydation complète des fragments Destruction du SF 6 nécessite loxydation des fragments pour éviter la reformation de SF 6 Comment détermine-t-on le TDD? 1.Collecte du spectre blanc (spectre de lair) Ce spectre est « soustrait » de tous ceux qui sont pris subséquemment de façon à ne voir que les raies dues au SF 6 et aux différents sous-produits de réaction (si lon échantillonne le gaz avant la chaux sodée) 2.Mesure de laire sous le pic de SF 6 avec le plasma éteint : [PFC] I (étalonnage) 3.Mesure de laire sous le même pic avec le plasma allumé : [PFC] F 4.Le taux de destruction est donné par : TDD [%] = Identification des sous-produits Sous-produits présents : SO 2 F 2, SOF 2, FNS, FNO Présence de F 2 confirmée par spectroscopie de masse Pas de NO x : chemin réactionnel préférentiel Sous-produit majoritaire : SO 2 F 2 Dissociation par impact électronique dissociation prédominante : e + SF 6 SF 2 + 4F + e Réactions coef. de réaction [cm 3 /s] 1. SF 2 + O SOF + F 2. SOF + O SO 2 F 3. SOF + F SOF 2 4. SF 3 + O SOF 2 + F 5. SO 2 F + F SO 2 F 2 6. SOF 2 + F SOF 3 7. SOF 3 + O SO 2 F 2 + F 8. SOF 3 + F SOF 4 9. SF 5 + O SOF 4 + F 10. SF 5 + F SF 6 Cinétique des réactions en phase gazeuse Pourquoi ne voit-on pas de SOF 4 ? Les concentrations des sous-produits menant au SOF 4 sont très faibles 1. SOF 3 : SOF 2 + F SOF 3 SOF 3 + F SOF 4 Création lente ( k < –13 cm 3 /s ) Produit intermédiaire menant au SO 2 F 2 et SOF 4 ( même coef. de réaction ) 2. SF 5 : Dissociation par impact électronique importante à la pression atmosphérique Recombinaison en SF 6 plus rapide que la réaction menant au SOF 4 Lutilisation dun plasma micro-ondes permet une conversion complète des PFC à un faible coût énergétique (si les paramètres externes sont judicieusement fixés) Les mécanismes réactionnels menant à la destruction des PFC sont : Dissociation du polluant par collisions électroniques Chimie en phase gazeuse où l oxydation joue un rôle primordial Modélisation nécessaire pour déterminer les chemins réactionnels prédominants et possibilité doptimisation. Conclusion et perspectives Applicateur de champ Détecteur optique Circulateur Magnétron Court-circuit fixe Bobine Tesla Échangeur de chaleur/piège à particules solides Application industrielle Comparaison des sous-produits avant et après la chaux sodée – – – – –10 < – – – –10


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