Destruction de gaz à effet de serre par un plasma micro-ondes entretenu à la pression atmosphérique Martin Nantel-Valiquette et Thomas Fleisch Les états de la matière Définition d’un 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). Solide : les atomes sont rangés selon un ordre bien défini (réseaux), ils sont fixes Liquide : les molécules se meuvent avec un certain degré de liberté Gaz : les atomes ou molécules occupent un large volume et sont complètement libres (gaz parfait) Plasma : sous forme de gaz mais interaction entre particules chargées et neutres Température croissante Pour la gravure Pour la stérilisation Exemple de l’EAU Solide : (glace) T < 0 ºC Liquide : Température ambiante Gaz : (vapeur) T > 100 ºC Plasma : T > 6000 ºC e- Globalement neutre Les atomes (neutres ou excités), molécules, ions et électrons se meuvent tout en ayant un comportement collectif. Température croissante Les plasmas dans la nature Les plasmas comme source d’énergie Les éclairs Les aurores boréales TOKAMAK En passant d’un niveau excité à un niveau de plus basse énergie, les atomes émettent des photons dont la longueur d’onde peut se situer dans le spectre visible. Pourquoi le plasma émet-il de la lumière? Les plasmas dans le quotidien Les tubes fluorescents (néons)

But du projet de recherche L’effet de serre But du projet de recherche Améliorer l’efficacité énergétique de l’UPAS pour la destruction de gaz à effet de serre: (Universal Plasma Abatement System) optimiser la configuration expérimentale, mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques intervenant dans le processus de destruction. L’effet de serre est un phénomène naturel qui nous permet de vivre sur la Terre en maintenant une température moyenne de l’ordre 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 UPAS Dispositif expérimental Les gaz à effet de serre Débitmètre massique Cage de Faraday Plasma Surfaguide Vers le bolomètre Gaz : N2, O2, SF6 Piston d’accord d’impédance 1 Générateur micro-ondes Spectromètre FTIR Liquide de refroidissement Échangeur de chaleur Pourcentage d’émission par GES au Canada en 2001 Durée de vie et potentiel de réchauffement planétaire (PRP) des GES Hotte de ventilation Chaux sodée Caractéristiques du plasma micro-ondes Paramètres externes Pression Pression atmosphérique : plus intéressant sur le plan industriel Fréquence d’opération À 2450 MHz : TDD de 90% à 4.6 kW À 915 MHz : TDD de 90% à 3.8 kW Économie d’énergie 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 SF6 dans la décharge Plasma hors-équilibre thermodynamique Télectrons > Tneutres  Tions (Télectrons  8000-11 000K, Tgaz  1000-6000K) 2 types de réactions chimiques : Collisions entre les électrons énergétiques et les molécules du gaz : Création d’espèces 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 d’opération des POS Possibilité d’optimiser le processus en fixant adéquatement les paramètres externes Puissance micro-ondes absorbée DRE < 90% : comportement linéaire qui s’explique par une propriété des POS : < ne >  P DRE > 90% : influence de la reformation CF4 plus stable que SF6 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 [O2]/[PFC]

Influence du rapport [O2]/[SF6] Comment détermine-t-on le TDD? Oxydation vs reformation [O2] / [SF6] < 1 : TDD déterminé par le taux de reformation [O2] / [SF6] > 1 : oxydation complète des fragments Destruction du SF6 nécessite l’oxydation des fragments pour éviter la reformation de SF6 Collecte du spectre blanc (spectre de l’air) Ce spectre est « soustrait » de tous ceux qui sont pris subséquemment de façon à ne voir que les raies dues au SF6 et aux différents sous-produits de réaction (si l’on échantillonne le gaz avant la chaux sodée) Mesure de l’aire sous le pic de SF6 avec le plasma éteint : [PFC]I (étalonnage) Mesure de l’aire sous le même pic avec le plasma allumé : [PFC]F Le taux de destruction est donné par : TDD [%] = Identification des sous-produits 2000 1500 1000 500 1 2 3 4.0 4.5 SF 6 FNO F OS O S FNS avant chaux sodée après chaux sodée Absorbance Nombre d’onde (cm-1) Comparaison des sous-produits avant et après la chaux sodée Sous-produits présents : SO2F2, SOF2, FNS, FNO Présence de F2 confirmée par spectroscopie de masse Pas de NOx : chemin réactionnel préférentiel Sous-produit majoritaire : SO2F2 Cinétique des réactions en phase gazeuse Dissociation par impact électronique dissociation prédominante : e + SF6  SF2 + 4F + e Réactions coef. de réaction [cm3/s] SF2 + O  SOF + F SOF + O  SO2F SOF + F  SOF2 SF3 + O  SOF2 + F SO2F + F  SO2F2 SOF2 + F  SOF3 SOF3 + O  SO2F2 + F SOF3 + F  SOF4 SF5 + O  SOF4 + F SF5 + F  SF6 Pourquoi ne voit-on pas de SOF4? Les concentrations des sous-produits menant au SOF4 sont très faibles SOF3 : SOF2 + F  SOF3 SOF3 + F  SOF4 Création lente ( k < 3.410 –13 cm3/s ) Produit intermédiaire menant au SO2F2 et SOF4 ( même coef. de réaction ) 2. SF5 : Dissociation par impact électronique importante à la pression atmosphérique Recombinaison en SF6 plus rapide que la réaction menant au SOF4 1.110 –10 110 –10 210 –12 210 –11 < 3.410 –13 0.5 -110 –10 0.166 - 2.2 10 –10 Conclusion et perspectives Application industrielle Applicateur de champ Détecteur optique Circulateur Magnétron Court-circuit fixe Bobine Tesla Échangeur de chaleur/piège à particules solides L’utilisation d’un 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 d’optimisation.