Academic literature on the topic 'Réacteur à décharge à barrière diélectrique (DBD)'

Les rejets d’air chargé en composés organiques volatils (COVs) dans l'environnement contribuent à la formation d'ozone troposphérique, de smog photochimique, à l’augmentation de l'effet de serre et à la destruction de la couche d'ozone stratosphérique. De plus, pour la plupart, ceux-ci s’avèrent dangereux pour l’être humain. Les techniques de traitement par plasma non thermique (PNT) offrent d’intéressantes perspectives pour l'élimination de faibles concentrations de polluants dans l'air à des débits élevés. Cependant la formation indésirable de sous-produits entrave l’application industrielle d’un tel procédé. Par opposition, la combinaison du PNT avec un catalyseur sélectif (plasma-catalyse) peut être une alternative attractive. L’état actuel des connaissances concernant l’utilisation de catalyseurs à base d’oxydes de manganèse pour l’élimination du toluène en configuration post-plasma catalyse (PPC) a tout d’abord été abordée. La décomposition du toluène sous air humide étudiée à l'aide d'un réacteur cylindrique DBD (Barrier Dielectric Discharge) rempli de billes de verre, première étape avant l’intégration du catalyseur, a permis de clarifier le rôle de l’eau. Parallèlement l’oxydation totale du toluène a été étudiée sur des catalyseurs CuMnOx synthétisés par des voies de synthèse récentes. Ces mêmes catalyseurs ont finalement été intégrés en catalyse post-plasma (CPP) utilisant un réacteur pointe-plaque à décharge couronne en courant continu pour l’abattement du trichloroéthylène (TCE) en air humide. Pour chaque procédé d’abattement de COV utilisé, les avantages et inconvénients ont été tout particulièrement soulignés<br>Release of volatile organic compounds (VOCs) laden air into the environment contributes to the formation of tropospheric ozone, photochemical smog, enhancing the greenhouse effect and the destruction of the stratospheric ozone layer. Moreover, most of them are hazardous for human being. Non-thermal plasma techniques (NTPs) offer interesting perspectives for the removal of low concentrations of pollutants in air at high flow rates. However undesired by–product formation hinders its use in industrial applications. In contrast, the combination of NTP with a selective catalyst (plasma–catalysis) can be an attractive alternative. An overview of the present state of knowledge using MnOx based catalysts for toluene abatement in post-plasma catalysis (PPC) configuration is first of all herein given. Toluene decomposition in moist air with glass beads packed bed dielectric barrier discharge (DBD) cylindrical reactor alone, first step before combining it with a catalyst, has been studied and the role of water has been clarified. Concomitantly toluene total oxidation has been investigated on CuMnOx catalysts prepared by recent synthesis routes. These catalysts were finally integrated in a post-plasma catalysis PPC configuration using a 10-pin-to-plate negative DC corona discharge to be tested in trichloroethylene (TCE) abatement. For each process of VOC abatement used herein, the advantages and drawbacks have been particularly highlighted

Les rejets d’air chargé en composés organiques volatils (COVs) dans l'environnement contribuent à la formation d'ozone troposphérique, de smog photochimique, à l’augmentation de l'effet de serre et à la destruction de la couche d'ozone stratosphérique. De plus, pour la plupart, ceux-ci s’avèrent dangereux pour l’être humain. Les techniques de traitement par plasma non thermique (PNT) offrent d’intéressantes perspectives pour l'élimination de faibles concentrations de polluants dans l'air à des débits élevés. Cependant la formation indésirable de sous-produits entrave l’application industrielle d’un tel procédé. Par opposition, la combinaison du PNT avec un catalyseur sélectif (plasma-catalyse) peut être une alternative attractive. L’état actuel des connaissances concernant l’utilisation de catalyseurs à base d’oxydes de manganèse pour l’élimination du toluène en configuration post-plasma catalyse (PPC) a tout d’abord été abordée. La décomposition du toluène sous air humide étudiée à l'aide d'un réacteur cylindrique DBD (Barrier Dielectric Discharge) rempli de billes de verre, première étape avant l’intégration du catalyseur, a permis de clarifier le rôle de l’eau. Parallèlement l’oxydation totale du toluène a été étudiée sur des catalyseurs CuMnOx synthétisés par des voies de synthèse récentes. Ces mêmes catalyseurs ont finalement été intégrés en catalyse post-plasma (CPP) utilisant un réacteur pointe-plaque à décharge couronne en courant continu pour l’abattement du trichloroéthylène (TCE) en air humide. Pour chaque procédé d’abattement de COV utilisé, les avantages et inconvénients ont été tout particulièrement soulignés<br>Release of volatile organic compounds (VOCs) laden air into the environment contributes to the formation of tropospheric ozone, photochemical smog, enhancing the greenhouse effect and the destruction of the stratospheric ozone layer. Moreover, most of them are hazardous for human being. Non-thermal plasma techniques (NTPs) offer interesting perspectives for the removal of low concentrations of pollutants in air at high flow rates. However undesired by–product formation hinders its use in industrial applications. In contrast, the combination of NTP with a selective catalyst (plasma–catalysis) can be an attractive alternative. An overview of the present state of knowledge using MnOx based catalysts for toluene abatement in post-plasma catalysis (PPC) configuration is first of all herein given. Toluene decomposition in moist air with glass beads packed bed dielectric barrier discharge (DBD) cylindrical reactor alone, first step before combining it with a catalyst, has been studied and the role of water has been clarified. Concomitantly toluene total oxidation has been investigated on CuMnOx catalysts prepared by recent synthesis routes. These catalysts were finally integrated in a post-plasma catalysis PPC configuration using a 10-pin-to-plate negative DC corona discharge to be tested in trichloroethylene (TCE) abatement. For each process of VOC abatement used herein, the advantages and drawbacks have been particularly highlighted

Les décharges couronnes DC et les décharges à barrière diélectrique dans l’air à pression atmosphérique sont souvent utilisées en chimie car elles ont la capacité de produire des réactions chimiques hors-équilibre. Dans certaines conditions, elles peuvent générer un écoulement appelé « vent ionique ». Dans cette thèse, l’effet de l’injection d’un brouillard de gouttelettes d’eau micrométrique dans de tels plasmas est étudié, pour être appliqué à la récupération d’espèce chimique volatile in situ. L’objectif est donc d’étudier la mise en mouvement de l’aérosol par la décharge et sa précipitation sur la paroi d’un réacteur de type pointe-plan, à l’aide d’un dispositif de Vélocimétrie par Image de Particules (PIV) à haute fréquence (20 kHz). Dans un premier temps, la mise en mouvement de l’air par le phénomène de vent ionique est décrite, cet écoulement présentant des propriétés qui dépendent fortement du signal électrique alimentant la décharge (amplitude, fréquence, forme d’onde). Dans un second temps, l’effet du brouillard de gouttelettes d’eau sur la décharge ainsi que l’écoulement du brouillard dans l’espace inter-électrodes sont analysés. On a ainsi pu démontrer que le déplacement des particules était majoritairement dû au vent ionique, mais que le phénomène de précipitation électrostatique n’était pas négligeable, surtout à proximité de la plaque et dans les régions éloignées du centre du jet. Enfin, la quantité d’eau récupérée est évaluée pour différentes configurations de décharges électriques. L’application du procédé à la chimie n’a pu aboutir du fait de l’instabilité de la décharge dans un réacteur fermé à cause du film d’eau, non désiré, se formant sur les parois<br>DC corona discharges and dielectric barrier discharges (DBD) in air at atmospheric pressure are often used in chemistry due to their capacity to produce non-equilibrium chemical reactions. Under certain conditions, they can generate a flow called “ionic wind”. In this thesis, the effect of injecting a mist of water droplets into such plasmas is studied and applied for in situ volatile chemical species gathering. The objective is to study the motion of the aerosol induced by the discharge and its precipitation on the plate wall of a point-to-plate reactor, by means of a Particles Image Velocimetry (PIV) device at high frequency (20 kHz). First, the acceleration of air by the ionic wind phenomenon is described, this flow exhibiting properties that strongly depend on the electrical signal supplying the discharge (amplitude, frequency and waveform). Secondly, the impact of the water droplets mist on the discharge and the mist flow in the gap between electrodes are analyzed. We demonstrated that the particle movement was mainly due to ionic wind, but that the electrostatic precipitation phenomenon was not negligible, especially close to the plate and in the area far away from the jet axis. Lastly, the amount of water gathered in different discharge setups is evaluated. Applying the process to chemistry did not succeed because the discharge was unstable in a closed reactor due to the water film that takes place on the wall of the reactor

Cette thèse porte sur le développement d'une structure d'alimentation sans transformateur pour des décharges à barrière diélectrique (DBD). Une DBD est une charge permettant d'obtenir des plasmas froids à la pression atmosphérique. Ce dispositif est fortement capacitif et son alimentation doit délivrer plusieurs kilovolts pour allumer et entretenir la décharge. Cette haute tension est classiquement obtenue à l'aide d'un transformateur élévateur. Dans une première partie, nous montrons que les éléments parasites du transformateur impactent fortement le transfert d'énergie vers la décharge. C'est pourquoi dans une seconde partie, nous proposons une nouvelle topologie d'alimentation sans transformateur élévateur. Les caractéristiques fondamentales et le dimensionnement de notre alimentation sont obtenus par une analyse théorique. Dans cette topologie, les interrupteurs sont directement connectés à la DBD ; ils doivent donc supporter des tensions de plusieurs kilovolts. Il y a encore quelques années, il n'existait pas de semi-conducteur capable de supporter ce niveau de tension, à moins d'utiliser des interrupteurs fonctionnant à très basse fréquence. De récents progrès sur les matériaux semi-conducteurs ont permis d'élaborer des transistors et des diodes à base de carbure de silicium (SiC) capables de supporter des tensions allant jusqu'à 10 kV. Ce niveau de tension est tout à fait compatible avec la topologie d'alimentation proposée ici.Nous consacrerons la troisième partie du manuscrit à la mise en œuvre de notre convertisseur. Ce dernier, conçu à base de semi-conducteurs SiC, est fonctionnel et permet d'allumer une décharge. Cependant le fonctionnement initialement prévu est fortement affecté par la présence des capacités parasites notamment celles des interrupteurs. Nous détaillerons le rôle de chacune d'entre elles. Nous proposerons enfin des solutions permettant d'améliorer le transfert de puissance : mise en série de semi-conducteurs basses tensions, utilisation sur DBD de forte puissance<br>This thesis focuses on the development of a dielectric barrier discharge (DBD) transformerless power supply. A DBD can produce cold plasma at atmospheric pressure. This device is a capacitive load, which must be supplied by a high voltage alternative source. This high voltage is classically obtained by amplifying a low level voltage with a step up transformer. In the first part, we show that the parasitic elements of the transformer limit the power transfer to the DBD load. This is why, in a second part, we propose a new topology without step-up transformer. A theoretical study of the converter allows to size our power supply and to deduce the fundamental characteristics of the latter. In our topology, the power switches are directly connected to the high voltage. A few years ago, it was inconceivable to connect directly a transistor to a high level of voltage (5kV), unless using very low frequency switches. Recent progress on semiconductor devices led to the development of transistors and diodes based on silicon carbide (SiC), which are able to hold up to 10kV. This voltage level is compatible with our topology.In the third part, we focus on the realization of our transformerless power supply and its operation. Our power supply based on 10 kV SiC semiconductors can ignite the discharge; however the parasitic capacitance and particularly those of the switches affect the power transfer. The role of each one of them is analyzed in detail.In the last part we propose solutions to improve the power delivered by this supply: series connection of lower voltage switches, supplying a high power DBD

Cette thèse a pour objet l'étude thermique d'un réacteur à Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) de laboratoire. Une étude expérimentale a d'abord été réalisée afin de mesurer les températures en différents points du réacteur à l'aide de fibres optiques. Ces mesures ont été effectuées en régime transitoire et en régime stationnaire. Afin d'examiner l'influence des pertes thermiques, nous avons en outre considéré des réacteurs non isolés et des réacteurs isolés thermiquement. L'influence de la nature et de la forme des tensions appliquées a également été considérée. C'est ainsi que des expériences ont été menées avec une tension sinusoïdale et avec une alimentation pulsée qui permet une meilleure dynamique de dépôt de puissance. D'une manière générale, l'élévation de la température dans le réacteur est toujours de l'ordre de quelques dizaines de degrés. Cependant, un phénomène intéressant qui semble ne pas avoir été reporté par ailleurs a été mis en évidence. En effet un phénomène d'emballement thermique se produit dans certaines situations conduisant à une élévation de la température de plus de 150°C et ouvrant ainsi de nouvelles perspectives telles que l'association plasma/catalyse, puisque l'on atteint ici des niveaux de température suffisants pour enclencher le phénomène de catalyse. Différents modèles conductifs numériques et analytiques ont par ailleurs été développés. Les modèles analytiques simplifiés, qui ont été proposés, ont été validés et peuvent servir à mieux dimensionner les réacteurs à décharge à barrière diélectrique<br>This thesis aims to study the thermal behaviour of a laboratory Dielectric Barrier Discharge (DBD) reactor. An experimental study was first realized to measure temperatures at different points of the reactor by using optic fibres. These measurements were performed in transient and steady states. To examine the influence of heat losses , not insulated and insulated reactors were considered. The influence of the nature and the form of the applied voltage was else considered. Experiments were conducted with a sinusoidal voltage and a pulsed power supply

Les dispositifs DBD se répandent dans un grand nombre d’applications industrielles. Utilisés depuis plus de 150 ans pour la production d’ozone afin de décontaminer l’eau à grande échelle, ils ont depuis la fin du XXème siècle investi les domaines du traitement de surface polymère, du dépôt de couche mince sur substrat et de l’émission lumineuse pour la décontamination ainsi que la médecine. Ces dispositifs sont mis en oeuvre avec un générateur électrique dont les caractéristiques impactent fortement la qualité de la décharge. Ce travail s’inscrit en partie dans le cadre du développement d’une application de traitement de surface à pression atmosphérique. Il aborde la problématique de l’augmentation de la vitesse de dépôt de couche mince au travers des paramètres de l’alimentation électrique. Plus précisément, ce travail s’intéresse aux apports d’une alimentation en courant rectangulaire et aborde également les problématiques liées à la conception et à la fabrication de ce convertisseur. En particulier, une grande attention est portée sur l’étude du transformateur élévateur, car au travers de ses éléments parasites capacitifs, ce dernier peut limiter le transfert de puissance entre la source électrique et le dispositif DBD. Un deuxième aspect de cette étude consiste à entrevoir l’intérêt que revêtent deux convertisseurs statiques dédiés à l’alimentation de dispositifs DBD. Le premier consiste en une alimentation résonante en régime de conduction discontinue dont la particularité est de posséder trois degrés de liberté (fréquence, tension d’entrée et largeur d’impulsion), ce qui lui confère un intérêt exploratoire. Le second convertisseur consiste en une alimentation résonante haute tension et haute fréquence permettant l’éviction du transformateur élévateur, et mettant en oeuvre des interrupteurs au nitrure de gallium (GaN) afin d’atteindre une fréquence de fonctionnement supérieure au mega-Hertz avec un faible niveau de pertes.

Ce travail traite de la conception de générateur alimentant une lampe DBD destinée à la production de rayonnement UV. Cette alimentation doit permettre un contrôle efficace du rayonnement, grâce aux degrés de liberté apportés par le contrôle du générateur (fréquence, amplitude du courant injecté dans la lampe). Le modèle électrique de la lampe est utilisé pour prédire l'impact des caractéristiques du générateur sur le rayonnement UV produit. Une synthèse des interrupteurs de puissance du convertisseur statique permettant le contrôle du courant injecté est proposée et des solutions d'implémentation sont étudiées. Une démarche de conception en vue de l'optimisation du transformateur haute tension est proposée, notamment en ce qui concerne la valeur de ses éléments parasites. L'ensemble de ces travaux est étayé par des réalisations expérimentales.

Ce travail traite de la conception de générateur alimentant une lampe DBD destinée à la production de rayonnement UV. Cette alimentation doit permettre un contrôle efficace du rayonnement, grâce aux degrés de liberté apportés par le contrôle du générateur (fréquence, amplitude du courant injecté dans la lampe). Le modèle électrique de la lampe est utilisé pour prédire l’impact des caractéristiques du générateur sur le rayonnement UV produit. Une synthèse des interrupteurs de puissance du convertisseur statique permettant le contrôle du courant injecté est proposée et des solutions d’implémentation sont étudiées. Une démarche de conception en vue de l’optimisation du transformateur haute tension est proposée, notamment en ce qui concerne la valeur de ses éléments parasites. L’ensemble de ces travaux est étayé par des réalisations expérimentales<br>This work presents the concept of a generator supplying a DBD lamp for UV radiation production purpose. This supply permits effective control of radiation based on degree-of-freedom provided by generator control system (lamp current frequency and ampli-tude). Lamp electrical model is used to predict the impact of power source characteristics on the produced UV radiation. A synthesis of the switching devices of power converter for current lamp control is pro-posed and the implemented solutions are studied. A design procedure for high voltage transformer optimization is proposed in particular concerning parasitic elements. The entire work is supported by experimentations

Ce travail présente une approche raisonnée pour alimenter en énergie électrique une lampe exciplexe à décharge à barrière diélectrique, en vue du contrôle du rayonnement UV produit. Un modèle électrique de la lampe a été développé et identifié, permettant d'étudier les interactions alimentation-lampe. Ce modèle est également utilisé pour effectuer la synthèse des structures candidates du convertisseur ; celles-ci, procèdent à un contrôle direct du courant dans la lampe. Une étude expérimentale a été menée afin de valider l'approche théorique. Les degrés de liberté apportés par le réglage des convertisseurs sont exploités, pour analyser la corrélation entre le courant du gaz et le rayonnement UV.

Le gaz méthane est connu comme le gaz à effet de serre le plus ravageur. Les réserves mondiales actuelles de gaz naturel, qui contient principalement du méthane, sont sous-utilisées en raison des coûts de transport élevés. Subséquemment, un intérêt important est démontré dans la conversion du méthane en carburants liquides transportables et en produits chimiques d'importance pour l'industrie pétrochimique. L'une des principales solutions à ce problème est l'oxydation partielle du méthane (POM acronyme en anglais), cette réaction nécessite des pressions et des températures très élevées.L'oxydation partielle du méthane dans un milieu milli-plasma est une voie possible pour convertir le méthane en hydrocarbures supérieurs avec plus de valeur à conditions de température ambiante et pression atmosphérique. Dans ce contexte, un milli-réacteur plasma de type décharge à barrière diélectrique a été conçu pour l'oxydation partielle du méthane. Un mélange d'O2 / CH4 / Ar a été utilisé, à une haute tension CA (10,8 kV, 3 kHz) pour générer la décharge du plasma. Dans les conditions expérimentales, un environnement hautement réactif à température ambiante et pression atmosphérique a été généré, ce qui a conduit à une conversion du méthane jusqu'à 30 %. Les principaux produits de la réaction ont été identifiés comme le méthanol, l'éthane, l'éthane, le propane, l'hydrogène, le CO et le CO2. L'influence de l'énergie d'entrée spécifique (J / molmethanein), la composition du gaz, le débit sur la sélectivité au méthanol et la conversion du méthane ont été étudiés. Comsol Multiphysics 5.1 a été utilisé comme outil de simulation pour effectuer une première étude pour comprendre le mécanisme de la réaction impliquée dans la POM pour la production de méthanol. Deux modèles principaux ont été discutés, les modèles à l'échelle sinusoïdale et multi-temps. Ce travail définit les bases de la compréhension du POM pour la production de méthanol. Cette étude génère de nouvelles alternatives dans l'utilisation des technologies de miniaturisation afin de transformer efficacement le méthane en méthanol<br>Methane gas is known to be the most destructive greenhouse gas. The current world reserves of natural gas, which contains mainly methane, are underutilized due to high transportation costs. Thus, considerable interest is presently shown in conversion of methane to transportable liquid fuels and chemicals of importance to the petrochemical industry. One of the main solution for this problem is the partial oxidation of methane, actually this reaction requires a very high pressures and temperatures.The partial oxidation of methane (POM) in a milli-plasma environment is one possible route for converting methane to more valuable higher hydrocarbons at room temperature and atmospheric pressure.In that context, a Dielectric Barrier Discharge (DBD) transparent plasma-millireactor was designed for methane partial oxidation. A mixture of O2/CH4/Ar was processed into the reactor. AC high voltage (10.8 kV, 3 kHz) was applied to generate the plasma discharge. Under our experimental conditions, a highly reactive environment at room temperature and atmospheric pressure was generated, leading to methane conversion as high as 30 percent. The main products of the reaction were identified as methanol, ethane, ethane, propane, hydrogen, CO and CO2. The influence of the specific input energy (J/molmethanein), the gas composition and flow rate on the methanol selectivity and methane conversion were studied.Comsol Multiphysics 5.1 was used as a simulation tool to perform a first study to understand the mechanism of the reaction involved in POM for the production of methanol. Two main models were discussed, the sinusoidal and multi-time scale models. This work defines the bases for the understanding of the POM for the production of methanol. This study generates new alternatives in the use of miniaturization technologies in order to efficiently convert methane to methanol