FR3110432A1 - Dispositif pour le traitement d’air comprenant au moins un composé organique volatil - Google Patents

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Universite de Lorraine
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Abstract

La présente invention concerne un dispositif pour le traitement d’air comprenant au moins un composé organique volatil comprenant :- un réacteur (2) comprenant un premier espace (3) et un deuxième espace (4) séparés entre eux par une membrane (5) disposée sur un support (6),le premier espace (3) présentant une première pression P1, le deuxième espace (4) présentant une deuxième pression P2, la première pression P1 étant strictement supérieure à la deuxième pression P2 ;- un moyen d’admission (7) dudit air comprenant au moins un composé organique volatil débouchant dans ledit premier espace (3) du réacteur (2) ;- au moins un médium catalytique (8) comprenant au moins un catalyseur (9), étant situé dans le deuxième espace (4) ou dans un compartiment (10) connecté au deuxième espace (4) ;- au moins un moyen d’éclairage (11) dudit médium catalytique (8),ledit dispositif (1) comprenant par ailleurs un moyen d’échappement (12) de l’air traité depuis le deuxième espace (4) vers l’extérieur du dispositif (1). Figure pour l’abrégé : figure 1

Description

Dispositif pour le traitement d’air comprenant au moins un composé organique volatil
La présente invention concerne un dispositif pour le traitement d’air comprenant au moins un composé organique volatil.
La présente invention a également pour objet un procédé de traitement d’air comprenant au moins un composé organique volatil.
Techniques antérieures
Les composés organiques volatils (COV) regroupent une multitude de substances, qui peuvent être d'origine naturelle ou anthropique. Les plus connues sont le n-hexane, le toluène, l'éthanol, l'acétone ou encore le benzène. Les COV sont utilisés dans de nombreux procédés, essentiellement en qualité de solvant, dégraissant, dissolvant, agent de nettoyage, disperseur, conservateur, agent de synthèse, etc. Si l’on retrouve ces composés dans des effluents gazeux industriels avec des concentrations relativement élevées, de quelques dizaines de ppmv à plusieurs dizaines de milliers de ppmv, les bâtiments accueillant des activités relevant du secteur tertiaire ou encore l’habitat sont également concernés.
L’accentuation des contraintes réglementaires visant la réduction de la consommation énergétique de ces bâtiments pose la question de la réduction de la ventilation et du risque d’une augmentation de la concentration en COV, en dioxyde de carbone (CO2) ou encore de l’humidité relative dans ces locaux. L’impact négatif des COV sur l’environnement n’est plus à démontrer et la plupart des COV possède une toxicité avérée pour l’Homme. Les COV les plus nocifs, comme le benzène, sont classés CMR (cancérogène, mutagène et reprotoxique). Ils font l’objet d’une réglementation renforcée, notamment dans le cadre d’une exposition professionnelle.
Les technologies disponibles pour le traitement d’effluents relativement concentrés en COV reposent sur la mise en œuvre de procédés destructifs (thermiques, catalytiques) ou récupératifs (absorption gaz/liquide, adsorption gaz/solide, condensation, séparation membranaire). Pour ce qui relève du traitement d’effluents faiblement, voire très faiblement concentrés en COV, correspondant typiquement aux niveaux de pollution observés dans les locaux d’activités tertiaires ou dans l’habitat, la technologie de choix reste à ce jour l’adsorption sur charbon actif.
Efficace pour piéger de nombreux polluants, l’adsorption présente néanmoins des inconvénients non négligeables. Il s’agit en effet d’un processus discontinu dont le matériau adsorbant se sature progressivement générant des déchets ou nécessitant une régénération souvent énergivore, comme cela est décrit dans « L’adsorption en traitement de l’air », P. Le Cloirec, Techniques de l’ingénieur, Environnement [G 1 770], 2003. Par ailleurs, l’efficacité d’adsorption peut être fortement réduite en présence d’une concentration élevée de vapeur d’eau.
Les technologies reposant sur la perméation gazeuse permettent d’apporter une réponse efficace pour séparer sélectivement des gaz et des vapeurs relativement concentrés.
Le recours aux membranes denses ne semble pas être pertinent pour la séparation de COV faiblement concentrés de l’air. En effet, les mécanismes de transport des gaz (solution-diffusion) intervenant dans le processus de perméation gazeuse mettent en évidence la nécessité d’un gradient de concentrations (force motrice) du composé d’intérêt suffisamment élevé entre le rétentat et le perméat pour obtenir un rendement de séparation acceptable, comme cela est décrit dans « Perméation gazeuse », L. Sun et J-Y Thonnelier, Techniques de l’ingénieur, J2810 V1, 2004, ou encore dans « Membrane Technology and Applications », R.W. Baker, John Wiley & Sons, 2004. Dans de telles conditions, l’application d’une pression élevée côté rétentat et/ou d’une pression réduite côté perméat permet d’accroître le rendement de séparation au détriment d’un coût énergétique important.
Il a été montré qu’il était possible de séparer efficacement des COV très faiblement concentrés (10 à 100 ppm) à l’aide de modules membranaires à fibres creuses dont la couche active est en polydiméthylsiloxane (PDMS), comme cela est notamment décrit dans « Removal of VOCs from waste gas stream by permeation in a hollow fiber permeator », Cha J.S. et al, J. Membr. Sci., 1997, 128, 195–211.
Toutefois, ces résultats ont été obtenus en appliquant un vide poussé du côté perméat, et la surface de membrane est dans ce cas relativement importante.
D’autres techniques ont également été explorées pour décomposer des substances faiblement concentrées, par exemple la photocatalyse. Il s’agit d’un procédé d’oxydation avancée qui repose sur l’absorption d’énergie lumineuse par un photocatalyseur. Cela engendre, par oxydoréduction photo-induite en présence d’eau et de l’oxygène de l’air, la formation de molécules très réactives, majoritairement des radicaux libres. Ces radicaux libres sont capables de décomposer de nombreuses substances, organiques et inorganiques présentes dans l’effluent à traiter.
À l’heure actuelle, le semi-conducteur (photocatalyseur) utilisé dans la plupart des applications est le dioxyde de titane (TiO2). Dans ce cas, le domaine spectral concerné par les propriétés photocatalytiques est majoritairement l’UV proche (de longueur d’onde λ < 384 nm) et dans une moindre mesure une petite partie du domaine visible (longueur d’onde allant de 380 à 400 nm). La photocatalyse a pour avantage d’opérer à température ambiante et à pression atmosphérique.
Toutefois, la photocatalyse présente un inconvénient majeur lié à la nécessité d’un long temps de contact entre la substance à décomposer et le photocatalyseur.
Une autre technique visant à décomposer des substances est l’utilisation d’un réacteur membranaire, dans lequel un processus de séparation gazeuse à l’aide de membranes, poreuses ou denses, est couplé à un processus photocatalytique au sein d’un même réacteur.
Dans ce réacteur membranaire, le catalyseur est généralement placé du côté du rétentat. Cela signifie que la substance à décomposer réagit tout d’abord avec le catalyseur, puis les substances ayant été transformées suite au contact avec le catalyseur sont séparées à l’aide de membranes.
Cependant, ce dispositif présente l’inconvénient de traiter par photocatalyse le flux d’alimentation complet, ce qui peut résulter en une transformation incomplète de la substance à décomposer avant le traitement par séparation membranaire. Ce dispositif n’est donc pas satisfaisant.
L’invention a donc pour objet un dispositif pour le traitement d’air comprenant au moins un composé organique volatil comprenant :
- un réacteur comprenant un premier espace et un deuxième espace séparés entre eux par une membrane disposée sur un support,
le premier espace présentant une première pression P1, le deuxième espace présentant une deuxième pression P2, la première pression P1 étant strictement supérieure à la deuxième pression P2 ;
- un moyen d’admission dudit air comprenant au moins un composé organique volatil débouchant dans ledit premier espace du réacteur ;
- au moins un médium catalytique comprenant au moins un catalyseur, étant situé dans le deuxième espace ou dans un compartiment connecté au deuxième espace ;
- au moins un moyen d’éclairage dudit médium catalytique,
ledit dispositif comprenant par ailleurs un moyen d’échappement de l’air traité depuis le deuxième espace vers l’extérieur du dispositif.
De préférence, la membrane est choisie parmi une membrane en polydiméthylsiloxane, en poly(oxyde d’éthylène), en polyéther bloc amide, en polyvinylpyrolidone, en polyvinyl alcool, en polyacrylamide, en acétate de cellulose, en polypropylène, en éthylcellulose, en polyimide, en polysulfone, en polyvinylidène difluorure, en polyuréthane et des membranes zéolites, plus préférentiellement choisie parmi une membrane en polydiméthylsiloxane et une membrane en poly(oxyde d’éthylène).
Avantageusement, la membrane présente une surface allant de 1 cm2à 500 m2, de préférence de 1cm2à 5 m2, plus préférentiellement de 1 à 200 cm2, encore plus préférentiellement de 30 à 200 cm2.
Selon un mode de réalisation particulier, la membrane présente une épaisseur inférieure ou égale à 100 mm, de préférence de 100 nm à 50 mm.
Préférentiellement, le support est un support poreux, de préférence choisi parmi une grille métallique et un acier inox fritté.
De manière préférée, la première pression P1 va de 1,1 à 6 bars, de préférence de 1,1 à 3 bars.
Avantageusement, la deuxième pression P2 est inférieure ou égale à 1 bar, de préférence supérieure ou égale à 0,1 bar et inférieure ou égale à 1 bar.
Selon un mode de réalisation particulier, la différence entre la première pression P1 et la deuxième pression P2 va de 0,1 bar à 7 bars, de préférence de 0,1 à 6,9 bars, de préférence de 0,1 à 4 bars, plus préférentiellement de 0,1 à 1,5 bar.
Dans ce mode de réalisation, la différence de pression entre le premier espace et le deuxième espace peut être considérée comme faible. Ainsi, le composé organique volatil à décomposer diffuse peu à travers la membrane.
Du fait de la configuration particulière du dispositif selon l’invention, le composé organique volatil est transformé en d’autres substances, notamment en eau ou en dioxyde de carbone, après exposition à un rayonnement à l’aide du moyen d’éclairage, du côté du deuxième espace.
Le fait de décomposer le composé organique volatil du côté du deuxième espace induit une baisse de sa concentration dans ledit deuxième espace et donc entraine une augmentation de la force motrice, c’est-à-dire l’effet séparatif. Ainsi, la décomposition du composé organique volatil du côté du deuxième espace présente un double intérêt, l’augmentation de l’efficacité de la séparation membranaire avec une décomposition du composé organique volatil en substances pouvant être minérales.
Préférentiellement, le dispositif selon l’invention comprend en outre un moyen d’admission d’au moins un gaz de balayage débouchant dans le deuxième espace du réacteur. Ledit gaz de balayage peut être de l’air.
La mise en œuvre dudit gaz de balayage du côté du deuxième espace contribue à l’abaissement de la concentration du composé organique volatil, ce qui permet d’augmenter davantage le rendement de la séparation.
De préférence, le catalyseur est choisi parmi TiO2, éventuellement dopé par du platine, ZnO, ZrO2dopé par du chrome, Pd, Pt/Al2O3, Pt,Ni/g-Al2O3, CuO/MnO2, Pd/activé-C, Cu1,5Mn1,5O4, MnO2, Cr2O3, Mn2O3/g-Al2O3, le formaldéhyde, Cu0,13Ce0,87Oy, et leurs mélanges, de préférence choisi parmi TiO2, éventuellement dopé par du platine, ZnO et leurs mélanges.
Le médium catalytique peut être un médium photocatalytique.
Avantageusement, le moyen d’éclairage est choisi parmi au moins une diode électroluminescente et une source solaire, de préférence au moins une diode électroluminescente.
Le rayonnement émis par le moyen d’éclairage peut être un rayonnement ultraviolet, en particulier dont la longueur d’onde est inférieure à 388 nm.
Selon un mode de réalisation particulier, lorsque le catalyseur est choisi parmi TiO2, éventuellement dopé par du platine, ZnO et leurs mélanges, ledit moyen d’éclairage émet un rayonnement ultraviolet, en particulier un rayonnement ultraviolet dont la longueur d’onde est inférieure à 388 nm. Selon un mode de réalisation tout à fait particulier, lorsque le catalyseur est du TiO2, alors le moyen d’éclairage émet un rayonnement ultraviolet dont la longueur d’onde est inférieure à 388 nm.
Dans ce dispositif selon l’invention, différentes configurations d’écoulement des flux gazeux dans le premier espace et le deuxième peuvent être envisagées.
Une première configuration consiste en un écoulement dit « parfaitement mélangé » aussi bien dans le premier espace que dans le deuxième espace.
Une seconde configuration consiste en un écoulement dit « piston croisé ».
Une troisième configuration consiste en un écoulement dit « co-courant ».
Une quatrième configuration consiste en un écoulement dit « contre-courant ».
Ces configurations d’écoulement des flux gazeux sont des configurations classiques et connues de l’homme du métier.
L’invention porte également sur un procédé de traitement d’air comprenant au moins un composé organique volatil comprenant les étapes suivantes :
- alimenter en air comprenant au moins un composé organique volatil, un premier espace d’un réacteur à l’aide d’un moyen d’admission,
ledit réacteur comprenant en outre un deuxième espace, séparé du premier espace par au moins une membrane disposée sur un support,
ledit premier espace présentant une première pression P1, ledit deuxième espace présentant une deuxième pression P2, la première pression P1 étant strictement supérieure à la deuxième pression P2,
de telle sorte qu’une partie de l’air comprenant au moins un composé organique volatil diffuse à travers la membrane et le support jusqu’à atteindre un médium catalytique comprenant au moins un catalyseur, étant situé dans le deuxième espace ou dans un compartiment connecté au deuxième espace, l’autre partie étant retenue dans le premier espace du réacteur ;
- exposer ladite partie de l’air comprenant au moins un composé organique volatil ayant atteint ledit médium catalytique à un rayonnement à l’aide d’au moins un moyen d’éclairage ;
- récupérer la partie de l’air ayant été exposée audit rayonnement à l’aide d’un moyen d’échappement de l’air traité depuis le deuxième espace vers l’extérieur du dispositif ;
- récupérer la partie de l’air ayant été retenue dans le premier espace à l’aide d’un moyen d’échappement depuis le premier espace vers l’extérieur du dispositif.
Avantageusement, ledit composé organique volatil est choisi parmi le n-hexane, le toluène, l’éthanol, l’acétone, le benzène et leurs mélanges, de préférence le n-hexane.
Selon un mode de réalisation particulier, la concentration en composé organique volatil dans l’air va de 100 ppb à 5000 ppm, de préférence de 250 ppb à 500 ppm, plus préférentiellement de 1 ppm à 500 ppm, par rapport à la concentration totale de l’air.
De préférence, ledit rayonnement est un rayonnement ultraviolet, en particulier un rayonnement ultraviolet dont la longueur d’onde est inférieure à 388 nm.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront encore plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence au dessin annexé sur lequel :
est une vue schématique d’un mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention ;
est une vue schématique d’un autre mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention ;
est une vue schématique d’un autre mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention ;
est une vue schématique d’un autre mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention ;
est un graphe représentant l’évolution de la concentration du n-hexane en fonction de la puissance du rayonnement lors de la mise en œuvre d’un dispositif selon l’invention ;
est un graphe représentant l’évolution du taux d’élimination du n-hexane en fonction de la puissance du rayonnement lors de la mise en œuvre de dispositifs comparatifs et d’un dispositif selon l’invention.
Le dispositif selon l’invention pour le traitement d’air comprenant au moins un composé organique volatil permet de décomposer efficacement le ou les composés organiques volatils présents dans l’air.
On se réfèrera tout d’abord aux figures 1 à 4 qui illustrent deux modes de réalisation d’un dispositif selon l’invention.
On se réfèrera ensuite aux figures 5 et 6 qui illustrent les résultats obtenus lors de la mise en œuvre d’un dispositif selon l’invention et de dispositifs comparatifs.
Comme on le voit sur la figure 1, le dispositif 1 pour le traitement d’air comprenant au moins un composé organique volatil comprend un réacteur 2 comprenant un premier espace 3 et un deuxième espace 4 séparés entre eux par une membrane 5 disposée sur un support 6.
De préférence, le composé organique volatil est choisi parmi le n-hexane, le toluène, l’éthanol, l’acétone, le benzène et leur mélange. Plus préférentiellement, le composé organique volatil est du n-hexane.
La membrane peut être en un matériau présentant des sélectivités élevées pour de nombreux composés organiques volatils, notamment le n-hexane, le toluène, l’éthanol, l’acétone ou encore le benzène, par rapport au diazote et au dioxygène. De préférence, la membrane 5 est en polydiméthylsiloxane. La membrane 5 peut être aussi en poly(oxyde d’éthylène). La membrane en polydiméthylsiloxane, ou en poly(oxyde d’éthylène), présente, de manière connue, des sélectivités élevées pour de nombreux composés organiques volatils, notamment le n-hexane, par rapport au diazote et au dioxygène.
Avantageusement, le support 6 est un support poreux, par exemple une grille métallique. Le support peut également être un acier inox fritté.
Le premier espace 3 présente une première pression P1, et le deuxième espace 4 présente une deuxième pression P2, la première pression P1 étant strictement supérieure à la deuxième pression P2.
Le dispositif 1 comprend également un moyen d’admission 7 dudit air comprenant au moins un composé organique volatil débouchant dans le premier espace 3 du réacteur 2.
Le dispositif 1 comprend également un médium catalytique 8 comprenant au moins un catalyseur 9.
De préférence, le médium catalytique 8 est un médium photocatalytique 8.
Selon un premier mode de réalisation, le médium photocatalytique 8 est situé dans le deuxième espace 4, comme on le voit sur la figure 1.
Selon un autre mode de réalisation, le médium photocatalytique 8 est situé dans un compartiment 10 connecté au deuxième espace 4 par des flux entrants et sortant, comme on le voit sur la figure 2 ou sur la figure 4.
Le catalyseur 9 peut être du dioxyde de titane.
Selon un mode de réalisation particulier, le catalyseur 9 est déposé sur des fibres de quartz. Ainsi, dans ce mode de réalisation, l’ensemble formé par le catalyseur 9 et les fibres de quartz constitue un médium catalytique 8.
Le dispositif 1 comprend également au moins un moyen d’éclairage 11 dudit médium catalytique 8.
Le moyen d’éclairage 11 peut être au moins une diode électroluminescente ou une source solaire.
Le moyen d’éclairage peut être constitué par trois diodes électroluminescentes, comme on le voit sur la figure 1 ou 2 ou 3 ou 4.
De préférence, le moyen d’éclairage émet un rayonnement ultraviolet, en particulier un rayonnement ultraviolet dont la longueur d’onde est inférieure à 388 nm. Plus préférentiellement, les trois diodes électroluminescentes émettent un rayonnement ultraviolet dont la longueur d’onde est inférieure à 388 nm.
De préférence, le moyen d’éclairage 11 est séparé du médium catalytique 8 par un disque de verre borosilicate (non représenté sur les figures 1 ou 2 ou 3 ou 4).
Le dispositif 1 comprend par ailleurs un moyen d’échappement 12 de l’air traité depuis le deuxième espace 4 vers l’extérieur du dispositif 1.
De préférence, le dispositif 1 comprend également un moyen d’échappement 13 de la partie de l’air, ayant été retenue dans le premier espace 3, depuis le premier espace 3 vers l’extérieur du dispositif 1.
Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif 1 peut comprendre également un moyen d’admission 14 d’un gaz de balayage débouchant dans le deuxième espace 4 du réacteur 2, comme on peut le voir sur la figure 3 ou sur la figure 4. Le gaz de balayage peut être de l’air.
La mise en œuvre dudit gaz de balayage du côté du deuxième espace contribue à l’abaissement de la concentration du composé organique volatil, ce qui permet d’augmenter davantage le rendement de la séparation.
Ainsi, pour traiter l’air comprenant au moins un composé organique volatil, le premier espace 3 du réacteur 2 est alimenté en air comprenant au moins un composé organique volatil à l’aide du moyen d’admission 7.
La première pression P1 régnant dans le premier espace 3 étant strictement supérieure à la deuxième pression P2 régnant dans le deuxième espace 4, l’air comprenant au moins un composé organique volatil diffuse en direction du deuxième espace 4.
Selon un mode de réalisation particulier, une partie de l’air comprenant au moins un COV diffuse à travers la membrane 5 en polydiméthylsiloxane et la grille métallique 6, du fait de la sélectivité élevée que présente la membrane en polydiméthylsiloxane 5 pour de nombreux COV, comme le n-hexane, par rapport au diazote et au dioxygène.
Dans ce même mode de réalisation, ladite partie de l’air diffuse à travers la membrane 5 jusqu’à atteindre le médium catalytique 8, en particulier le médium photocatalytique 8, comprenant au moins un catalyseur 9, l’autre partie de l’air étant retenue dans le premier espace 3 du réacteur 2.
Puis, ladite partie de l’air comprenant au moins un composé organique volatil ayant atteint ledit médium catalytique 8 est exposé à un rayonnement à l’aide du moyen d’éclairage 11. En particulier, le rayonnement est un rayonnement ultraviolet, de préférence un rayonnement ultraviolet dont la longueur d’onde est inférieure à 388 nm.
Ainsi, le composé organique volatil est transformé en d’autres substances, notamment en eau ou en dioxyde de carbone. Le composé organique volatil a été décomposé.
Après exposition, la partie de l’air ayant été exposée audit rayonnement est récupérée à l’aide du moyen d’échappement 12 de l’air traité depuis le deuxième espace 4 vers l’extérieur du dispositif 1.
De préférence, la partie de l’air ayant été retenue dans le premier espace 3 est récupéré à l’aide du moyen d’échappement 13 depuis le premier espace 3 vers l’extérieur du dispositif 1.
La présente invention va maintenant être décrite de manière plus spécifique par le biais d’exemples, qui ne sont nullement limitatifs de la portée de l’invention. Toutefois les exemples permettent de supporter des caractéristiques spécifiques, variantes, et modes de réalisation préférés de l’invention.
Exemples
Dans les exemples qui suivent, un banc expérimental a été utilisé. L’analyse des composés organiques volatils au rétentat et au perméat est réalisée en ligne par un système Perkin Elmer couplant un thermodésorbeur (Turbomatrix 100), un chromatographe en phase gazeuse (Clarus 580) équipé respectivement d’un détecteur à ionisation de flamme, d’un détecteur à ionisation d’hélium à décharge pulsé (un détecteur « pulsed discharge helium ionization detector » (PDHID)) et d’un spectromètre de masse quadripolaire (Clarus SQ 8).
Par ailleurs, le dispositif utilisé dans les exemples qui suivent est le dispositif tel que représenté à la figure 1.
Les volumes rétentat et perméat sont respectivement de 65 mL et de 145 mL.
La membrane utilisée est en polydiméthylsiloxane et présente un diamètre de 70 mm.
Le composé organique volatil utilisé est le n-hexane, selon une concentration de 10 ppm dans l’air.
Le médium catalytique est un médium photocatalytique. Ce médium est un média de fibres de quartz (présentant un diamètre de 9 µm) sur lesquelles du dioxyde de titane (TiO2anatase P25) a été déposé. Le dioxyde de titane présente par ailleurs une surface spécifique de 120 m2/g.
Le moyen d’éclairage est constitué de trois diodes électroluminescentes. La puissance du rayonnement est exprimée en W/m2.
Exemple 1
La membrane en polydiméthylsiloxane présente une épaisseur de 50 µm et une surface de 38,5 cm2.
Le réacteur est alimenté avec un débit de 50 mL/min.
0,420 g de dioxyde de titane a été déposé sur les fibres de quartz.
Le taux d’élimination du n-hexane a été étudié en faisant varier la pression régnant dans le premier espace (côté rétentat) et la pression régnant dans le deuxième espace (côté perméat). Ainsi, différents couples de pression ont été étudiés.
Pour cette étude, les résultats obtenus sont présentés à l’aide du facteur d’intensification k qui est défini tel que
k = R/R0, R désignant le rendement d’élimination du n-hexane pour une puissance du rayonnement I égale à 11 W/m2, R0 désignant le rendement d’élimination du n-hexane pour une puissance du rayonnement nulle (irradiance I = 0 W/m2).
Les résultats obtenus pour différents couples de pression sont résumés dans le tableau 1 ci-dessous :
Cas Pressions rétentat/perméat (bars) k
1 1,2/0,98 181
2 2/0,98 12
3 3/0,98 5,3
Lorsque la puissance du rayonnement est égale à 0 W/m2, cela signifie que seule la séparation membranaire est mise en œuvre. En effet, sans rayonnement, il ne peut y avoir de photocatalyse.
Ainsi, il est constaté que le rendement d’élimination du n-hexane peut être multiplié jusqu’à 181 (pour le premier couple de pressions) lorsque la photocatalyse combinée avec le processus de catalyse membranaire sont mis en œuvre.
Le facteur d’intensification est d’autant plus important que la différence de pressions entre celle régnant dans le premier espace (côté rétentat) et celle régnant dans le deuxième espace (côté perméat) est faible.
Exemple 2
La membrane en polydiméthylsiloxane présente une épaisseur de 50 µm et une surface de 200 cm2.
Le réacteur est alimenté avec un débit de 200 mL/min.
0,05 g de dioxyde de titane a été déposé sur les fibres de quartz.
Dans cet exemple 2, la pression régnant dans le premier espace (côté rétentat) est de 1,1 bar et la pression régnant dans le deuxième espace (côté perméat) est de 0,98 bar.
L’évolution de la concentration en n-hexane a été évaluée en fonction de l’irradiance dans le premier espace (côté rétentat) et dans le second espace (côté perméat).
Comme on le voit sur la figure 5, la courbe A correspond à l’évolution de la concentration en n-hexane en fonction de l’irradiance dans le premier espace (côté rétentat).
La courbe B correspond à l’évolution de la concentration en n-hexane en fonction de l’irradiance dans le deuxième espace (côté perméat).
Il est clairement constaté que la concentration en n-hexane chute avec l’irradiance à la fois dans le premier espace (côté rétentat), et dans le deuxième espace (côté perméat).
Cette figure 5 montre qu’une très grande majorité du n-hexane a traversé la membrane et le support, et que la très grande majorité du n-hexane a été transformée avec l’exposition au rayonnement.
Ainsi, le dispositif selon l’invention permet de décomposer efficacement le composé organique volatil présent dans l’air.
Exemple 3
La membrane en polydiméthylsiloxane présente une épaisseur de 1 µm et une surface de 120 cm2.
Le réacteur est alimenté avec un débit de 100 mL/min.
0,150 g de dioxyde de titane a été déposé sur les fibres de quartz.
Dans cet exemple 3, la pression régnant dans le premier espace (côté rétentat) est de 1,2 bar et la pression régnant dans le deuxième espace (côté perméat) est de 0,98 bar.
L’évolution du taux d’élimination du n-hexane a été évaluée en fonction de l’irradiance en mettant en œuvre trois dispositifs.
Le premier dispositif est un dispositif dans lequel seule la séparation membranaire est mise en œuvre (dispositif comparatif).
Le deuxième dispositif est un dispositif dans lequel seule la photocatalyse est mise en œuvre (dispositif comparatif).
Le troisième dispositif est un dispositif selon l’invention, tel que représenté en figure 1, c’est-à-dire dans lequel la séparation membranaire et la photocatalyse sont mises en œuvre.
Comme on le voit sur la figure 6, la courbe C correspond à l’évolution du taux d’élimination du n-hexane en mettant en œuvre le premier dispositif, i.e un dispositif dans lequel seule la séparation membranaire est mise en œuvre. Il faut noter que l’irradiance est nécessairement de 0 W/m2. Il est constaté que seul environ 5% en moles du n-hexane par rapport au nombre total de moles du n-hexane initialement présent dans l’air, est éliminé.
La courbe D correspond à l’évolution du taux d’élimination du n-hexane en mettant en œuvre le deuxième dispositif. Il est constaté que le taux molaire d’élimination du n-hexane est d’environ 80%.
La courbe E correspond à l’évolution du taux d’élimination du n-hexane en mettant en œuvre le troisième dispositif, le dispositif selon l’invention. Il est constaté que le taux molaire d’élimination du n-hexane est d’environ 95%.
Ainsi, un effet synergique est observé lorsque le dispositif selon l’invention est mis en œuvre avec l’utilisation combinée de la séparation membranaire et de la photocatalyse.
Là encore, le dispositif selon l’invention permet de décomposer efficacement le composé organique volatil présent dans l’air à traiter.

Claims (15)

  1. Dispositif (1) pour le traitement d’air comprenant au moins un composé organique volatil comprenant :
    - un réacteur (2) comprenant un premier espace (3) et un deuxième espace (4) séparés entre eux par une membrane (5) disposée sur un support (6),
    le premier espace (3) présentant une première pression P1, le deuxième espace (4) présentant une deuxième pression P2, la première pression P1 étant strictement supérieure à la deuxième pression P2 ;
    - un moyen d’admission (7) dudit air comprenant au moins un composé organique volatil débouchant dans ledit premier espace (3) du réacteur (2) ;
    - au moins un médium catalytique (8) comprenant au moins un catalyseur (9), étant situé dans le deuxième espace (4) ou dans un compartiment (10) connecté au deuxième espace (4) ;
    - au moins un moyen d’éclairage (11) dudit médium catalytique (8),
    ledit dispositif (1) comprenant par ailleurs un moyen d’échappement (12) de l’air traité depuis le deuxième espace (4) vers l’extérieur du dispositif (1).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (5) est choisie parmi une membrane en polydiméthylsiloxane, en poly(oxyde d’éthylène), en polyéther bloc amide, en polyvinylpyrolidone, en polyvinyl alcool, en polyacrylamide, en acétate de cellulose, en polypropylène, en éthylcellulose, en polyimide, en polysulfone, en polyvinylidène difluorure, en polyuréthane et des membranes zéolites, de préférence choisie parmi une membrane en polydiméthylsiloxane et une membrane en poly(oxyde d’éthylène).
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la membrane (5) présente une surface allant de 1 cm2à 500 m2, de préférence de 1 cm2à 5 m2, plus préférentiellement de 1 à 200 cm2.
  4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la membrane (5) présente une épaisseur inférieure ou égale à 100 mm, de préférence de 100 nm à 50 mm.
  5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support (6) est un support poreux, de préférence choisi parmi une grille métallique et un acier inox fritté.
  6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première pression P1 va de 1,1 à 6 bars, de préférence de 1,1 à 3 bars.
  7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième pression P2 est inférieure ou égale à 1 bar, de préférence supérieure ou égale à 0,1 bar et inférieure ou égale à 1 bar.
  8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la différence entre la première pression P1 et la deuxième pression P2 va de 0,1 bar à 7 bars, de préférence de 0,1 à 4 bars, plus préférentiellement de 0,1 à 1,5 bar.
  9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un moyen d’admission (14) d’au moins un gaz de balayage débouchant dans le deuxième espace (4) du réacteur (2).
  10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit catalyseur (9) est choisi parmi TiO2, éventuellement dopé par du platine, ZnO, ZrO2dopé par du chrome, Pd, Pt/Al2O3, Pt,Ni/g-Al2O3, CuO/MnO2, Pd/activé-C, Cu1,5Mn1,5O4, MnO2, Cr2O3, Mn2O3/g-Al2O3, le formaldéhyde, Cu0,13Ce0,87Oy, et leurs mélanges, de préférence choisi parmi TiO2, éventuellement dopé par du platine, ZnO et leurs mélanges.
  11. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le médium catalytique (8) est un médium photocatalytique (8).
  12. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen d’éclairage (11) est choisi parmi au moins une diode électroluminescente et une source solaire, de préférence au moins une diode électroluminescente.
  13. Procédé de traitement d’air comprenant au moins un composé organique volatil comprenant les étapes suivantes :
    - alimenter en air comprenant au moins un composé organique volatil, un premier espace d’un réacteur à l’aide d’un moyen d’admission,
    ledit réacteur comprenant en outre un deuxième espace, séparé du premier espace par au moins une membrane disposée sur un support,
    ledit premier espace présentant une première pression P1, ledit deuxième espace présentant une deuxième pression P2, la première pression P1 étant strictement supérieure à la deuxième pression P2,
    de telle sorte qu’une partie de l’air comprenant au moins un composé organique volatil diffuse à travers la membrane et le support jusqu’à atteindre un médium catalytique comprenant au moins un catalyseur, étant situé dans le deuxième espace ou dans un compartiment connecté au deuxième espace, l’autre partie étant retenue dans le premier espace du réacteur ;
    - exposer ladite partie de l’air comprenant au moins un composé organique volatil ayant atteint ledit médium catalytique à un rayonnement à l’aide d’au moins un moyen d’éclairage ;
    - récupérer la partie de l’air ayant été exposée audit rayonnement à l’aide d’un moyen d’échappement de l’air traité depuis le deuxième espace vers l’extérieur du dispositif ;
    - récupérer la partie de l’air ayant été retenue dans le premier espace à l’aide d’un moyen d’échappement depuis le premier espace vers l’extérieur du dispositif.
  14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit composé organique volatil est choisi parmi le n-hexane, le toluène, l’éthanol, l’acétone, le benzène et leurs mélanges, de préférence le n-hexane.
  15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que la concentration en composé organique volatil dans l’air va de 100 ppb à 5000 ppm, de préférence de 250 ppb à 500 ppm, plus préférentiellement de 1 ppm à 500 ppm, par rapport à la concentration totale de l’air.
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