WO2009101367A2 - Procede de destruction de n2o par plasma micro-ondes a pression atmospherique - Google Patents

Procede de destruction de n2o par plasma micro-ondes a pression atmospherique Download PDF

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WO2009101367A2
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treated
plasma
nitrous oxide
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Christian Larquet
Anne-Laure Lesort
André Monnot
Jean-Christophe Rostaing
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L'air Liquide, Société Anonyme pour l'Étude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude
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    • H05H2245/17—Exhaust gases

Definitions

  • the invention relates to a method for destroying nitrous oxide by microwave plasma treatment at atmospheric pressure.
  • Nitrous oxide (N 2 O) is a gas widely used to perform anesthesia and analgesia in the medical field.
  • Gaseous N 2 O is usually administered to the patient by inhalation in admixture with oxygen.
  • a ready-to-use mixture sold under the name Kalinox® containing 50% N 2 O and 50% O 2 (% by volume) is known.
  • This N2O / O2 mixture is particularly intended for light medical procedures in hospitals or mobile emergency units, such as EMS or firefighters, or for use in the dental office, for example.
  • N 2 O is not metabolized by the body but is largely released into the patient's exhalation gas. Although N 2 O is not considered a toxic gas, it is not a neutral gas and frequent or even continuous exposure of N 2 O medical personnel in the immediate environment of patients is not undesirable, especially above a certain concentration threshold.
  • N 2 O is a gas known to contribute, when it is present in the atmosphere, to the global warming of the Earth's climate by the greenhouse effect. It has a fairly high chemical stability in the atmosphere (132 years half life) and concentrations emitted into the environment can accumulate over long periods. From there, the discharge as such to the atmosphere of N 2 O should be avoided.
  • expired patient gases rich in N 2 O can be collected and either sent directly to an evacuation pipe to the atmosphere or purified before shipment. to the atmosphere by first adsorbing on a zeolite or another suitable adsorbent, the N 2 O contained in the gases exhaled by the patients, and then desorbing the N 2 O once the zeolite nears saturation, with a view to its recovery and / or destruction.
  • N 2 O 4 NO, NO 2 and its dimeric form N 2 O 4 , designated under the generic formula N0 ⁇ ; N0 ⁇ should not be confused with N 2 O and are in particular more toxic than N 2 O.
  • these discharges are not suitable for the destruction of pollutants in high concentration (typically well above 0.1% by volume), as is generally the case for N2O in mixtures exhaled by patients and that the we will deal on site in real time or off-site in deferred time after recovery and storage.
  • the conversion efficiency of the incident pollutant gas would then be much less than unity.
  • these discharges sometimes called "cold atmospheric discharges" have relatively low electronic densities.
  • the number of inelastic electronic collisions on polluting gas molecules, which can dissociate them, is then insufficient for the majority of them to be converted.
  • the structure of these discharges is generally inhomogeneous in space and discontinuous in time.
  • the invention thus relates to a method for destroying nitrous oxide in which the gas containing nitrous oxide is subjected to a microwave plasma treatment at atmospheric pressure.
  • the invention relates to a process for removing nitrous oxide contained in a gas to be treated, wherein: a) the gas to be treated containing nitrous oxide is subjected to treatment by passage through a plasma at atmospheric pressure excited and maintained only by application of microwave power absorbed within said plasma, b) converting at least a portion of the nitrous oxide to nitrogen and oxygen.
  • the method of the invention may include one or more of the following features:
  • conversion by-products in particular NO 2 , N 2 O 4 and HNO 3, are furthermore generated, and in that it furthermore comprises a step of alkaline neutralization of all or part of the conversion products.
  • the alkaline neutralization is carried out by an alkaline solid reactive adsorbent bed, preferably a bed of soda lime.
  • the process comprises a preliminary stage of concentration of nitrous oxide of the gas to be treated.
  • the gas to be treated comes directly from the gases exhaled by a patient to whom nitrous oxide has been administered by inhalation.
  • the gas to be treated comes from the pipe for the recovery and general evacuation of gases exhaled by the patients of a hospital building.
  • the gas to be treated is adsorbed on a zeolite and then desorbed, before being subjected to the microwave plasma treatment at atmospheric pressure.
  • the gas to be treated also contains halogenated anesthetic gases.
  • the gas to be treated contains between 5 and 100% of N 2 O, preferably between 10 and 75% of N 2 O, more preferably between 20 and 50% of N 2 O.
  • the gas to be treated further contains oxygen, preferably more than 5% oxygen, more preferably more than 10% oxygen.
  • a treated gas containing less than 2% of N 2 O, preferably less than 1% of N 2 O, more preferably less than 0.5% of N 2 O is recovered.
  • a treated gas containing less than 5% of one or more compounds selected from NO 2 , N 2 O 4 and HNO 3, preferably less than 3% of one or more of said compounds is recovered.
  • the microwave plasma used is out of thermodynamic equilibrium and furthermore has the following characteristics:
  • the electron density is between 10 12 and 10 15 cm -3 , preferably between 10 13 and 10 14 cm -3 , and
  • the average temperature of the gas in the plasma is greater than 2000 K, preferably greater than 2500 K, more preferably greater than 3000 K.
  • - gas cooling means are provided downstream of the plasma, for example heat exchangers or any another device capable of ensuring a cooling of the gas.
  • microwave plasma treatment at atmospheric pressure is meant a treatment of passing the gas containing the pollutant molecules through a volume region where a plasma is generated and maintained in steady state, solely through the application of a microwave power flow penetrating into the gas in which it is absorbed.
  • Plasma free electrons gain energy under the combined effect of their acceleration in the electromagnetic microwave field and elastic random collisions on gas molecules, as explained for example in the book Micro wave Excited Plasmas, eds . M. Moisan and J. Pelletier, Elsevier, Amsterdam, 1992, chap. 2 pp. 13-27.
  • the electrons that have acquired sufficient energy through these processes can then induce inelastic collisions on gas molecules, the effect of which may be excitation, ionization or dissociation.
  • Ionization makes it possible to maintain the population of charged particles by compensating the losses, and thus to maintain a stable plasma.
  • Dissociation and excitation result in the formation of fragments, atoms and radicals, smaller than the original chemical molecules of pollutants and very strongly reactive with one another to give end products different from the original molecules, which are expected to be harmless or easy to post-treat by a conventional means.
  • the foregoing definition excludes the case where, due to the use of an inappropriate microwave power coupling device, the plasma can only stably exist if a supplement of charged particles and / or energy is supplied to the plasma by a source of a different nature than the microwave power.
  • It may be for example an electromagnetic excitation of another type than microwave provided in the plasma zone or a contiguous zone, for example a corona discharge, dielectric barrier or sliding arc. It can also be a source of electrons thermoelectronic effect in the form of a suitable material disposed in the plasma or at the border thereof, and heated by any known means including the absorption of microwaves . In all cases where there are other contributions to the energy balance and the plasma-charged particle budget than the microwave power absorption, the plasma will not possess the particular characteristic properties that give it its unique interest for the present. application, as we will see in the following.
  • our definition of the treatment of a gas charged with pollutants by a microwave plasma excludes the cases where the said gas does not undergo the direct action of the plasma, that is to say that it does not cross an area where it would be excited and ionized following the absorption of microwaves, but where this gas would be exposed only to the action of a so-called "post-discharge” or “deferred plasma” medium.
  • the plasma is maintained in an auxiliary gas different from the gas to be treated. The latter is brought into contact with the auxiliary gas from the plasma in a volume zone immediately contiguous with said plasma, where there are only electrically neutral (non-ionized) species that can still be in the dissociated state or excited.
  • This method of treatment may be the only one possible if, because of insufficiently efficient technology for the microwave power application device, the composition of the pollutant-laden gas is incompatible with the maintenance of a micro-wave plasma. waves in it. However, if the effect of a post-discharge on gas pollutants is not negligible, it is much weaker than that of a direct plasma. The corresponding mode of treatment is of little practical interest for the present application where a high conversion efficiency is a necessary condition of acceptability.
  • Atmospheric microwavable plasmas also have a very particular characteristic which results from the physical processes which are at the origin of their maintenance, and which will prove to be of crucial use for the abatement application referred to here.
  • the gas entering the plasma zone undergoes extremely fast heating, in fact considerably faster than by any conventional means. It can be considered that the gas reaches almost instantaneously the temperature characteristic of the atmospheric microwave plasma. This very high temperature leads to very fast kinetics of the chemical reactions and one can then consider that the gas tends towards the thermodynamic equilibrium corresponding to the temperature in question. In fact, the medium is not fully in thermal equilibrium and contains fast electrons at a temperature about an order of magnitude higher. These will also induce dissociative collisions on the initial pollutant molecules that will have the effect of making the conversion reactions even more complete.
  • thermodynamic equilibrium Just at the exit of the plasma zone, the electrons heat up, recombine and disappear very quickly.
  • a gas described essentially by the thermodynamic equilibrium with the considered temperature that one can estimate or to measure.
  • the chemical composition of this hot gas can therefore be calculated by applying the principles of thermodynamics as a function of the initial composition.
  • Oxygen and nitrogen are in molecular or atomic form depending on the temperature. Below 3000 K atomic nitrogen is strongly in the minority. At 3000 K there is about 1 mole of atomic oxygen.
  • the gas is cooled in a heat exchanger.
  • This cooling is generally quite fast, the effect corresponds to a partial quenching, therefore an essentially irreversible transformation.
  • the final state when one has returned to the ambient can not then be exactly known.
  • the temperature known to be that of the gas just before entering the exchanger ie 2500 to 3000 K
  • atomic nitrogen to give back N 2 O, NO or NO 2 / N 2 O 4 , and thus lead to final values of concentrations much higher than those, weak or very weak, corresponding to the thermodynamic equilibrium.
  • the conversion efficiency of the N 2 O pollutant is close to unity and, on the other hand, that the generation of NO, NO2 / N2O4 remains moderate to low.
  • the final conversion products are therefore very largely N 2 and O 2 .
  • NO also tends to regulate to give NO 2 , which is in fact in equilibrium with its dimeric form N 2 O 4 .
  • This method based on an atmospheric microwave plasma is therefore particularly suitable for the treatment of N 2 O of medical origin in order to suppress the exposure of the personnel as well as the ultimate rejection to the atmosphere. It is a safe process that operates from a source of electrical power that is under control at all times, is much more compact and consumes up to 5 times less energy than a burner while not having no external parts at high temperature, and which requires virtually no maintenance.
  • This treatment makes it possible to decompose the nitrous oxide mainly in N 2 and O 2 which can be simply released into the atmosphere, without risk of pollution or deterioration of the ozone layer, since these two compounds constitute on their own, nearly 98% by volume of the Earth's atmosphere.
  • an alkaline solid reactive adsorbent bed there may be mentioned a bed of soda lime granules.
  • the process according to the invention may further comprise a step of alkaline neutralization of the conversion products resulting from the treatment with microwaves at atmospheric pressure, in particular using a bed of soda lime.
  • the process is particularly suitable for the destruction of nitrous oxide contained in a gas at relatively high concentrations, of the order of a few% or more by volume of nitrous oxide with respect to the total volume of gas, or even of pure nitrous oxide.
  • the process according to the invention comprises a prior step of concentration of nitrous oxide in the gas to be treated.
  • the efficiency of the plasma pollution control system decreases with the level of dilution, hence the interest of proceeding to a reconcentration.
  • This is preferably carried out by means of a system with selective permeation membranes, known to those skilled in the art and sold in particular by the Applicant.
  • the gas to be treated comes directly from the exhaled gas by a patient to whom nitrous oxide has been administered.
  • the nitrous oxide may have been administered alone or in the form of a mixture already prepared with oxygen, such as an equimolar or equivolumic mixture (50% / 50%) of N 2 O and O 2 .
  • This method is particularly suitable in the case where the patient has also received as an anesthetic gas one (or more) halogen gas.
  • the plasma has the advantage of being able to also treat the halogenated anesthetic gases which can in certain cases be mixed with N 2 O.
  • the conversion chemistry is close to that known in the case of the halogenated gases resulting from the processes.
  • semiconductor fabrication plasma etching of microcircuit patterns and plasma cleaning of thin film deposition reactors, which are commonly destroyed by the same technique.
  • the products of the conversion of halogenated anesthetic gases in the plasma will be corrosive halogen gases such as HBr, HCl and HF which are transiently dangerous but which are eliminated immediately and irreversibly on the alkaline neutralization system.
  • the process according to the invention is implemented on the gas resulting from the recovery of all the gases exhaled by the patients in the operating rooms of the same hospital site.
  • the method according to the invention may comprise a preliminary step in which the gas to be treated is adsorbed on a zeolite after capture at the level of the mask by which it is administered to the patient, then transported to a remote site of treatment, where it is then desorbed before being subjected to microwave plasma at atmospheric pressure.
  • An installation for implementing the method as described above comprises:
  • a zeolite capable of reversibly adsorbing at least nitrous oxide and optionally halogenated gases, and / or a device for concentrating nitrous oxide,
  • an alkaline neutralization device optionally at the output of said device an alkaline neutralization device.
  • the plant of the invention can operate offline and comprise zeolite capable of reversibly adsorbing the gas to be treated.
  • the plasma generator device comprises in particular an atmospheric pressure microwave plasma reactor provided with means for applying the electromagnetic power which are chosen in particular from the group comprising a resonant cavity, an internal system waveguide, surface wave or torch, as described for example in Microwave Excited Plasmas, eds. M. Moisan and J. Pelletier, Elsevier, Amsterdam, 1992, chap. 4-5.
  • a surface wave device with a surgeide field applicator will be used, provided with appropriate improvements, for example such as those described in EP-A-874537.
  • This device makes it possible to couple a continuous microwave power to a nitrogen plasma. at 2.45 GHz of the order of 6 kW, to treat large amounts of gaseous effiuents per unit of time.
  • the discharge tube of the plasma reactor comprises a double wall with continuous circulation of a dielectric cooling fluid.
  • silica is sufficient as a material for the inner wall of the tube.
  • the gas to be treated also contains halogenated gases, and in particular fluorinated gases, it is appropriate to use ceramics, in particular based on aluminum nitride.
  • Cooling means are a priori provided for the gas leaving the discharge tube, the plasma being out of thermal equilibrium but can not be considered as "cold", as previously emphasized.
  • the system can operate as upstream or downstream gas flow. The upflow operation is quite feasible, because the conversion chemistry considered here is not accompanied by the massive generation of condensates whose return by gravity in the tube could be a problem.
  • the alkaline neutralization system may be an alkaline solid reactive adsorbent bed or an aqueous alkaline solution liquid bath.
  • it is an alkaline solid bed composed of soda lime granules, currently commercially available, which makes it possible to trap very easily, definitively and irreversibly the new compounds formed by the conversion chemistry. plasma, minority but harmful and not directly released into the environment, namely NO 2 / N 2 O 4 and HNO 3 and possibly HBr, HCl and HF when halogenated anesthetic gases are added to the mixture administered to the patient
  • the zeolite capable of reversibly adsorbing at least nitrous oxide and optionally the halogenated gases will be easily chosen by those skilled in the art, in particular according to the desired desorption conditions.
  • the installation according to the invention operates either in real time or else deferred. For real-time operation, it is placed directly in the operating room and the treated gas is then the gas exhaled by the patient under anesthesia or it is disposed at the outlet of the inhaled gas recovery collector by the patients of the patient. hospital or even the evacuation pipe of all the gaseous effluents of the hospital, these gaseous effluents having been previously reconcentrated in N 2 O.
  • the installation comprises a zeolite able to adsorb reversibly at least nitrous oxide and optionally the halogen gas which is placed directly at the mask the portable delivery system of Kalinox ® mixture (mixture 50% O + 50% N 2 O) or in the operating room on the anesthetic gas circuit at the level of the recovery of the gas exhaled by the patient, or which is disposed at the outlet of the pipe for evacuation of the gases inhaled by the patients of the hospital, said gas having been previously reconcentrated into N 2 O.
  • the rest of the installation including in particular the N 2 O plasma destruction device, may be in any location possibly remote from the hospital or treatment center of the patient.
  • FIG. 2 represents an installation as it has been implemented in the examples
  • FIGS. 3 to 6 are Fourier transform infrared absorption spectra (FTIR) giving the optical density (proportional to the absorption coefficient) as a function of the wavenumber for gaseous mixtures treated with microwave plasma at atmospheric pressure, according to Examples 1 to 3 of the invention.
  • FTIR Fourier transform infrared absorption spectra
  • FIG. 2 diagrammatically represents an atmospheric pressure microwave plasma treatment plant which comprises a plasma reactor 1 of generally cylindrical shape containing a discharge tube 2 which transversely passes through a surface wave field applicator structure of the known type "surfaguide" 3.
  • the generation of microwaves is provided and regulated by a commercial magnetron generator and switching power supply, connected to a circulator with a suitable impedance load 4 and then transmitted via a waveguide 5 to surfaguide 3, in a manner known to those skilled in the art.
  • the reactor is cooled by circulation in a heat-transferable dielectric fluid sheath 6 of a cooling fluid flowing through a hydraulic pump 7 and cooled by a refrigeration unit 8.
  • the reactor is surmounted by a ventilated hood 9, and the gases leaving said reactor through a bed of soda lime 10 and are sampled at 11 for FTIR analysis before being optionally diluted with nitrogen before being released into the air.
  • the mixture entering the reactor simulating the gaseous effluents of a real anesthesia, is prepared by separately controlling the mass flow rate (RDM) of three gaseous flows consisting respectively of N 2 O, CO 2 and O 2 .
  • RDM mass flow rate
  • the installation described in Figure 2 with an installed microwave power of less than 1 kW, can handle a few liters per minute and is therefore suitable for the undiluted mixture exhaled by a single patient.
  • the incident microwave power is fixed at 800 W, with a very low reflected rate.
  • the internal diameter of the discharge tube is 12 mm.
  • the gases leaving the plasma are analyzed by Founer-transformed infrared spectrometers. The FTIR spectra are shown on FIG. figures ; and *
  • the gaseous mixture is as follows:
  • the NO 2 formed is then trapped definitively and irreversibly on soda lime.
  • Example 2 Using the same plant as in Example 1 and under the conditions of Example 1, a gas mixture very close to the exhaled gas is treated by a patient.
  • the composition of the gas is as follows: Total flow 3 standard liters per minute (slm). - CO 2 5%
  • a zeolite cartridge filled with gas exhaled by the patients of a dental office anesthetized by inhalation of Kalinox® is treated by the method according to the invention.
  • the cartridge does not trap oxygen, the molecules adsorbed on the zeolites represent about 90% by weight of N 2 O, 10% of CO 2 and traces of moisture.
  • the desorption is carried out by performing an air sweep at a flow rate of 60 standard liters per minute (slm).
  • the composition of the desorbed gas is then approximately 50% of N 2 O and 5% of CO 2 and traces of moisture. This mixture is then subjected to a microwave plasma at atmospheric pressure at a power of 4.5 kW.
  • the gas recovered at the outlet contains about 15 ppmv of N 2 O and is neutralized on a bed of soda lime.

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Abstract

L'invention porte sur un procédé de destruction du protoxyde d'azote contenu dans un gaz à traiter, dans lequel un gaz contenant le protoxyde d'azote est soumis à un traitement par passage dans un plasma à pression atmosphérique excité et entretenu uniquement par application de puissance micro-ondes absorbée au sein dudit plasma. Le protoxyde d'azote est converti en azote et en oxygène lors de ce traitement. Application dudit procédé à la destruction du protoxyde d'azote en milieu hospitalier.

Description

PROCEDE DE DESTRUCTION DE NZO PAR PLASMA MICRO-ONDES A PRESSION ATMOSPHERIQUE
L'invention porte sur un procédé de destruction du protoxyde d'azote par traitement par plasma micro-ondes à pression atmosphérique.
Le protoxyde d'azote (N2O) est un gaz très utilisé pour réaliser des anesthésies et des analgésies dans le domaine médical.
Le N2O gazeux est habituellement administré au patient par inhalation en mélange avec de l'oxygène. Ainsi, on connaît un mélange prêt à l'emploi, commercialisé sous la dénomination Kalinox® contenant 50% N2O et 50% O2 (% en volume). Ce mélange N2O/O2 est particulièrement destiné à des actes médicaux légers en hôpital ou en unités d'urgence mobiles, de type SAMU ou pompiers, ou à des utilisations en cabinet dentaire par exemple.
Le N2O n'est pas métabolisé par l'organisme mais est rejeté en grande partie dans les gaz d'expiration du patient. Si le N2O n'est pas considéré comme un gaz toxique, ce n'est toutefois pas un gaz neutre et l'exposition fréquente, voire continue, du personnel médical au N2O dans l'environnement immédiat des patients n'est pas souhaitable, notamment au-dessus d'un certain seuil de concentration.
En France, il n'existe pas de limite légale d'exposition fixée par le Ministère du Travail, cependant le Ministère de la Santé donne une recommandation de 25 parties par million en volume (ppmv) en moyenne pour une exposition continue de 8h/jour. En Allemagne, cette recommandation est de 100 ppmv.
En outre, le N2O est un gaz reconnu comme contribuant, lorsqu'il est présent dans l'atmosphère, au réchauffement global du climat terrestre par effet de serre. Il présente une assez grande stabilité chimique dans l'atmosphère (132 ans de demi- vie) et les concentrations émises dans l'environnement peuvent s'accumuler sur de longues périodes. De là, le rejet tel quel à l'atmosphère du N2O doit être évité.
Afin de limiter l'exposition prolongée des personnels soignants au N2O, les gaz expirés par les patients et riches en N2O peuvent être collectés puis soit envoyés directement vers une canalisation d'évacuation à l'atmosphère, soit purifiés avant envoi à l'atmosphère par d'abord adsorption sur une zéolite ou un autre adsorbant adéquat, du N2O contenu dans les gaz expirés par les patients, puis désorption du N2O une fois la zéolite proche de la saturation, en vue de sa récupération et/ou de sa destruction.
Cependant, dans le premier cas, on ne résout pas le problème des émissions atmosphériques et, dans le second cas, il est nécessaire d'utiliser un dispositif de purification dédié nécessitant des phases de régénération et dont l'architecture peut s'avérer complexe, donc qui n'est pas forcément adapté à un usage en milieu hospitalier.
Une décomposition catalytique du N2O en N2 et O2 est possible grâce à une technologie de brûleur à double étage adapté à cette application. Le fonctionnement, du point de vue des réactions chimiques de conversion est le suivant :
> première flamme : 3 N2O+ CH4 -> 2 H2O + CO + 3 N2
(N2O 10% en dessous de la stœchiométrie)
> deuxième flamme : CH4+ CO+ 2 O2 + N2 + 2 N2O -> 2 CO2+ 2 H2O+ 2 N2 Un tel brûleur fonctionne à l'air ambiant et émet peu d'oxydes d'azote, tels que
NO, NO2 et sa forme dimérique N2O4 , désignés sous la formule générique N0χ ; les N0χ ne doivent pas être confondus avec le N2O et sont en particulier plus toxiques que le N2O.
Toutefois, l'utilisation d'un brûleur présente la contrainte intrinsèque d'une alimentation en gaz combustibles à fort débit, ce qui n'est pas envisageable en milieu hospitalier, notamment pour des raisons évidentes de sécurité. Par ailleurs, ce système est fort consommateur d'énergie et le CO2 généré peut représenter une contribution négative aux émissions à effet de serre et non négligeable par rapport à celle qui aurait été celle du N2O s'il n'avait pas été détruit. En outre, si le gaz à traiter contient des gaz halogènes qui peuvent également être utilisés comme anesthésiant en salle opératoire, ces derniers empoisonnent le catalyseur rendant ainsi le système inexploitable.
L'application de décharges de type corona ou à barrière diélectrique à la destruction d'oxydes d'azote N0χ autres que le protoxyde d'azote, a été largement étudiée mais n'apporte pas une solution simple et directe, dans la mesure où le gaz après traitement dans le plasma contient encore une concentration importante de gaz indésirables qu'il faut ensuite post-traiter selon une méthode plus classique, en général catalytique. Cet inconvénient existe également dans le cas où l'on essaierait de détruire du protoxyde d'azote dans un plasma de décharge corona ou à barrière diélectrique. Dans ce cas, une fraction importante (plusieurs dizaines de pourcent) du N2O converti se retrouverait sous forme de N0χ, laissant à nouveau entier le problème du post- traitement de ces derniers. De toute manière, ces décharges ne sont pas adaptées à la destruction de polluants en concentration élevée (typiquement nettement plus de 0, 1 % en volume) comme c'est généralement le cas pour le N2O dans les mélanges exhalés par les patients et que l'on va traiter sur place en temps réel ou hors site en temps différé après récupération et stockage. Le rendement de conversion du gaz polluant incident serait alors très inférieur à l'unité. Ceci est dû au fait que ces décharges parfois dites « décharges atmosphériques froides » présentent des densités électroniques assez faibles. Le nombre de collisions électroniques inélastiques sur des molécules de gaz polluant, susceptibles de dissocier ces dernières, est alors insuffisant pour que la majorité d'entre elles soient converties. En outre, la structure de ces décharges est généralement inhomogène dans l'espace et discontinue dans le temps. Elles comportent un grand nombre de filaments intenses discrets (« streamers ») qui se créent et disparaissent aléatoirement. Dans l'espace libre entre les streamers, la densité électronique est beaucoup plus faible voire nulle ce qui réduit fortement la probabilité de dissociation des molécules de polluant et en même temps favorise leur reformation à partir de leurs fragments de dissociation. En outre, ces décharges ont aussi un caractère puisé, c'est-à-dire qu'entre deux pics d'intensité, il existe des périodes où il n'y a pas d'électrons actifs dans la décharge, donc pas de dissociation et une reformation plus probable des molécules de polluant à convertir, ce qui est à nouveau contraire à l'efficacité globale de traitement. Par ailleurs, le fait que l'on retrouve une fraction importante de N0χ dans les produits de conversion en sortie de la décharge tient au caractère très fortement hors d'équilibre thermodynamique de cette dernière. La chimie de conversion des polluants est initiée par les collisions électroniques inélastiques, excitatrices et dissociatives, qui donnent des espèces intermédiaires fragmentées qui ont intrinsèquement tendance à donner des NOχ comme produits de leurs réactions subséquentes dans la phase gazeuse. A ce jour, il n'existe donc pas de méthode à la fois efficace, fiable et sécuritaire, permettant de détruire le N2O contenu notamment dans les gaz expirés par des patients anesthésiés ou analgésies par inhalation de N2O. L'invention porte alors sur un procédé de destruction du protoxyde d'azote suivant lequel le gaz contenant le protoxyde d'azote est soumis à un traitement par plasma micro-ondes à pression atmosphérique.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé de d'élimination du protoxyde d'azote contenu dans un gaz à traiter, dans lequel : a) on soumet le gaz à traiter contenant du protoxyde d'azote à un traitement par passage dans un plasma à pression atmosphérique excité et entretenu uniquement par application de puissance micro-ondes absorbée au sein dudit plasma, b) on convertit au moins une partie du protoxyde d'azote en azote et en oxygène. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- on génère en outre des sous-produits de conversion, notamment NO2, N2O4 et HNO3, et en ce qu'il comporte en outre une étape de neutralisation alcaline de tout ou partie des produits de conversion. - la neutralisation alcaline est réalisée par un lit d'adsorbant réactif solide alcalin, de préférence un lit de chaux sodée.
- le procédé comporte une étape préalable de concentration en protoxyde d'azote du gaz à traiter.
- le gaz à traiter provient directement des gaz exhalés par un patient auquel du protoxyde d'azote a été administré par inhalation.
- le gaz à traiter provient de la canalisation de récupération et d'évacuation générale des gaz exhalés par les patients d'un bâtiment hospitalier.
- le gaz à traiter est adsorbé sur une zéolite puis désorbé, avant d'être soumis au traitement par plasma micro-ondes à pression atmosphérique. - le gaz à traiter contient également des gaz anesthésiants halogènes.
- le gaz à traiter contient entre 5 et 100% de N2O, de préférence entre 10 et 75% de N2O, de préférence encore entre 20 et 50% de N2O.
- le gaz à traiter contient en outre de l'oxygène, de préférence plus de 5% d'oxygène, de préférence encore plus de 10% d'oxygène. - à l'étape b), on récupère un gaz traité contenant moins de 2% de N2O, de préférence moins de 1% de N2O, de préférence encore moins de 0.5% de N2O. - à l'étape b), on récupère un gaz traité contenant moins de 5% d'un ou plusieurs composés choisis parmi NO2, N2O4 et HNO3, de préférence moins de 3% d'un ou plusieurs desdits composés.
- à l'étape a), le plasma micro-ondes mis en œuvre est hors d'équilibre thermodynamique et a en outre les caractéristiques suivantes :
. la densité électronique est comprise entre 1012 et 1015 cm"3, de préférence entre 1013 et 1014 cm"3, et
. la température moyenne du gaz dans le plasma est supérieure à 2000 K, de préférence supérieure à 2500 K, de préférence encore supérieure à 3000 K. - des moyens de refroidissement du gaz sont ménagés en aval du plasma, par exemple des échangeurs thermiques ou tout autre dispositif apte à assurer un refroidissement du gaz.
En effet, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que cette destruction était possible grâce à l'utilisation d'une décharge de plasma micro-ondes à pression atmosphérique et que la dissociation dans le plasma formait essentiellement N2 et O2.
Par « traitement par plasma micro-ondes à la pression atmosphérique » on entend un traitement consistant à faire passer le gaz contenant les molécules de polluant à travers une région volumique où un plasma est généré et entretenu en régime permanent, uniquement grâce à l'application d'un flux de puissance micro-ondes pénétrant dans le gaz au sein duquel il est absorbé. Les électrons libres du plasma gagnent de l'énergie sous l'effet conjugué de leur accélération dans le champ électromagnétique micro-ondes et des collisions aléatoires élastiques sur les molécules du gaz, comme expliqué par exemple dans l'ouvrage Micro wave Excited Plasmas, eds. M. Moisan and J. Pelletier, Elsevier, Amsterdam, 1992, chap. 2 pp. 13-27. Les électrons qui ont acquis par ces processus une énergie suffisante peuvent alors induire sur les molécules du gaz des collisions inélastiques dont l'effet peut être une excitation, une ionisation ou une dissociation. L'ionisation permet d'entretenir la population de particules chargées en compensant les pertes, et ainsi de maintenir un plasma stable. La dissociation et l'excitation aboutissent à la formation de fragments, atomes et radicaux, plus petits que les molécules chimiques initiales de polluants et très fortement réactifs entre eux pour donner des produits finaux différents des molécules initiales, que l'on escompte inoffensifs ou faciles à post-traiter par un moyen classique. La définition qui précède exclut le cas où, en raison de l'utilisation d'un dispositif de couplage de la puissance micro-ondes inapproprié, le plasma ne peut exister de manière stable que si un supplément de particules chargées et/ou d'énergie est fourni au plasma par une source d'une autre nature que la puissance micro-ondes. Il peut s'agir par exemple d'une excitation électromagnétique d'un autre type que microondes apportée dans la zone de plasma ou une zone contiguë, par exemple une décharge corona, à barrière diélectrique ou à arc glissant. Il peut s'agir également d'une source d'électrons par effet thermoélectronique sous la forme d'un matériau approprié disposé dans le plasma ou à la frontière de ce dernier, et chauffé par tout moyen connu incluant l'absorption de micro-ondes. Dans tous les cas où il existe d'autres contributions au bilan énergétique et au bilan de particules chargées du plasma que l'absorption de puissance micro-ondes, le plasma ne possédera pas les propriétés particulières caractéristiques qui lui confèrent son intérêt unique pour la présente application, comme on va le voir dans la suite. En second lieu, notre définition du traitement d'un gaz chargé en polluants par un plasma micro-ondes exclut les cas où ledit gaz ne subit pas l'action directe du plasma, c'est-à-dire qu'il ne traverse pas une zone où il serait excité et ionisé suite à l'absorption des micro-ondes, mais où ce gaz serait exposé seulement à l'action d'un milieu dit de « post-décharge » ou de « plasma différé ». Dans ce dernier cas, le plasma est entretenu dans un gaz auxiliaire différent du gaz à traiter. Ce dernier est mis en contact du gaz auxiliaire issu du plasma dans une zone volumique immédiatement contiguë audit plasma, où il n'existe plus que des espèces neutres électriquement (non-ionisées) mais qui peuvent en revanche être encore à l'état dissocié ou excité. Ce mode de traitement peut être le seul possible si, du fait d'une technologie insuffisamment performante pour le dispositif d'application de la puissance micro-ondes, la composition du gaz chargée en polluant est incompatible avec le maintien d'un plasma micro-ondes en son sein. Cependant, si l'effet d'une postdécharge sur les polluants du gaz n'est pas négligeable, il est beaucoup moins fort que celui d'un plasma direct. Le mode de traitement correspondant n'a guère d'intérêt pratique pour l'application présente où une efficacité de conversion élevée est une condition d'acceptabilité incontournable.
Parmi les différent types de décharges électriques dans les gaz, celles excitées par des micro-ondes à pression atmosphériques présentent de manière inhérente des densités électroniques très élevées (de l'ordre de 1012 à 1015 cm"3) et permettent donc le traitement efficace de concentrations élevées en protoxyde d'azote (de l'ordre de quelques % en volume) et à des débits totaux modérés mais non faibles (de l'ordre de quelques m3/h). Les plasmas atmosphériques micro-ondes présentent également une caractéristique tout-à-fait particulière qui résulte des processus physiques qui sont à l'origine de leur entretien, et qui va s'avérer d'une utilité cruciale pour l'application de dépollution visée ici.
En effet, du fait de la densité électronique élevée et aussi du mouvement d'oscillation à très haute fréquence des électrons, les collisions élastiques des électrons sur les molécules de gaz sont très nombreuses par unité de temps. Bien que la masse des électrons soit considérablement plus faible que celle des molécules, le nombre de collisions élastiques est si élevée que ces dernières finissent par avoir pour effet de transférer, au total, une quantité d'énergie cinétique non négligeable aux molécules du gaz. Il en résulte un « chauffage partiel » du gaz qui reste plus froid que les électrons mais peut se trouver à plusieurs milliers de kelvin. Cet effet a été étudié par exemple dans l'article de Y. Kabouzi et ai, Journal of Applied Physics 91(3), 1008 (2002). La température dépend de la composition majoritaire du gaz, allant typiquement de 2000 à 5000K, voire 7000K, au cœur du plasma. Ceci reste vrai même au voisinage de la puissance minimale de maintien du plasma. En d'autres termes, si l'on réduit progressivement la puissance micro -ondes fournie au plasma, il finit par s'éteindre mais le gaz est à cet instant toujours chaud.
L'existence d'une composante thermique partielle permet de décrire les réactions chimiques plus simplement que dans un plasma « froid » (où il faudrait modéliser un grand nombre d'interactions élémentaires entre particules, collisions, dissociations, excitations, puis réaction entre intermédiaires...).
En effet, le processus de conversion des polluants chimique peut se décomposer en trois phases principales.
Tout d'abord, le gaz entrant dans la zone de plasma subit un chauffage extrêmement rapide, en fait considérablement plus rapide que par n'importe quel moyen classique. On peut considérer que le gaz atteint quasi instantanément la température caractéristique du plasma micro-ondes atmosphérique. Cette température très élevée entraîne une cinétique très rapide des réactions chimiques et l'on peut alors considérer que le gaz tend vers l'équilibre thermodynamique correspondant à la température en question. En réalité, le milieu n'est pas totalement en équilibre thermique et contient des électrons rapides à une température supérieure d'environ un ordre de grandeur. Ceux-ci vont induire en outre des collisions dissociatives sur les molécules de polluant initiales qui vont avoir pour effet de rendre encore plus complète les réactions de conversion.
Juste à la sortie de la zone de plasma, les électrons se thermalisent, se recombinent et disparaissent très rapidement. On se retrouve alors avec un gaz décrit sensiblement par l'équilibre thermodynamique à la température considérée (que l'on peut estimer ou mesurer). On peut donc calculer par application des principes de la thermodynamique la composition chimique de ce gaz chaud en fonction de la composition initiale. Pour appliquer cette démarche au mélange qui va être traité dans un des essais décrits plus loin, on part de la composition suivante à l'ambiante : 50 moles N2, 69 moles O2, 5 moles CO2 et 1 mole H2O. A noter que l'on ne part pas des produits initiaux réels mais d'autres molécules plus simples qui conservent les quantités en éléments chimiques. Ceci est justifié par le fait que la composition à l'équilibre thermodynamique, à la température que l'on va atteindre, ne dépend pratiquement pas de l'état initial.
Sur la Figure 1, on a représenté les concentrations calculées à l'équilibre, en fonction de la température, des espèces présentes en quantité notable et/ou qui sont concernées dans l'interprétation du mécanisme de décomposition du N2O (les autres espèces sont recensées pour mémoire dans la légende mais leurs courbes de concentration ne figurent pas). On constate notamment les faits suivants :
- il n'y a pas plus de 10~3 moles de N2O à l'équilibre vers 3000 K contre 50 moles équivalentes initiales. - il n'y a pas plus de 1 mole de NO dans la plage 2500 à 5000 K. Le NO a d'ailleurs tendance à diminuer rapidement en-dessous de 2500 K.
- il y a toujours moins de 4 10"3 mole de NO2 à l'équilibre quelle que soit la température.
- l'oxygène et l'azote se trouvent sous forme moléculaire ou atomique en fonction de la température. En dessous de 3000 K l'azote atomique est fortement minoritaire. A 3000 K il y a 1 mole d'oxygène atomique environ.
Pour terminer le processus de conversion, on refroidit le gaz dans un échangeur thermique. Ce refroidissement étant en général assez rapide, l'effet correspond à une trempe partielle, donc une transformation essentiellement irréversible. L'état final lorsqu'on est revenu à l'ambiante ne peut pas alors être exactement connu. On peut cependant remarquer qu'à la température que l'on sait être celle du gaz juste avant son entrée dans l'échangeur, soit 2500 à 3000 K, il existe très peu d'oxygène atomique qui serait susceptible de réagir lors de la trempe avec l'azote atomique pour redonner N2O, NO ou NO2/N2O4, et ainsi aboutir à des valeurs finales de concentrations très supérieures à celles, faibles ou très faibles, correspondant à l'équilibre thermodynamique. Ainsi on s'attend à ce que, d'une part, le rendement de conversion du polluant N2O soit proche de l'unité et, d'autre part, que la génération de NO, NO2/N2O4 demeure modérée à faible. Les produits finaux de conversion sont donc très majoritairement N2 et O2. A l'ambiante le NO a par ailleurs tendance à régir pour donner du NO2, lequel est en fait en équilibre avec sa forme dimérique N2O4.
Ce procédé basé sur un plasma micro-ondes atmosphérique est donc particulièrement adapté pour le traitement de N2O d'origine médicale afin de supprimer l'exposition du personnel ainsi que le rejet ultime à l'atmosphère. C'est un procédé sécuritaire qui fonctionne à partir d'une source d'énergie électrique qui est à tout moment sous contrôle, qui est beaucoup plus compact et consomme jusqu'à 5 fois moins d'énergie qu'un brûleur tout en ne présentant aucune partie extérieure à haute température, et qui ne nécessite pratiquement aucun entretien. Ce traitement permet de décomposer le protoxyde d'azote principalement en N2 et O2 qui peuvent être simplement rejetés à l'atmosphère, sans risque de pollution ou de détérioration de la couche d'ozone, puisque ces deux composés constituent à eux seuls, près de 98% en volume de l'atmosphère terrestre.
Les sous produits qui peuvent également, comme on vient de le voir, se former en quantités minimes, telles que des oxydes d'azote NO2/N2O4 et de l'acide nitrique HNO3 (en présence d'humidité) sont toxiques et/ou corrosifs mais, d'une part, ils sont générés en faible quantité et, d'autre part, ils sont alors facilement piégés de façon irréversible et définitive par un système de neutralisation alcaline sur lit d'adsorbant réactif solide ou en solution aqueuse dans un laveur de gaz. Il n'en serait pas de même si les quantités de sous-produits toxiques étaient notables auquel cas la cartouche solide de neutralisation alcaline ou le laveur seraient rapidement saturés. A titre d'exemples de lit d'adsorbant réactif solide alcalin, on peut citer un lit de granulés de chaux sodée. Ainsi, le procédé selon l'invention peut comporter en outre une étape de neutralisation alcaline des produits de conversion résultant du traitement par plasma micro-ondes à pression atmosphérique, notamment à l'aide d'un lit de chaux sodée.
Le procédé est tout particulièrement adapté à la destruction de protoxyde d'azote contenu dans un gaz à des concentrations assez élevées, de l'ordre de quelques % ou davantage en volume de protoxyde d'azote par rapport au volume total de gaz, voire de protoxyde d'azote pur.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé conforme à l'invention comporte une étape préalable de concentration du protoxyde d'azote dans le gaz à traiter. En effet, d'une manière générale, l'efficacité du système de dépollution par plasma diminue avec le niveau de dilution, d'où l'intérêt de procéder à une reconcentration. Celle-ci s'effectue préférablement au moyen d'un système à perméation sélective sur membranes, connu de l'homme de l'art et commercialisé notamment par la Demanderesse. Selon un mode de réalisation particulier, dans le procédé conforme à l'invention, le gaz à traiter provient directement du gaz exhalé par un patient auquel du protoxyde d'azote a été administré. Le protoxyde d'azote peut avoir été administré seul ou sous la forme d'un mélange déjà préparé avec de l'oxygène, tel un mélange équimolaire ou équivolumique (50%/50%) de N2O et d'O2. Ce procédé est particulièrement adapté au cas où le patient a également reçu en tant que gaz anesthésiant un (ou plusieurs) gaz halogène.
En effet, le plasma présente l'avantage de pouvoir également traiter les gaz anesthésiques halogènes qui peuvent être dans certains cas mélangés au N2O. Dans ce cas la chimie de conversion est voisine de celle connue dans le cas des gaz halogènes issus des procédés de fabrication des semi-conducteurs (gravure par plasma des motifs de microcircuits et nettoyage par plasma des réacteurs de dépôt de couches minces), et qui sont couramment détruits par la même technique. Les produits de la conversion des gaz anesthésiants halogènes dans le plasma vont être des gaz halogènes corrosifs comme HBr, HCl et HF qui sont transitoirement dangereux mais qui s'éliminent de manière immédiate et irréversible sur le système de neutralisation alcaline.
Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé conforme à l'invention est mis en œuvre sur le gaz provenant de la récupération de tous les gaz exhalés par les patients dans les salles d'opération d'un même site hospitalier. De façon avantageuse, le procédé selon l'invention peut comporter une étape préalable dans laquelle le gaz à traiter est adsorbé sur une zéolite après captation au niveau du masque par lequel il est administré au patient, puis transporté sur un site distant de traitement, où il est ensuite désorbé avant d'être soumis au plasma micro- ondes à pression atmosphérique.
Une installation permettant la mise en œuvre du procédé tel que décrit précédemment comprend :
- un dispositif générateur de plasma micro-ondes atmosphérique,
- éventuellement en amont dudit dispositif une zéolithe apte à adsorber réversiblement au moins le protoxyde d'azote et éventuellement les gaz halogènes, et/ou un dispositif de concentration en protoxyde d'azote,
- éventuellement à la sortie dudit dispositif un dispositif de neutralisation alcaline.
L'installation de l'invention peut fonctionner en différé et comporter de la zéolite apte à adsorber réversiblement le gaz à traiter.
Dans l'installation conforme à l'invention, le dispositif générateur de plasma comprend notamment un réacteur plasma micro-ondes à pression atmosphérique muni des moyens d'application de la puissance électromagnétique qui sont choisis notamment dans le groupe comprenant cavité résonnante, système intra-guide d'ondes, onde de surface ou torche, comme décrit par exemple dans Microwave Excited Plasmas, eds. M. Moisan and J. Pelletier, Elsevier, Amsterdam, 1992, chap. 4-5. On utilisera préférablement un dispositif à onde de surface avec un applicateur de champ surfaguide, muni des perfectionnements appropriés par exemple tels que ceux décrits dans EP-A- 874537. Ce dispositif permet de coupler à un plasma d'azote une puissance micro-ondes continue à 2,45 GHz de l'ordre de 6 kW, permettant de traiter des quantités importantes d'effiuents gazeux par unité de temps. Le tube à décharge du réacteur plasma comporte une double paroi avec circulation en continu d'un fluide de refroidissement diélectrique. Pour traiter du protoxyde d'azote, la silice est suffisante comme matériau pour la paroi interne du tube. Toutefois lorsque le gaz à traiter contient également des gaz halogènes, et notamment des gaz fluorés, il convient d'utiliser des céramiques, notamment à base de nitrure d'aluminium. Des moyens de refroidissement sont a priori prévus pour le gaz sortant du tube à décharge, le plasma étant hors d'équilibre thermique mais ne pouvant être considéré comme « froid », comme on l'a souligné précédemment. Le système peut fonctionner en flux de gaz montant ou descendant. Le fonctionnement en flux montant est tout à fait envisageable, car la chimie de conversion considérée ici ne s'accompagne pas de la génération massive de condensats dont le retour par gravité dans le tube pourrait poser un problème. Le système de neutralisation alcaline peut être un lit d'adsorbant réactif solide alcalin ou un bain liquide de solution aqueuse alcaline. De façon avantageuse, il s'agit d'un lit de solide alcalin composé de granulés de chaux sodée, couramment disponibles dans le commerce, qui permet de piéger très facilement, de manière définitive et irréversible les nouveaux composés, formés par la chimie de conversion du plasma, minoritaires mais nuisibles et non rejetables directement dans l'environnement, à savoir NO2/N2O4 et HNO3 et éventuellement HBr, HCl et HF lorsque des gaz anesthésiants halogènes sont adjoints au mélange administré au patient
En raison des faibles quantités absolues mises enjeu, il suffira d'un faible volume de chaux sodée (quelques litres) dont la durée de vie sera conséquente, c'est-à- dire d'au moins un mois environ. On peut obtenir des performances encore meilleures avec des systèmes du commerce destinés à l'industrie des semi-conducteurs, qui utilisent des adsorbants réactifs solides de formulation plus complexe.
La zéolite apte à adsorber réversiblement au moins le protoxyde d'azote et éventuellement les gaz halogènes sera aisément choisie par l'homme du métier, notamment en fonction des conditions souhaitées de désorption.
L'installation conforme à l'invention fonctionne ou bien en temps réel ou bien en différé. Pour un fonctionnement en temps réel, elle est disposée directement dans le bloc opératoire et le gaz traité est alors le gaz expiré par le patient sous anesthésie ou bien elle est disposée à la sortie du collecteur de récupération des gaz inhalés par les patients de l'hôpital, voire de la canalisation d'évacuation de tous les effluents gazeux de l'hôpital, ces effluents gazeux ayant pu préalablement être reconcentrés en N2O. Pour un fonctionnement en différé, l'installation comporte une zéolite apte à adsorber réversiblement au moins le protoxyde d'azote et éventuellement les gaz halogènes qui est placée directement au niveau du masque du système d'administration portatif du mélange Kalinox® (mélange 50% O* + 50% N2O), ou encore dans le bloc opératoire sur le circuit de gaz anesthésique au niveau de la reprise du gaz exhalé par le patient, ou bien qui est disposée à la sortie de la canalisation d'évacuation des gaz inhalés par les patients de l'hôpital, ledit gaz ayant pu préalablement être reconcentré en N2O. Le reste de l'installation comprenant en particulier le dispositif plasma de destruction du N2O, peut se trouver dans un lieu quelconque éventuellement éloigné de l'hôpital ou centre de traitement du patient.
L'invention va être décrite à l'aide des dessins et des exemples suivants qui sont donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif. Sur ces dessins,
- la figure 2 représente une installation telle qu'elle a été mise en œuvre dans les exemples ;
- les figures 3 à 6 sont des spectres d'absorption infrarouge acquis par transformation de Fourier (FTIR) donnant la densité optique (proportionnelle au coefficient d'absorption) en fonction du nombre d'onde pour des mélanges gazeux traités par plasma micro-ondes à pression atmosphérique, selon les exemples 1 à 3 de l'invention.
La figure 2 représente de façon schématique une installation de traitement par plasma micro-ondes à pression atmosphérique qui comporte un réacteur plasma 1 de forme générale cylindrique renfermant un tube de décharge 2 qui traverse transversalement une structure d'applicateur de champ à onde de surface du type connu « surfaguide » 3. La génération de microondes est assurée et régulée par un générateur du commerce à magnétron et alimentation électrique à découpage, relié à un circulateur avec une charge d'impédance adaptée 4 puis transmise via un guide d'ondes 5 vers le surfaguide 3, de manière connue de l'homme de l'art. Le réacteur est refroidi par la circulation dans une gaine de fluide diélectrique caloporteur 6 d'un fluide de refroidissement circulant grâce à une pompe hydraulique 7 et refroidi par un groupe frigorifique 8. Le réacteur est surmonté d'une hotte ventilée 9, et les gaz sortant dudit réacteur traversent un lit de chaux sodée 10 et sont échantillonnés en 11 en vue d'une analyse par FTIR avant d'être optionnellement dilués avec de l'azote avant d'être libérés dans l'air. Le mélange entrant dans le réacteur, simulant les effluents gazeux d'une véritable anesthésie, est préparé par régulation séparée du débit massique (RDM) de trois flux gazeux constitués respectivement de N2O, CO2 et O2. L'installation décrite sur la figure 2, comportant une puissance micro-ondes installée inférieure au kW, peut traiter quelques litres par minute et est de ce fait adaptée au mélange non dilué exhalé par un seul patient. Il est bien entendu évident que si l'on envisage de détruire le protoxyde d'azote en quantités plus importantes, par exemple en groupant les effluents gazeux de plusieurs blocs opératoires, ou en désorbant en temps différé un flux préalablement adsorbé sur zéolithe résultant d'une récupération sur un ou plusieurs grands sites hospitaliers, des équipements plus importants sont a envisager En particulier, il est possible d'utiliser un équipement développé commercialement par la Demanderesse qui est commercialisé sous l'appellation « UPAS » (puissance microondes 6 kW) utilisant une source de plasma a onde de surface selon EP-A-874537 mentionné précédemment ou une torche plasma telle que la torche à injection axiale supportée par guide d'ondes (« TIAGO ») décrit dans les documents WO-A-02035575 et FR-A-2886866 au nom de la Demanderesse, classiquement disponible avec une puissance de 10 ou 20 kW
EXEMPLE 1 ;
Dans une installation de laboratoire telle que représentée sur la Figure \ on introduit dans l'installation le mélange gazeux suivant - Débit total 1,5 litre standard par minute (slm)
- N2O 30%
- O2 QS
La puissance micro-ondes incidente est fixée a 800 W, avec un très faible taux réfléchi Le diamètre interne du tube à décharge est de 12 mm Les gaz sortant du plasma sont analysés par spectrométπe infrarouge à transformation de Founer Les spectres FTIR sont représentés sur les figures ; et *
II résulte de l'observation de ces spectres qu'il n'est émis aucun autre composé que N2O (résidu non converti), NO2/N2O4 et HNO3, en plus des molécules O2 et N2 qui sont nécessairement présentes pour satisfaire au bilan chimique élémentaire, mais n'absorbent pas dans l'infrarouge
La quantification à l'aide de mélanges étalons montre que la concentration résiduelle de protoxyde d'azote n'est que de 281 parties par million en volume (ppmv), tandis que l'on a génère environ 2,4 % de NO2 Les traces de HNO3 résultent probablement de la dégradation de NO2 en présence de l'humidité résiduelle dans le montage Ces résultats sont en bon accord avec les développements théoriques donnés précédemment
Les gaz NO2ZN2O4 et FINO3 nuisibles sont ensuite piégés de façon définitive et irréversible sur de la chaux sodée EXEMPLE 2 :
Dans la même installation que celle utilisée dans l'exemple 1, et dans les mêmes conditions d'utilisation, on introduit un mélange gazeux dont la teneur en N2O a été augmentée.
Le mélange gazeux est le suivant :
Débit total 1 ,5 litre standard par minute (slm)
- N2O 50% - O2 QS Le spectre FTIR du gaz après traitement (figure 5) montre une concentration résiduelle de 1681 ppmv N2O tandis que l'on génère environ 3% de NO2.
Le NO2 formé est alors piégé de façon définitive et irréversible sur de la chaux sodée.
EXEMPLE 3 :
En utilisant la même installation que dans l'exemple 1 et dans les conditions de l'exemple 1, on traite un mélange gazeux très proche du gaz expiré par un patient. La composition du gaz est la suivante : Débit total 3 litres standard par minute (slm). - CO2 5 %
- H2O vapeur 1 %
- N2O 50 % - O2 QS
Le spectre FTIR du gaz après traitement est donné en figure 0. On voit qu'il reste 978 ppm N2O et 1,6 % CO2, tandis que 2,33 % NO2 et 440 ppmv HNO3 ont été générés.
NO2 et HNO3 formés sont alors piégés de façon définitive et irréversible sur de la chaux sodée.
Il est clair qu'une augmentation modérée de la puissance micro-ondes (jusqu'à environ 1000 W) permettrait d'abaisser facilement la concentration résiduelle de protoxyde d'azote en dessous de la valeur limite légale de 25 ppmv. EXEMPLE 4 :
Une cartouche de zéolites remplie de gaz exhalés par les patients d'un cabinet dentaire anesthésiés par inhalation de Kalinox® est traitée par le procédé conforme à l'invention. La cartouche ne piégeant pas l'oxygène, les molécules adsorbées sur les zéolites représentent environ 90% en masse de N2O, 10% de CO2 et des traces d'humidité.
La désorption est réalisée en effectuant un balayage à l'air à un débit de 60 litres standards par minute (slm).. La composition du gaz désorbé est alors d'environ 50% de N2O et 5% de CO2 et des traces d'humidité. Ce mélange est alors soumis à un plasma micro-ondes à pression atmosphérique à une puissance de 4,5 kW.
Le gaz récupéré en sortie contient environ 15 ppmv de N2O et est neutralisé sur un lit de chaux sodée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'élimination du protoxyde d'azote contenu dans un gaz à traiter, dans lequel : a) on soumet le gaz à traiter contenant du protoxyde d'azote à un traitement par passage dans un plasma à pression atmosphérique excité et entretenu uniquement par application de puissance micro-ondes absorbée au sein dudit plasma, b) on convertit au moins une partie du protoxyde d'azote en azote et en oxygène.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on génère en outre des sous-produits de conversion, notamment NO2, N2O4 et HNO3, et en ce qu'il comporte en outre une étape de neutralisation alcaline de tout ou partie des produits de conversion.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la neutralisation alcaline est réalisée par un lit d'adsorbant réactif solide alcalin, de préférence un lit de chaux sodée.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape préalable de concentration en protoxyde d'azote du gaz à traiter.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz à traiter provient directement des gaz exhalés par un patient auquel du protoxyde d'azote a été administré par inhalation.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz à traiter provient de la canalisation de récupération et d'évacuation générale des gaz exhalés par les patients d'un bâtiment hospitalier.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le gaz à traiter est adsorbé sur une zéolite puis désorbé, avant d'être soumis au traitement par plasma micro-ondes à pression atmosphérique.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le gaz à traiter contient également des gaz anesthésiants halogènes.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le gaz à traiter contient entre 5 et 100% de N2O, de préférence entre 10 et 75% de N2O, de préférence encore entre 20 et 50% de N2O.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le gaz à traiter contient en outre de l'oxygène, de préférence plus de 5% d'oxygène, de préférence encore plus de 10% d'oxygène.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'à l'étape b), on récupère un gaz traité contenant moins de 2% de N2O, de préférence moins de 1% de N2O, de préférence encore moins de 0.5% de N2O.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'à l'étape b), on récupère un gaz traité contenant moins de 5% d'un ou plusieurs composés choisis parmi NO2, N2O4 et HNO3, de préférence moins de 3% d'un ou plusieurs desdits composés.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'à l'étape a), le plasma micro-ondes mis en œuvre est hors d'équilibre thermodynamique et à en outre les caractéristiques suivantes :
- la densité électronique est comprise entre 1012 et 1015 cm"3, de préférence entre 1013 et 1014 cm"3, et
- la température moyenne du gaz dans le plasma est supérieure à 2000 K, de préférence supérieure à 2500 K, de préférence encore supérieure à 3000 K.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que des moyens de refroidissement du gaz sont ménagés en aval du plasma.
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