WO2021234291A2 - Dispositif pour le traitement d'air comprenant au moins un composé organique volatil - Google Patents

Dispositif pour le traitement d'air comprenant au moins un composé organique volatil Download PDF

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Fabien GERARDIN
Eric Favre
Anaelle Cloteaux
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Institut National De Recherche Et De Sécurité Pour La Prévention Des Accidents Du Travail Et Des Maladies Professionnelles (Inrs)
Universite De Lorraine
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
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Definitions

  • TITLE Device for the treatment of air comprising at least one volatile organic compound
  • the present invention relates to a device for the treatment of air comprising at least one volatile organic compound.
  • a subject of the present invention is also an air treatment process comprising at least one volatile organic compound.
  • Volatile organic compounds include a multitude of substances, which can be of natural or anthropogenic origin. The best known are n-hexane, toluene, ethanol, acetone or even benzene. VOCs are used in many processes, primarily as a solvent, degreaser, solvent, cleaning agent, disperser, preservative, synthetic agent, etc. If these compounds are found in industrial gaseous effluents with relatively high concentrations, from a few tens of ppmv to several tens of thousands of ppmv, buildings accommodating activities in the tertiary sector or even housing are also concerned.
  • VOCs carbon dioxide
  • CO 2 carbon dioxide
  • relative humidity in these rooms The negative impact of VOCs on the environment is no longer to be demonstrated and most VOCs have proven toxicity for humans.
  • the most harmful VOCs, such as benzene, are classified as CMR (carcinogenic, mutagenic and reprotoxic). They are subject to reinforced regulations, in particular in the context of occupational exposure.
  • VOC effluents are based on the implementation of destructive (thermal, catalytic) or recuperative (gas / liquid absorption, gas / solid adsorption, condensation, membrane separation) processes.
  • thermal, catalytic thermal, catalytic
  • recuperative gas / liquid absorption, gas / solid adsorption, condensation, membrane separation
  • G adsorption Although effective in trapping many pollutants, G adsorption nevertheless has significant drawbacks. This is in fact a discontinuous process in which the adsorbent material gradually becomes saturated, generating waste or requiring regeneration often consuming energy, as described in "Adsorption in air treatment", P. Le Cloirec, Engineering techniques, Environment [G 1 770], 2003. Furthermore, the adsorption efficiency can be greatly reduced in the presence of a high concentration of water vapor.
  • Gas permeation technologies provide an effective response to selectively separate relatively concentrated gases and vapors.
  • VOCs very weakly concentrated VOCs (10 to 100 ppm) using hollow fiber membrane modules whose active layer is made of polydimethylsiloxane (PDMS), as described in particular in “Removal of VOCs from waste gas stream by permeation in a hollow fiber permeator”, Cha JS et al, J. Membr. Sci., 1997, 128, 195-211.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the semiconductor (photocatalyst) used in most applications is titanium dioxide (TiCh).
  • the spectral range concerned by the photocatalytic properties is mainly the near UV (from wavelength l ⁇ 384 nm) and to a lesser extent a small part of the visible range (wavelength ranging from 380 to 400 nm).
  • Photocatalysis has the advantage of operating at ambient temperature and at atmospheric pressure.
  • photocatalysis has a major drawback related to the need for a long contact time between the substance to be decomposed and the photocatalyst.
  • the photocatalytic oxidation of VOCs can lead in many situations to the formation of unwanted and potentially toxic by-products.
  • Another technique aimed at decomposing substances is the use of a membrane reactor, in which a gas separation process using membranes, porous or dense, is coupled with a photocatalytic process within a single reactor.
  • the catalyst is generally placed on the retentate side. This means that the substance to be decomposed first reacts with the catalyst, then the substances that have been transformed after contact with the catalyst are separated using membranes.
  • the subject of the invention is therefore a device for the treatment of air comprising at least one volatile organic compound comprising:
  • a reactor comprising a first space and a second space separated from each other by a membrane arranged on a support, the first space having a first pressure PI, the second space having a second pressure P2, the first pressure PI being strictly greater than the second pressure P2;
  • At least one catalytic medium comprising at least one catalyst, being located in the second space or in a compartment connected to the second space;
  • the membrane is chosen from a membrane of polydimethylsiloxane, of poly (ethylene oxide), of polyether block amide, of polyvinylpyrolidone, of polyvinyl alcohol, of polyacrylamide, of cellulose acetate, of polypropylene, of ethylcellulose, of polyimide. , polysulfone, polyvinylidene difluoride, polyurethane and zeolite membranes, more preferably chosen from a polydimethylsiloxane membrane and a poly (ethylene oxide) membrane.
  • the membrane has a surface area ranging from 1 cm 2 to 500 m 2 , preferably from 1 cm 2 to 25 m 2 , more preferably from 1 cm 2 to 5 m 2 , even more preferably from 1 to 200 cm 2 , better still from 30 to 200 cm 2 .
  • the membrane has a thickness less than or equal to 100 mih, preferably from 100 nm to 50 mih.
  • the support is a porous support, preferably chosen from a metal grid and a sintered stainless steel.
  • the first pressure PI ranges from 1.1 to 6 bars, preferably from 1.1 to 3 bars.
  • the second pressure P2 is less than or equal to 1 bar, preferably greater than or equal to 0.05 bar and less than or equal to 1 bar, more preferably greater than or equal to 0.1 bar and less than or equal to 1 bar.
  • the difference between the first pressure PI and the second pressure P2 ranges from 0.1 bar to 7 bars, preferably from 0.1 to 6.9 bars, more preferably from 0.1 to 5, 95 bars, better from 0.1 to 5.9 bars, even more preferably from 0.1 to 4 bars, better from 0.1 to 2.95 bars, even better from 0.1 to 2.9 bars, better still from 0.1 to 1.5 bar.
  • the pressure difference between the first space and the second space can be considered small.
  • the volatile organic compound to be decomposed diffuses little through the membrane.
  • the volatile organic compound is converted into other substances, in particular water or carbon dioxide, after exposure to radiation using the lighting means, side of the second space.
  • the device according to the invention makes it possible to very significantly limit the presence of by-products which may result from the catalytic decomposition of VOCs, for example resulting from the catalytic decomposition of toluene.
  • the device according to the invention further comprises a means for admitting at least one scavenging gas opening into the second space of the reactor.
  • Said sweep gas may be air.
  • the catalyst is chosen from TiCh, optionally doped with platinum, ZnO, Z1 ⁇ 2 doped with chromium, Pd, Pt / AUCL, R ⁇ , N ⁇ / g-ARO, CuO / MnCh, Pd / activated-C, Cu1. 5Mn1.5O4, MnO2, Ci »Ch, M CL / y-AUCL, Cuo.13Ceo.87Oy, and their mixtures, preferably selected from T1O2, optionally doped with platinum, ZnO and their mixtures.
  • the catalytic medium can be a photocatalytic medium.
  • the lighting means is chosen from at least one light emitting diode and one solar source, preferably at least one light emitting diode.
  • the radiation emitted by the illumination means may be ultraviolet radiation, in particular the wavelength of which is less than 388 nm.
  • said lighting means when the catalyst is chosen from ⁇ O2, optionally doped with platinum, ZnO and their mixtures, said lighting means emits ultraviolet radiation, in particular ultraviolet radiation, the wavelength of which is less than 388 nm. According to a very particular embodiment, when the catalyst is ⁇ O2, then the lighting means emits ultraviolet radiation, the wavelength of which is less than 388 nm.
  • a first configuration consists of a so-called “perfectly mixed” flow both in the first space and in the second space.
  • a second configuration consists of a so-called “crossed piston” flow.
  • a third configuration consists of a so-called “cocurrent” flow.
  • a fourth configuration consists of a so-called “counter-current” flow.
  • the invention also relates to an air treatment process comprising at least one volatile organic compound comprising the following steps:
  • - Supplying air comprising at least one volatile organic compound, a first space of a reactor using an inlet means, said reactor further comprising a second space, separated from the first space by at least one membrane arranged on a support, said first space having a first pressure PI, said second space having a second pressure P2, the first pressure PI being strictly greater than the second pressure P2, such that part of the air comprising at least one volatile organic compound diffuses through the membrane and the support until it reaches a catalytic medium comprising at least one catalyst, being located in the second space or in a compartment connected to the second space, the other part being retained in the first space of the reactor;
  • said volatile organic compound is chosen from n-hexane, toluene, ethanol, acetone, benzene, formaldehyde and their mixtures, preferably n-hexane.
  • the concentration of volatile organic compound in air ranges from 5 ppb to 5000 ppm, preferably from 100 ppb to 5000 ppm, more preferably from 250 ppb to 500 ppm, even more preferably from 1 ppm to 500 ppm relative to the total air concentration.
  • said radiation is ultraviolet radiation, in particular ultraviolet radiation, the wavelength of which is less than 388 nm.
  • the characteristics related to the device according to the invention are also valid for the device implemented in the context of the air treatment process according to the invention.
  • FIG 1 is a schematic view of one embodiment of a device according to the invention.
  • FIG 2 is a schematic view of another embodiment of a device according to the invention.
  • FIG 3 is a schematic view of another embodiment of a device according to the invention.
  • FIG 4 is a schematic view of another embodiment of a device according to the invention.
  • FIG 5 is a graph representing the change in the concentration of n-hexane as a function of the power of the radiation during the implementation of a device according to the invention
  • FIG 6 is a graph representing the evolution of the rate of elimination of n-hexane as a function of the power of the radiation during the implementation of comparative devices and of a device according to the invention
  • FIG 7 is a graph showing the change in the relative concentration of benzene as a function of the mass of toluene removed during the implementation of a comparative device and a device according to the invention
  • FIG 8 is a graph showing the change in the relative concentration of benzene as a function of the mass of toluene removed during the implementation of a comparative device and a device according to the invention
  • FIG 9 is a graph showing the change in the relative concentration of benzene as a function of the mass of toluene removed during the implementation of a comparative device and a device according to the invention.
  • the device according to the invention for the treatment of air comprising at least one volatile organic compound makes it possible to effectively decompose the volatile organic compound (s) present in the air. It can also very significantly limit the presence of by-products which may result from the catalytic decomposition of VOCs, for example resulting from the catalytic decomposition of toluene
  • FIGS. 5 to 9 illustrate the results obtained during the implementation of a device according to the invention and of comparative devices.
  • the device 1 for the treatment of air comprising at least one volatile organic compound comprises a reactor 2 comprising a first space 3 and a second space 4 separated from each other by a membrane 5 placed on a support. 6.
  • the volatile organic compound is chosen from n-hexane, toluene, ethanol, acetone, benzene, formaldehyde and their mixture. More preferably, the volatile organic compound is n-hexane.
  • the membrane may be of a material exhibiting high selectivities for many volatile organic compounds, in particular n-hexane, toluene, ethanol, acetone or even benzene, relative to dinitrogen and dioxygen.
  • the membrane 5 is made of polydimethylsiloxane.
  • the membrane 5 can also be made of poly (ethylene oxide).
  • the polydimethylsiloxane or poly (ethylene oxide) membrane has, in a known manner, high selectivities for many volatile organic compounds, in particular n-hexane, relative to dinitrogen and oxygen.
  • the support 6 is a porous support, for example a metal grid.
  • the support can also be a sintered stainless steel.
  • the first space 3 has a first pressure PI
  • the second space 4 has a second pressure P2, the first pressure PI being strictly greater than the second pressure P2.
  • the device 1 also comprises a means 7 for admitting said air comprising at least one volatile organic compound opening into the first space 3 of the reactor 2.
  • the device 1 also comprises a catalytic medium 8 comprising at least one catalyst 9.
  • the catalytic medium 8 is a photocatalytic medium 8.
  • the photocatalytic medium 8 is located in the second space 4, as seen in FIG. 1.
  • the photocatalytic medium 8 is located in a compartment 10 connected to the second space 4 by incoming and outgoing flows, as can be seen in FIG. 2 or in FIG. 4.
  • Catalyst 9 can be titanium dioxide.
  • the catalyst 9 is deposited on quartz fibers.
  • the assembly formed by the catalyst 9 and the quartz fibers constitutes a catalytic medium 8.
  • the device 1 also comprises at least one lighting means 11 of said catalytic medium 8.
  • the lighting means 11 can be at least one light emitting diode or a solar source.
  • the lighting means can be constituted by three light emitting diodes, as seen in figure 1 or 2 or 3 or 4.
  • the illumination means emits ultraviolet radiation, in particular ultraviolet radiation, the wavelength of which is less than 388 nm. More preferably, the three light-emitting diodes emit ultraviolet radiation, the wavelength of which is less than 388 nm.
  • the lighting means 11 is separated from the catalytic medium 8 by a borosilicate glass disc (not shown in Figures 1 or 2 or 3 or 4).
  • the device 1 further comprises a means 12 for exhausting the treated air from the second space 4 to the outside of the device 1.
  • the device 1 also comprises a means 13 for exhausting the part of the air, which has been retained in the first space 3, from the first space 3 to the outside of the device 1.
  • the device 1 can also comprise a means 14 for admitting a purging gas opening into the second space 4 of the reactor 2, as can be seen in FIG. 3 or in FIG. 4.
  • the purging gas can be air.
  • the first space 3 of the reactor 2 is supplied with air comprising at least one volatile organic compound using the inlet means 7.
  • the first pressure PI prevailing in the first space 3 being strictly greater than the second pressure P2 prevailing in the second space 4, the air comprising at least one volatile organic compound diffuses in the direction of the second space 4.
  • part of the air comprising at least one VOC diffuses through the polydimethylsiloxane membrane 5 and the metal grid 6, due to the high selectivity exhibited by the polydimethylsiloxane membrane 5 for many VOCs, like n-hexane, relative to dinitrogen and dioxygen.
  • said part of the air diffuses through the membrane 5 until it reaches the catalytic medium 8, in particular the photocatalytic medium 8, comprising at least one catalyst 9, the other part of the air. being retained in the first space 3 of the reactor 2.
  • the radiation is ultraviolet radiation, preferably radiation. ultraviolet whose wavelength is less than 388 nm.
  • the volatile organic compound is transformed into other substances, such as water or carbon dioxide.
  • the volatile organic compound has been decomposed.
  • the part of the air that has been exposed to said radiation is recovered with the aid of the exhaust means 12 of the treated air from the second space 4 to the outside of the device 1.
  • the part of the air that has been retained in the first space 3 is recovered with the aid of the exhaust means 13 from the first space 3 to the outside of the device 1.
  • the device used in Examples 1 to 3 which follow is the device as shown in Figure 1.
  • the device according to the invention used in Example 4 is the device as shown in Figure 3.
  • the retentate and permeate volumes are respectively 65 mL and 145 mL.
  • the membrane used is made of polydimethylsiloxane and has a diameter of
  • the catalytic medium is a photocatalytic medium.
  • This medium is a medium of quartz fibers (having a diameter of 9 ⁇ m) on which titanium dioxide (T1O2 anatase P25) has been deposited.
  • the titanium dioxide also has a specific surface area of 120 m 2 / g.
  • the lighting means consists of three light-emitting diodes.
  • the power of the radiation is expressed in W / m 2 .
  • the volatile organic compound used is n-hexane, at a concentration of 10 ppm in air.
  • the polydimethylsiloxane membrane has a thickness of 50 ⁇ m and a surface area of 38.5 cm 2 .
  • the reactor is fed with a flow rate of 50 ml / min.
  • the rate of elimination of n-hexane was studied by varying the pressure in the first space (retentate side) and the pressure in the second space (permeate side). Thus, different pressure couples were studied.
  • the intensification factor is all the more important as the pressure difference between that prevailing in the first space (retentate side) and that prevailing in the second space (permeate side) is low.
  • the volatile organic compound used is n-hexane, at a concentration of 10 ppm in air.
  • the polydimethylsiloxane membrane has a thickness of 50 ⁇ m and a surface area of 200 cm 2 .
  • the reactor is fed with a flow rate of 200 ml / min.
  • the pressure prevailing in the first space is 1.1 bar and the pressure prevailing in the second space (permeate side) is 0.98 bar.
  • the change in the concentration of n-hexane was evaluated as a function of the irradiance in the first space (retentate side) and in the second space (permeate side).
  • curve A corresponds to the change in the concentration of n-hexane as a function of the irradiance in the first space (retentate side).
  • Curve B corresponds to the change in the concentration of n-hexane as a function of the irradiance in the second space (permeate side).
  • This Figure 5 shows that an overwhelming majority of the n-hexane has passed through the membrane and the support, and that the overwhelming majority of the n-hexane has been transformed with exposure to radiation.
  • the device according to the invention effectively decomposes the volatile organic compound present in the air.
  • the volatile organic compound used is n-hexane, at a concentration of 10 ppm in air.
  • the polydimethylsiloxane membrane has a thickness of 1 ⁇ m and a surface area of 120 cm 2 .
  • the reactor is fed with a flow rate of 100 ml / min.
  • the pressure prevailing in the first space is 1.2 bar and the pressure prevailing in the second space (permeate side) is 0.98 bar.
  • the first device is a device in which only membrane separation is implemented (comparative device).
  • the second device is a device in which only photocatalysis is implemented (comparative device).
  • the third device is a device according to the invention, as shown in Figure 1, that is to say in which the membrane separation and photocatalysis are implemented.
  • curve C corresponds to the change in the rate of elimination of n-hexane by implementing the first device, ie a device in which only membrane separation is implemented. It should be noted that the irradiance is necessarily 0 W / m 2 . It is found that only about 5 mol% n-hexane relative to the total number of moles of n-hexane initially present in air, is removed.
  • Curve D corresponds to the change in the rate of elimination of n-hexane using the second device.
  • the molar removal rate of n-hexane is found to be approximately 80%.
  • Curve E corresponds to the change in the rate of elimination of n-hexane by implementing the third device, the device according to the invention.
  • the molar removal rate of n-hexane is found to be approximately 95%.
  • the device according to the invention makes it possible to effectively decompose the volatile organic compound present in the air to be treated.
  • the volatile organic compound used is toluene, at a concentration of 10 ppm in air.
  • the polydimethylsiloxane membrane has a thickness of 50 ⁇ m and a surface of 38.5 cm 2 for the device according to the invention.
  • the reactor is fed with a flow rate of 100 ml / min.
  • the pressure in the first space is 1.3 bar and the pressure in the second space (permeate side) is 1 bar.
  • the power of the radiation is equal to 6.9 W / m 2 .
  • the change in the concentration of benzene was evaluated as a function of the mass of toluene removed using two devices.
  • the first device is a device in which only photocatalysis is implemented (comparative device). In this first device, no membrane is present.
  • the second device is a device according to the invention, as shown in Figure 3, that is to say in which the membrane separation and photocatalysis are implemented.
  • the purging gas admitted into the second space 4 of the reactor 2 by means of the admission means 14, is ambient air without volatile organic compound.
  • the purge gas flow rate is 10 mL / min (example 4b), ie a flow rate equivalent to 10% of the feed flow rate.
  • the purge gas flow rate is 30 mL / min (example 4c), ie a flow rate equivalent to 30% of the feed flow rate.
  • Curve Fl corresponds to the change in the relative concentration of benzene as a function of the mass of toluene removed by implementing the first device, i.e. a device in which only photocatalysis is carried out.
  • Curve F2 corresponds to the change in the relative concentration of benzene as a function of the mass of toluene removed by implementing the second device, the device according to the invention.
  • Curve G1 corresponds to the change in the relative concentration of benzene as a function of the mass of toluene removed by implementing the first device, i.e. a device in which only photocatalysis is carried out.
  • Curve G2 corresponds to the change in the relative concentration of benzene as a function of the mass of toluene removed by implementing the second device, the device according to the invention.
  • Curve H1 corresponds to the change in the relative concentration of benzene as a function of the mass of toluene eliminated by using the first device, ie a device in which only photocatalysis is carried out.
  • the H2 curve corresponds to the change in the relative concentration of benzene as a function of the mass of toluene removed by implementing the second device, the device according to the invention.
  • the catalytic decomposition of toluene leads to the formation of a significant amount of benzene.
  • the device according to the invention makes it possible to effectively treat the air comprising toluene because the presence of benzene in the treated air is very significantly limited, regardless of the flushing rate. It is also found that the presence of benzene is all the more limited the higher the flushing rate.

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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).

Description

DESCRIPTION
TITRE : 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.
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 repro toxique). 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, G 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 VI, 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 perméation 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 (TiCh). Dans ce cas, le domaine spectral concerné par les propriétés photocatalytiques est majoritairement l’UV proche (de longueur d’onde l < 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. Par ailleurs, l’oxydation photocatalytique de COV peut conduire dans de nombreuses situations à la formation de sous-produits indésirables et potentiellement toxiques.
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 PI, le deuxième espace présentant une deuxième pression P2, la première pression PI 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 cm2 à 500 m2, de préférence de 1cm2 à 25 m2, plus préférentiellement de 1cm2 à 5 m2, encore plus préférentiellement de 1 à 200 cm2, mieux de 30 à 200 cm2.
Selon un mode de réalisation particulier, la membrane présente une épaisseur inférieure ou égale à 100 mih, de préférence de 100 nm à 50 mih.
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 PI 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 0,05 bar et inférieure ou égale à 1 bar, plus préférentiellement 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 PI et la deuxième pression P2 va de 0,1 bar à 7 bars, de préférence de 0,1 à 6,9 bars, plus préférentiellement de 0,1 à 5,95 bars, mieux de 0,1 à 5,9 bars, encore plus préférentiellement de 0,1 à 4 bars, mieux de 0,1 à 2,95 bars, encore mieux de 0,1 à 2,9 bars, mieux encore 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 entraîne 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.
Par ailleurs, le dispositif selon l’invention permet de limiter très significativement la présence de sous-produits pouvant être issus de la décomposition catalytique de COV, par exemple issus de la décomposition catalytique du toluène.
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 TiCh, éventuellement dopé par du platine, ZnO, Z1Ό2 dopé par du chrome, Pd, Pt/AUCL, Rί,Nϊ/g-ARO , CuO/MnCh, Pd/activé-C, Cu1.5Mn1.5O4, MnÜ2, Ci» Ch, M CL/y-AUCL, Cuo.13Ceo.87Oy, et leurs mélanges, de préférence choisi parmi T1O2, 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 ΉO2, 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 ΉO2, 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 PI, ledit deuxième espace présentant une deuxième pression P2, la première pression PI 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, le formaldéhyde 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 5 ppb à 5000 ppm, de préférence de 100 ppb à 5000 ppm, plus préférentiellement de 250 ppb à 500 ppm, encore 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. Les caractéristiques en lien avec le dispositif selon l’invention sont également valables pour le dispositif mis en œuvre dans le cadre du procédé de traitement d’air selon l’invention.
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 :
[Fig 1] est une vue schématique d’un mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention ;
[Fig 2] est une vue schématique d’un autre mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention ;
[Fig 3] est une vue schématique d’un autre mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention ;
[Fig 4] est une vue schématique d’un autre mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention ;
[Fig 5] 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 ;
[Fig 6] 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 ;
[Fig 7] est un graphe représentant l’évolution de la concentration relative du benzène en fonction de la masse de toluène éliminée lors de la mise en œuvre d’un dispositif comparatif et d’un dispositif selon l’invention ;
[Fig 8] est un graphe représentant l’évolution de la concentration relative du benzène en fonction de la masse de toluène éliminée lors de la mise en œuvre d’un dispositif comparatif et d’un dispositif selon l’invention ;
[Fig 9] est un graphe représentant l’évolution de la concentration relative du benzène en fonction de la masse de toluène éliminée lors de la mise en œuvre d’un dispositif comparatif 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. P pemiet également de limiter très significativement la présence de sous- produits pouvant être issus de la décomposition catalytique de COV, par exemple issus de la décomposition catalytique du toluène
On se référera tout d’abord aux figures 1 à 4 qui illustrent deux modes de réalisation d’un dispositif selon l’invention.
On se référera ensuite aux figures 5 à 9 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, le formaldéhyde 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 PI, et le deuxième espace 4 présente une deuxième pression P2, la première pression PI 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 PI 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 G 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 hélium ionization detector » (PDHID)) et d’un spectromètre de masse quadripolaire (Clarus SQ 8).
Par ailleurs, le dispositif utilisé dans les exemples 1 à 3 qui suivent est le dispositif tel que représenté à la figure 1. Le dispositif selon l’invention utilisé dans l’exemple 4 est le dispositif tel que représenté à la figure 3.
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 médium catalytique est un médium photocatalytique. Ce médium est un média de fibres de quartz (présentant un diamètre de 9 pm) sur lesquelles du dioxyde de titane (T1O2 anatase 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
Le composé organique volatil utilisé est le n-hexane, selon une concentration de 10 ppm dans l’air.
La membrane en polydiméthylsiloxane présente une épaisseur de 50 pm 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 1 = 0 W/m2).
Les résultats obtenus pour différents couples de pression sont résumés dans le tableau 1 ci-dessous :
Figure imgf000014_0001
Tableau 1
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
Le composé organique volatil utilisé est le n-hexane, selon une concentration de 10 ppm dans l’air.
La membrane en polydiméthylsiloxane présente une épaisseur de 50 pm 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
Le composé organique volatil utilisé est le n-hexane, selon une concentration de 10 ppm dans l’air.
La membrane en polydiméthylsiloxane présente une épaisseur de 1 pm 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.
Exemple 4
Le composé organique volatil utilisé est le toluène, selon une concentration de 10 ppm dans l’air.
La membrane en polydiméthylsiloxane présente une épaisseur de 50 pm et une surface de 38,5 cm2 pour le dispositif selon l’invention.
Le réacteur est alimenté avec un débit de 100 mL/min.
0,420 g de dioxyde de titane a été déposé sur les fibres de quartz.
Dans cet exemple 4, la pression régnant dans le premier espace (côté rétentat) est de 1,3 bar et la pression régnant dans le deuxième espace (côté perméat) est de 1 bar. La puissance du rayonnement est égale à 6,9 W/m2.
L’évolution de la concentration du benzène a été évaluée en fonction de la masse de toluène éliminée en mettant en œuvre deux dispositifs.
Le premier dispositif est un dispositif dans lequel seule la photocatalyse est mise en œuvre (dispositif comparatif). Dans ce premier dispositif, aucune membrane n’est présente.
Le deuxième dispositif est un dispositif selon l’invention, tel que représenté en figure 3, c’est-à-dire dans lequel la séparation membranaire et la photocatalyse sont mises en œuvre.
Pour chacun des dispositifs, trois cas de débit de gaz de balayage différents ont été employés. Le gaz de balayage, admis dans le deuxième espace 4 du réacteur 2 grâce au moyen d’admission 14, est de l’air ambiant sans composé organique volatil. Dans le premier cas, aucun débit de gaz de balayage n’a été mis en place (exemple 4a). Dans le second cas, le débit de gaz de balayage est de 10 mL/min (exemple 4b), soit un débit équivalent à 10% du débit d’alimentation. Dans le troisième cas, le débit de gaz de balayage est de 30 mL/min (exemple 4c), soit un débit équivalent à 30% du débit d’alimentation.
Ainsi, les conditions sont résumées dans le tableau 2 ci-dessous :
Figure imgf000017_0001
Tableau 2
Les résultats présentés à la figure 7 sont ceux observés à l’issue de l’exemple 4a.
La courbe Fl correspond à l’évolution de la concentration relative du benzène en fonction de la masse de toluène éliminée en mettant en œuvre le premier dispositif, i.e un dispositif dans lequel seule la photocatalyse est mise en œuvre.
La courbe F2 correspond à l’évolution de la concentration relative du benzène en fonction de la masse de toluène éliminée en mettant en œuvre le deuxième dispositif, le dispositif selon l’invention.
Les résultats présentés à la figure 8 sont ceux observés à l’issue de l’exemple 4b.
La courbe G1 correspond à l’évolution de la concentration relative du benzène en fonction de la masse de toluène éliminée en mettant en œuvre le premier dispositif, i.e un dispositif dans lequel seule la photocatalyse est mise en œuvre.
La courbe G2 correspond à l’évolution de la concentration relative du benzène en fonction de la masse de toluène éliminée en mettant en œuvre le deuxième dispositif, le dispositif selon l’invention.
Les résultats présentés à la figure 9 sont ceux observés à l’issue de l’exemple
4c. La courbe H1 correspond à l’évolution de la concentration relative du benzène en fonction de la masse de toluène éliminée en mettant en œuvre le premier dispositif, i.e un dispositif dans lequel seule la photocatalyse est mise en œuvre.
La courbe H2 correspond à l’évolution de la concentration relative du benzène en fonction de la masse de toluène éliminée en mettant en œuvre le deuxième dispositif, le dispositif selon l’invention.
Il est constaté que la décomposition catalytique du toluène conduit à la formation d’une quantité importante de benzène. Toutefois, le dispositif selon l’invention permet de traiter efficacement l’air comprenant du toluène car la présence de benzène dans l’air traité est très significativement limitée, quel que soit le débit de balayage. Il est également constaté que la présence de benzène est d’autant plus limitée que le débit de balayage est élevé.

Claims

REVENDICATIONS
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 PI, le deuxième espace (4) présentant une deuxième pression P2, la première pression PI 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 cm2 à 500 m2, de préférence de 1 cm2 à 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 mhi, de préférence de 100 nm à 50 mhi.
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 PI 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 0,05 bar et inférieure ou égale à 1 bar, plus préférentiellement 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 PI et la deuxième pression P2 va de 0,1 bar à 7 bars, de préférence de 0,1 à 6,9 bars, plus préférentiellement de 0,1 à 5,95 bars, mieux de 0,1 à 5,9 bars, encore plus préférentiellement de 0,1 à 4 bars, mieux de 0,1 à 2,95 bars, encore mieux de 0,1 à 2,9 bars, mieux encore 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 T1O2, éventuellement dopé par du platine, ZnO, Z1O2 dopé par du chrome, Pd, Pt/AbCh, Pt,Ni/y-Al203, CuO/MnC , Pd/activé-C, Cu1.5Mn1.5O4, MnÜ2, CnCh, M Cb/y-AhCb, Cuo.13Ceo.87Oy, et leurs mélanges, de préférence choisi parmi T1O2, 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 PI, ledit deuxième espace présentant une deuxième pression P2, la première pression PI 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, le formalhédyde 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 5 ppb à 5000 ppm, de préférence de 100 ppb à 5000 ppm, plus préférentiellement de 250 ppb à 500 ppm, encore plus préférentiellement de 1 ppm à 500 ppm par rapport à la concentration totale de l’air.
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