Etude des effets de paramètres influençant l’efficacité d’un épurateur photocatalytique d’air : modélisation et optimisation de l’éclairement sur des matériaux photocatalytiques plans, plissés et en nid d’abeilles
Institution:
Ecully, Ecole centrale de LyonDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The objective of this thesis is to understand and optimize the effects of various parameters influencing performance of a photocatalytic reactor for indoor air treatment and to propose improvements to increase it. Amongst many factors mentioned in the literature , we selected those that relate to the formulation of the photocatalyst coating (type and amount of photocatalyst coated binder, calcination temperature , …), characteristics of the polluted air (type of pollutant and concentration , air flow rate ,. . . ) and UV irradiation ( wavelength, emitted UV power , number of lamps , etc …) and finally the type of material (fibrous , quartz or aluminum ) constituting the photocatalytic support as well as its geometry (plane, pleated, surrounding lamps, honeycomb ,. . . ). The ranges of variation of some of these parameters are determined based on technological factors associated with industrial requirements. The approach is to take into account from the outset all important parameters to reduce the number of tests using optimization methods (chemometrics). Tests of material characterization and systems efficiency will be performed. Tests in an experimental loop with an effluent in recirculating or one pass mode will quantify the performance for different options chosen during the study. The first chapter of this thesis is to introduce the concept of air pollution by identifying different types of gaseous pollutants according to their class, their source and their environmental and health impact , to present different techniques used for air treatment and, finally, to state the principle of photocatalysis and to identify the different manufacturers of photocatalytic air purifiers. In the second part, various photocatalytic titanium dioxides are investigated in powder form or supported on various materials. Photocatalytic degradation tests are carried out in a single pass or in a batch reactor. The parameters influencing TiO2 coating are identified using design of experiments. The third chapter concerns studies of a coated TiO2 plane fibrous material. Studied factors are irradiance and its distribution on the surface of the photocatalytic material, the geometry given to the material supporting TiO2, the temperature and the velocity of the air in the reactor, the pressure drop and the mixing of titanium dioxide with zeolite or activated carbon. Modeling the UV light on the photocatalytic material helps to determine the optimum configurations for a higher and distributed as homogeneous as possible irradiance in our test conditions. The same methodological approach is used in the fourth chapter to optimize a photocatalytic reactor constituted of an aluminum structure shaped honeycomb used as support for TiO2. The fifth chapter describes the results obtained when photocatalytic titanium dioxide is directly coated on UV lamps. Finally, the last section presents the results of preliminary tests when photocatalysis and cold plasma are coupled for VOCs treatment.
Abstract FR:
L’objectif de cette thèse est de comprendre et d’optimiser les effets de différents paramètres qui interviennent dans un réacteur photocatalytique pour le traitement d’air intérieur et de proposer au final des améliorations permettant des performances accrues. Parmi les nombreux facteurs mentionnés dans la bibliographie, ceux que nous avons retenus concernent la formulation du dépôt photocatalytique (type de photocatalyseur et quantité déposée, liant, température de calcination, etc. ), les caractéristiques de l’air pollué (type de polluant et concentration, débit de l’air, etc. ) et de l’irradiation UV (longueur d'onde, puissance UV émise, nombre de lampes, etc. ) et, enfin, le type de matériau (fibreux, en quartz ou en aluminium) constituant le support photocatalytique ainsi que sa géométrie (plan, plissé, entourant les lampes, en nid d'abeilles, etc. ). Les plages de variation de certains de ces paramètres seront déterminées en fonction de critères technologiques associés aux exigences industrielles. La démarche consiste à prendre en compte dès le départ tous les paramètres importants afin de réduire le nombre d’essais en utilisant des méthodes d’optimisation (chimiométrie). Des tests de caractérisation des matériaux et d’efficacité des systèmes seront effectués. Des essais sur boucle expérimentale avec un effluent en recirculation et en un seul passage permettront de quantifier les performances pour les différentes options retenues en cours d’étude. Le premier chapitre de cette thèse consiste à introduire la notion de pollution atmosphérique en identifiant les différents types de polluants gazeux selon leur classe, leur source et leur impact environnemental et sanitaire, à présenter différentes techniques employées pour le traitement d'air et, enfin, à énoncer le principe de la photocatalyse puis à identifier les différents fabricants de purificateurs d'air par photocatalyse. Dans la seconde partie, divers dioxydes de titane sont étudiés sous forme pulvérulente ou supportée sur différents matériaux. Des essais de dégradation photocatalytique sont réalisés en un seul passage ou en réacteur clos. Les paramètres influençant la formulation du dépôt de TiO2 sont identifiés à l'aide de plans d'expériences. Le troisième chapitre est relatif aux études menées sur un matériau fibreux plan recouvert de TiO2. Les facteurs étudiés sont l'éclairement et sa répartition à la surface du matériau photocatalytique, la géométrie donnée au matériau supportant le TiO2, la température et la vitesse de l'air dans le réacteur, les pertes de charge et le couplage du dioxyde de titane avec de la zéolithe ou du charbon actif. Une modélisation de l'éclairement UV sur le matériau photocatalytique permet de déterminer les configurations optimales pour obtenir un éclairement le plus élevé et réparti de la façon la plus homogène possible dans nos conditions d'essais. La même démarche méthodologique est employée dans le quatrième chapitre pour optimiser un réacteur photocatalytique dont le support pour le TiO2 est une structure d'aluminium en forme de nid d'abeilles. Le cinquième chapitre relate des résultats des tests photocatalytiques obtenus lorsque le dioxyde de titane est directement déposé sur les lampes UV. Enfin, la dernière partie présente les résultats d'essais préliminaires de couplage de la photocatalyse avec le plasma froid pour le traitement de COV.