1er Salon national de la recherche universitaire, Montréal, 2005RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT

Les états de la matière

Solide : les atomes sont rangés

selon un ordre bien

défini (réseaux), ils

sont fixes

Plasma : sous forme de gaz mais

interaction

entre particules

chargées et neutres

Gaz : les atomes ou

molécules occupent un large volume

et sont complètement

libres (gaz parfait)

Liquide : les molécules se meuvent

avec un certain degré

de liberté

Plasma : T > 6000 ºC

Solide : (glace) T <

0 ºC

Liquide : Température

ambiante

Gaz : (vapeur) T > 100

ºC

Définition d’un plasma

Le plasma est un gaz ionisé, électriquement neutre, formé de :

– particules chargées (ions, électrons) – particules neutres – atomes ou molécules excités– photons

qui présentent un comportement collectif (neutralité macroscopique).

e-

Globalement neutre

Les atomes (neutres ou excités), molécules, ions et électrons se

meuvent tout en ayant un comportement collectif.

Température croissante

Exemple de l’EAU

En passant d’un niveau excité à un niveau de plus basse énergie, les atomes émettent des photons dont la longueur d’onde peut se situer dans le spectre visible.

Pourquoi le plasma émet-il de la lumière?

Température croissante

Destruction de gaz à effet de serre par un plasma micro-ondes entretenu à la pression atmosphérique

Martin Nantel-Valiquette et Thomas Fleisch

Pour la gravure Pour la stérilisation

Les éclairs

Les aurores boréales

Les tubes fluorescents (néons)

TOKAMAK

Les plasmas comme source d’énergieLes plasmas dans la nature

Les plasmas dans le quotidien

1er Salon national de la recherche universitaire, Montréal, 2005RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT

L’effet de serre

L’effet de serre est un phénomène naturel qui nous permet de vivre sur la Terre en maintenant une température moyenne de l’ordre de 15 ºC.

Les gaz à effet de serre (GES) sont des gaz susceptibles de capter et de réémettre le rayonnement infrarouge émis par la surface de la terre

Les gaz à effet de serre

Pourcentage d’émission par GES au Canada en

2001

CF4 C2F6 C3F8 CHF3 SF6 NH3 CO20

10000

20000

30000

40000

50000

Durée de vie (année) PRP (100 ans)

Durée de vie et potentiel de réchauffement planétaire

(PRP) des GES

1

But du projet de recherche

Améliorer l’efficacité énergétique de l’UPAS pour la destruction de gaz à effet de serre:

(Universal Plasma Abatement System)

– optimiser la configuration expérimentale,

– mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques intervenant dans le processus de destruction.

UPAS

Dispositif expérimental

Liquide de refroidissement

Piston d’accord d’impédance

Surfaguide

Plasma

Cage de Faraday

Échangeur de chaleur

Chaux sodée

Spectromètre FTIR

Hotte de ventilation

Gaz : N2, O2,

SF6

Générateur micro-ondes

Vers le bolomètre

Débitmètre massique

Caractéristiques du plasma micro-ondes

• Plasma hors-équilibre thermodynamique Télectrons > Tneutres Tions

(Télectrons 8000-11 000K, Tgaz 1000-6000K)

• 2 types de réactions chimiques : Collisions entre les électrons énergétiques et les molécules du

gaz : Création d’espèces actives par dissociation, fragmentation,

excitation et ionisation Collisions entre radicaux et molécules :

Réactions chimiques en phase gazeuse conduisant à de nouvelles entités radicalaires ou moléculaires par reformation ou oxydation

• Souplesse d’opération des POS Possibilité d’optimiser le processus en fixant adéquatement les

paramètres externes

Paramètres externes

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.530

40

50

60

70

80

90

100 2R = 8 mm, ALN50 L/min N

2

[SF6] = 0.5%

[O2]/[SF

6] = 1.5

Tau

x d

e d

estr

uct

ion

[%

]

Puissance [kW]

915 MHz 2450 MHz

• Pression Pression atmosphérique : plus intéressant sur

le plan industriel

• Fréquence d’opération

À 2450 MHz2450 MHz :

TDD de 90% à 4.6 kW

À 915 MHz915 MHz :

TDD de 90% à 3.8 kW

Économie d’énergie de

0.8 kW, i.e. 21%, à 915 MHz

Explication : à 915 MHz, le volume du plasma est plus grand, ce qui

augmente le temps de séjour du SF6 dans la décharge

• Puissance micro-ondes absorbée

DRE < 90%DRE < 90% : comportement linéaire qui s’explique par une propriété des POS :

< ne > P

DRE > 90%DRE > 90% : influence de la reformation

CF4 plus stable que SF6

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.020

30

40

50

60

70

80

90

100

2R = 8 mm, ALN30 L/min N

2

[PFC] = 0.5%[O

2]/[PFC] = 1.5T

aux

de

des

tru

ctio

n [

%]

Puissance [kW]

SF6

CF4

• Rayon du tube à décharge

Influence de la contraction sur la densité électronique moyenne

• Nature et débit des gaz

Nature du PFC : • stabilité chimique propre à chaque gaz• réactions chimiques différentes pour des gaz distincts

Concentration du PFC Rapport [O2]/[PFC]

2 3 4 5 640

50

60

70

80

90

100 2.4 % SF6

1 % SF6

P = 2.8 kW20 L/min N

2

[O2]/[SF

6] = 1.2

Tau

x d

e d

estr

uct

ion

[%

]

Rayon du tube à décharge [mm]

1er Salon national de la recherche universitaire, Montréal, 2005RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT

Influence du rapport [O2]/[SF6]

Oxydation vs reformation

[O2] / [SF6] < 1 : TDD

déterminé par le taux de reformation

[O2] / [SF6] > 1 : oxydation

complète des fragments

Destruction du SF6 nécessite l’oxydation des fragments pour éviter la reformation de SF6

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

20

40

60

80

100

2R = 8 mm, AlN30 L/min de N

2

[SF6] = 0.5 %

P = 4 kW

Tau

x d

e d

estr

uct

ion

[%

][O

2] / [SF

6]

Comment détermine-t-on le TDD?

1. Collecte du spectre blanc (spectre de l’air) Ce spectre est « soustrait » de tous ceux qui sont pris

subséquemment de façon à ne voir que les raies dues au SF6 et aux différents sous-produits de réaction (si l’on échantillonne le gaz avant la chaux sodée)

2. Mesure de l’aire sous le pic de SF6 avec le plasma éteint : [PFC]I (étalonnage)

3. Mesure de l’aire sous le même pic avec le plasma allumé : [PFC]F

4. Le taux de destruction est donné par :TDD [%]

=

[ ] [ ]100

[ ]I F

I

PFC PFC

PFC

Identification des sous-produits

Sous-produits présents : SO2F2, SOF2, FNS, FNO

Présence de F2 confirmée par spectroscopie de masse

Pas de NOx : chemin réactionnel préférentiel

Sous-produit majoritaire : SO2F2

• Dissociation par impact électronique

dissociation prédominante : e + SF6 SF2 + 4F + e

• Réactions coef. de réaction [cm3/s] 1. SF2 + O SOF + F

2. SOF + O SO2F

3. SOF + F SOF2

4. SF3 + O SOF2 + F

5. SO2F + F SO2F2

6. SOF2 + F SOF3

7. SOF3 + O SO2F2 + F

8. SOF3 + F SOF4

9. SF5 + O SOF4 + F

10. SF5 + F SF6

Cinétique des réactions en phase gazeuse

• Pourquoi ne voit-on pas de SOF4?

Les concentrations des sous-produits menant au SOF4 sont très faibles

1. SOF3 :

SOF2 + F SOF3 SOF3 + F SOF4

Création lente ( k < 3.410 –13 cm3/s )

Produit intermédiaire menant au SO2F2 et SOF4

( même coef. de réaction )

2. SF5 :

Dissociation par impact électronique importante à la pression

atmosphérique

Recombinaison en SF6 plus rapide que la réaction menant au SOF4

• L’utilisation d’un plasma micro-ondes permet une conversion

complète des PFC à un faible coût énergétique (si les paramètres

externes sont judicieusement fixés)

• Les mécanismes réactionnels menant à la destruction des PFC sont :

Dissociation du polluant par collisions électroniques

Chimie en phase gazeuse où l’oxydation joue un rôle primordial

• Modélisation nécessaire pour déterminer les chemins réactionnels

prédominants et possibilité d’optimisation.

Conclusion et perspectives Applicateur de champ

Détecteur optique

Circulateur

Magnétron

Court-circuit fixe

Bobine Tesla

Échangeur de chaleur/piège

à particules solides

Application industrielle

Comparaison des sous-produits avant et après la chaux sodée

1.110 –10

110 –10

210 –12

210 –11

110 –10

< 3.410 –13

0.5 -110 –10

0.5 -110 –10

210 –11

0.166 - 2.2 10 –10

2000 1500 1000 500

1

2

3

4.0

4.5

SF6

FNO

F2OS

F2O2S

FNO

FNO

F2OS

FNS

FNS

SF6

F2O2SF2O2S

avant chaux sodée après chaux sodée

Ab

sorb

ance

Nombre d’onde (cm-1)