Définition, effets et règlementations des COV

Définition, effets et règlementations des COV

Définition des COV

Les COV sont définis selon chaque organisme international différemment suivant la composition chimique et la réactivité photochimique. En France, la définition prise en compte correspond à la directive 1999/13/CE du conseil Européen du 11 Mars 1999 où un composé organique volatil est : « tout composé contenant au moins un élément carbone et un ou plusieurs des éléments suivants : hydrogène, halogènes, oxygène, soufre, phosphore, silicium ou azote, { l’exception des oxydes de carbone et des carbonates et bicarbonates inorganiques ». Pour mettre en valeur la notion de la volatilité, cette dernière est définit comme suit dans la directive: « Tout composé organique ayant une pression de vapeur de 0,01 kPa ou plus à une température de 293,15 K ou ayant une volatilité correspondante dans les conditions d’utilisation particulières ». Le méthane, gaz à effet de serre, naturellement présent dans l’air, est exclu des autres COV d’où l’existence de l’appellation du groupe de COV non méthaniques ou COVNM. Les COV appartiennent aux différentes familles de composés organiques comme les aldéhydes, cétones, esters, acides, etc.

Sources de COV

D’après le CITEPA, les émissions de COV en France Métropolitaine en 2012 représentent 711 kT, voire une baisse de 73% depuis 1988. Elles se répartissent dans six secteurs d’activité : transformation de l’énergie, industrie manufacturière, résidentiel/tertiaire, agriculture et sylviculture, transport routier ou autres transports. Ces six secteurs sont décomposés en différents sous-secteurs principaux sont :
● Le résidentiel tertiaire répartit lui-même en quatre catégories qui sont les émissions des chaudières < 50 MW, l’utilisation domestique de solvants, les engins mobiles non routiers et les feux ouverts.
● L’industrie manufacturière reconnue par les rejets d’industrie, les transports routiers, l’agro-alimentaire, la construction, etc.

On remarque que le résidentiel représente la source d’émission la plus élevée des COV avec 40% émis principalement d’après Citepa par la consommation de solvants à usage domestique ou dans le bâtiment et la combustion du bois. L’industrie manufacturière est en faible décroissance par rapport { l’année 2010, émettant 36% des émissions globales et résultant de l’utilisation de peinture. Le secteur du transport routier représente 10% des émissions des COV, émissions émis par ce secteur largement diminués depuis 1990 en vue des développements des pots catalytiques pour les voitures. Les autres secteurs qui contribuent { l’émission des COV en faibles pourcentages sont la transformation d’énergie avec 6%, les autres transports que le transport routier avec 5% et l’agriculture/sylviculture avec 2% des émissions globales de COV. Toutes ces émissions rendent nécessaire la création de différentes méthodes de traitement des COV.

Effets

Les effets des COV sont multiples pour la santé humaine et pour l’environnement :
● Pour la santé humaine, les effets sont soit directs ou indirects selon le type de COV. Certains d’entre eux possèdent une toxicité aigüe et/ou chronique dépendant de la durée et la dose d’exposition tandis que d’autres sont cancérigènes comme le benzène. Cependant, ils peuvent causer des irritations de la muqueuse et de la peau comme pour les aldéhydes par exemple.
● Pour l’environnement, les COV sont considérés comme des gaz à effet de serre. En présence du rayonnement solaire et des irradiations UV, ils réagissent avec les oxydes d’azote pour créer l’ozone troposphérique { partir de l’oxygène de l’air formant ainsi la pollution photochimique. L’ozone, considéré comme polluant, est nocif pour la santé pour une certaine valeur limite d’exposition (VLE) de 0,2 ppm (ou 0,4 mg/m3) (INRS, Juillet 2012).

L’importance de traitement des COV réside dans l’élimination de tous ces effets suivant des procédés classiques déjà bien décrits dans la littérature ou des procédés innovants alliant les travaux de recherche et la demande des industriels au sujet de leur traitement.

Règlementations sur les COV 

Les émissions des COV dans l’environnement par les différents secteurs d’application suscitent la présence de règlementations en fonction de la quantité et la nature de COV d’où la création de la directive européenne 2001/81/CE. Dans le cadre de cette dernière directive et du protocole de Göteborg, la France s’est engagée { diminuer la quantité des émissions de COV de 2300 kT en 1998 jusqu’{ 1050 kT en 2010 (CCI Paris Ile de France , 2010). De même, la France a mis en place une réglementation basée sur quatre priorités d’actions qui sont :
❖ La composition des produits visant la diminution principalement de la quantité de solvants organiques dans les peintures.
❖ Les sources mobiles sont considérées comme les responsables primordiaux des émissions des COV. Plusieurs solutions ont été trouvées depuis 1987 jusqu’{ aujourd’hui : les catalyseurs de postcombustion, les pots catalytiques, le développement des biocarburants, les carburants gazeux et les véhicules électriques.
❖ Les sources fixes.
❖ La surveillance des émissions par le développement d’une politique d’autosurveillance qui porte sur les émissions des polluants et la qualité du milieu environnant.

Procédés classiques de traitement des COV

On distingue deux types de procédés classiques de traitement permettant soit i) la récupération par absorption, adsorption, condensation ou séparation membranaire ou ii) la destruction par oxydation thermique, oxydation catalytique, les traitements biologiques et récemment par le plasma non-thermique. Les méthodes récupératives permettent de récupérer une partie des molécules des COV à traiter tandis que les méthodes destructives, éliminent presqu’entièrement les molécules de COV { traiter tout en formant des molécules moins nocives voire plus valorisante à l’environnement.

Procédés récupératifs

Les techniques de récupération des COV consistent à diminuer leur volume par des méthodes de transferts sur des matrices gazeuses, soit sur des substrats solides comme l’adsorption ou bien sur des substrats liquides comme l’absorption (Soltys, 1998). Les différents types de procédés listés dans cette catégorie sont l’absorption, l’adsorption, la condensation et la séparation membranaire.

Absorption
L’absorption des polluants organiques repose sur le principe de transfert de masse d’un composé de la phase gazeuse vers la phase liquide. Lorsque le composé transféré n’est pas modifié, le processus est une simple absorption physique. Pour augmenter le transfert du composé, une réaction chimique peut être mise en œuvre. Ce principe est démontré par la loi d’équilibre de Henry tel que :

Y = mX (1.1)

Où Y, m et X sont la composition molaire du polluant en phase gazeuse, le coefficient de partage et la composition molaire du polluant en phase liquide, respectivement. L’efficacité du traitement de gaz par absorption dépend de la nature des composés, de la solution de lavage utilisée, du type de colonne retenu (colonne à garnissage ou colonne à pulvérisation et atomisation) et des conditions de fonctionnement.

Le procédé de lavage dépend de deux étapes : le choix du liquide de lavage et le type de contacteur { mettre en œuvre. Le liquide de lavage dépend quant { lui de plusieurs critères :
❖ Forte capacité d’absorption
❖ Limitation de la consommation énergétique par la viscosité faible
❖ Pression de vapeur suffisamment basse
❖ Etre inerte vis-à-vis des matériaux utilisés .

L’ajout dans la solution de lavage de réactifs chimiques, permet l’élimination des polluants et la modification du profil de concentrations { proximité de l’interface, favorisant de plus le transfert de la phase gazeuse vers la phase liquide (Cloirec, 2004). L’absorption permet de traiter des concentrations relativement faibles en COV, entre 500 ppm et 5000 ppm avec des débits variant entre 3000 et 20000 m3/h.

Adsorption

L’adsorption est un phénomène physique permettant à un solide de fixer les molécules du COV à sa surface par les forces de Van Der Walls. Cette méthode est utilisable pour une large gamme de débits allant de 100 à 100 000 m3/h et à des concentrations faibles de l’ordre de 20 à 5000 ppm. Son principe est de fixer des molécules de gaz d’une manière réversible et exothermique sur différents types de supports solides ou filtres dédiés à la récupération des COV qui sont : les charbons actifs, les zéolithes et les adsorbants à base de polymère dans une colonne d’adsorption. La colonne d’adsorption se répartit en deux zones : la zone amont où l’adsorbant est saturé par le flux d’air contenant les COV et la zone aval où l’adsorbant est vierge. La frontière entre ces deux zones constitue le front d’adsorption. Ultérieurement, une étape de désorption consiste à régénérer les COV traités. La régénération du filtre peut se faire par le chauffage direct, le lavage chimique ou par utilisation d’un flux de vapeur { haute température. L’adsorption dépend quantitativement des propriétés physiques du support solide (porosité, surface spécifique, …) et des propriétés chimiques du COV (acidité, affinité sur les composés polaires ou non polaires, etc…). Cette méthode s’adapte aux variations de débits. Par contre, l’un des inconvénients majeurs est la régénération de l’adsorbant.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 Position du problème de traitement des COV et conception d’un dispositif original de dépollution par plasma non-thermique
1.1. Introduction
1.2. Définition, effets et règlementations des COV
1.2.1. Définition des COV
1.2.2. Sources de COV
1.2.3. Effets
1.2.4. Règlementations sur les COV
1.3. Procédés classiques de traitement des COV
1.3.1. Procédés récupératifs
1.3.1.1. Absorption
1.3.1.2. Adsorption
1.3.1.3. Condensation
1.3.1.4. Séparation par technique membranaire
1.3.2. Procédés destructifs
1.3.2.1. Oxydation thermique
1.3.2.2. Oxydation catalytique
1.3.2.3. Destruction par voie biologique
1.3.2.4. Plasma non-thermique
1.4. Bilan comparatif des procédés de traitement de COV
1.5. Généralités sur les plasmas
1.6. Création d’un plasma froid { pression atmosphérique
1.6.1. Streamer positif
1.6.2. Streamer négatif
1.7. Les Décharges à Barrière Diélectrique (DBD)
1.7.1. Les différentes configurations de DBD
1.7.2. Caractéristiques des DBDS et force électrohydrodynamique (EHD)
1.7.3. Les paramètres influençant la conversion électromécanique d’une DBDS
1.7.3.1. Paramètres électriques
17.3.1. A. Tension et courant d’alimentation
1.7.3.1. B. Fréquence appliquée
1.7.3.2. Paramètres géométriques
1.7.3.2. A. Largeur des électrodes HT
1.7.3.2. B. Epaisseur du diélectrique
1.7.3.2. C. Décalage horizontal inter-électrodes (en configuration symétrique)
1.7.3.3. Paramètres matériaux
1.7.3.3. A. Nature du diélectrique
1.8. Décomposition des COV par DBD
1.9. Conclusion
Chapitre 2 Conception et étude de la conversion électromécanique de la surface active et du canal actif
2.1. Introduction
2.2. Description du banc expérimental et du protocole expérimental
2.3. Modélisation électrique du circuit secondaire
2.4. Analyse de l’intensité lumineuse du plasma
2.5. Etude électromécanique de la surface active en fonction des différents paramètres
2.5.1. Résine époxy
2.5.1.1. Détermination théorique de la fonction de transfert : S.A. en résine époxy
2.5.1.2. Courbe expérimentale de réponse fréquentielle : S.A. en résine époxy
2.5.1.3. Caractérisation mécanique : S.A. en résine époxy
2.5.1.3. A. Calcul de la puissance mécanique
2.5.2. Verre Borosilicate (Pyrex ©)
2.5.2.1. Réponse fréquentielle : S.A. en Pyrex ©
2.5.2.2. Caractérisation mécanique : S.A. en Pyrex ©
2.5.2.2. A. Surface active à une DBDS
2.5.2.2. B. Surface active à deux DBDS
2.5.2.3. Calcul de la puissance mécanique produite par la surface active à 2 DBDS
2.6. Conception et étude électromécanique du canal actif
2.6.1. Dispositif expérimental
2.6.2. Modélisation électrique du canal actif
2.6.3. Influence de la hauteur du canal actif
2.6.3.1. H = 25 mm
2.6.3.2. H = 10 mm
2.6.3.3. H = 6 mm
2.6.3.4. Calcul du rendement
2.6.4. Choix de la hauteur du canal optimale
2.7. Conclusion
Chapitre 3 Conception d’une pompe active EHD et étude de la conversion des COV
3.1. Introduction
3.2. Choix de polluants et cahier de charges
3.3. Plan d’expérience
3.4. Conception et réalisation d’un démonstrateur composé d’une pompe active EHD, de son banc d’expérimentation et de ses appareils de caractérisation
3.4.1. Pompe active EHD
3.4.1.1. Conception de la pompe EHD
3.4.1.2. Disposition du rack de la pompe EHD
3.4.1.3. Simulation des performances de la pompe EHD sous Solidworks
3.4.2. Banc expérimental
3.4.3. Appareils de caractérisation
3.5. Protocole expérimental
3.6. Résultats et discussions
3.6.1. En mode d’injection : polluant par polluant
3.6.1.1. Etude du taux d’abattement des COV en fonction du débit d’air D (Nm3/h)
3.6.1.2. Exemples de chromatogrammes en entrée et sortie de la pompe EHD
3.6.1.3. Résultats
3.6.1.4. Débit de COV converti
3.6.2. En mode d’injection : polluants mélangés
3.6.3. Identification des sous-produits de dégradation des deux cétones : 2-butanone et acétone – proposition d’un schéma réactionnel
3.6.4. Mesure de l’ozone produite par la pompe EHD
3.6.5. Mesure de la consommation électrique totale du rack
Conclusion générale
ANNEXES

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