Topic description
Les enjeux environnementaux actuels tels que la pollution des milieux aquatiques et l'augmentation constante des besoins en énergie nécessitent le développement de solutions innovantes afin de répondre à ces défis majeurs que sont l'amélioration de l'efficacité de retraitement des eaux usées et la production de vecteurs énergétiques tout en limitant au maximum leurs empreintes carbones. Dans ce contexte général, une des voies possibles de développement est l'utilisation de procédés plasma non thermique. Les réacteurs plasmas ont déjà démontré leurs potentiels élevés pour générer des espèces oxydantes (O, OH, O3…), et leur applicabilité pour le traitement des polluants gazeux et liquides. Le laboratoire GREMI, spécialisé dans l'étude de procédés plasma et laser, procède à des activités de recherche avancées sur ces thématiques au sein de l'axe « Traitements et valorisation des effluents ». L'objectif principal de ces travaux de thèse est de mener une étude multicritère et exploratoire des potentialités de l'utilisation de sources plasmas non thermiques à pression atmosphérique pour le traitement d'effluents liquides à fortes teneurs en COV à des fins de valorisation énergétique. En effet, ces mélanges représentatifs d'eaux usées de sites industriels pour lesquels les quantités sont élevées (> à 1% volumique), sont de bons candidats à la valorisation énergétique du fait de leur forte teneur en carbone et en hydrogène et présentent un fort potentiel pour la production de gaz énergétiques. Il s'agira dans ces travaux, d'analyser les performances de production de gaz énergétiques et d'optimiser les proportions en CH4 et H2 tout en assurant une remédiation la plus efficiente possible de ces eaux polluées. Pour ce faire, ces travaux de thèse à forte dominante expérimentale porteront sur plusieurs axes :
1°) Une analyse de la composition du gaz en sortie de réacteur plasma selon plusieurs méthodes possibles à savoir par analyseur de gaz, par IRTF ou encore par GC/TCD-FID-MS. Ces mesures couplées à des caractérisations électriques des réacteurs plasmas permettront une analyse de l'efficience de la production de gaz énergétiques (en g/kWh). L'analyse pourra être faite sur plusieurs technologies de réacteur plasma disponibles au GREMI tels que les décharges d'arc glissant, les décharges pointe-pointe, les torches à plasma…. et ceci pour plusieurs conditions expérimentales (débit de gaz vecteur, nature du gaz vecteur, débit liquide, composition de mélange,…). L'objectif sera de définir les meilleures conditions opératoires pour la production de méthane et/ou hydrogène et de comparer les performances aux autres procédés déjà existants.
2°) Une analyse de la phase plasma par spectroscopie optique d'émission éventuellement couplée à l'IRTF. L'objectif de cette deuxième phase est de caractériser les paramètres plasma (inventaire des espèces réactives, mesure de températures, densités, …) et de relier l'évolution de ceux-ci aux performances de production de gaz énergétiques afin d'identifier les mécanismes prépondérants à l'origine des conversions en méthane et hydrogène.
3°) Une analyse de la phase liquide après traitement plasma par spectrophotométrie couplée à la GC/MS voire HPLC. Il s'agit ici de compléter l'étude de performances par un inventaire / dosage du résiduel et des sous-produits restant dans la phase liquide après traitement, d'une part pour déterminer le taux de dégradation des polluants visés mais également pour évaluer l'écotoxicité des solutions résiduelles après traitement plasma.
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Current environmental challenges, including aquatic pollution and rising energy demands, call for innovative solutions that both enhance wastewater treatment efficiency and enable energy recovery while minimizing carbon footprints. Non-thermal plasma processes offer a promising approach in this context. Plasma reactors are highly effective at generating reactive oxidizing species (O, OH, O₃, …) and have demonstrated applicability for treating both gaseous and liquid pollutants.
The GREMI laboratory, specializing in plasma and laser processes, conducts advanced research on these topics within its “Treatment and Valorization of Effluents” axis. The main objective of this PhD project is to explore the potential of non-thermal plasma sources at atmospheric-pressure for the treatment of liquid effluents with high volatile organic compound (VOC) content, targeting energy recovery. These solutions representative of Industrial wastewater streams with high VOC concentrations (>1% v/v) are particularly suitable candidates due to their rich carbon and hydrogen content, offering significant potential for energetic gases production with high contents in methane and hydrogen. This experimentally focused project will address three complementary research axes:
1°) Gas-phase analysis: Gas composition at the plasma reactor outlet will be assessed using multiple techniques, including gas analyzers, FTIR, and GC/TCD-FID-MS. These measurements, combined with plasma electrical diagnostics, will allow evaluation of energy gas production efficiency (g/kWh). Various plasma reactor configurations available at GREMI including gliding arc discharges, point-to-point discharges, plasma torches will be tested under different operating conditions (carrier gas type and flow, liquid flow, mixture composition) to identify optimal conditions for CH₄ and H₂ production.
2°) Plasma-phase characterization: Optical emission spectroscopy, potentially coupled with FTIR, will be used to characterize reactive species, temperatures, and plasma densities. Correlating these parameters with gas production performance will help elucidate the mechanisms driving methane and hydrogen formation in this process.
3°) Liquid-phase analysis: The treated liquid effluent will be analyzed by UV-Vis spectrophotometry, GC/MS, and HPLC to quantify residual pollutants and by-products. This will provide a comprehensive assessment of pollutant degradation and allow evaluation of the ecotoxicity of treated solutions.
Overall, this project aims to optimize plasma-based processes for energy recovery from industrial wastewater while advancing fundamental understanding of plasma/liquid interactions.
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Début de la thèse : 01/10/
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Financement d'un établissement public Français
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