Le procédé de reformage thermo-catalytique (TCR®) développé et testé en collaboration entre la société MUEGGE et l’Institut Fraunhofer pour les Technologies de l’Environnement, de la Sécurité et de l’Energie (Fraunhofer UMSICHT) permet de produire du fuel gaz (méthane, éthane), du carbone pyrolytique et du carburant synthétique. L’eau industrielle utilisée dans le TCR® génère des eaux usées contaminées par des composés organiques comme l’acétonitrile, l’acide acétique, le phénol, la pyridine et les pyrroles. Pour que l’eau puisse être recyclée, ces composés organiques doivent être éliminés. Une technologie impliquant l’utilisation d’une torche plasma micro-ondes à pression atmosphérique de MUEGGE [1] a été appliquée pour la décontamination de l’eau de procédé.
1. Installation plasma micro-ondes à pression atmosphérique pour la décontamination de l'eau de procédé TCR®
La décontamination de l’eau de procédé TCR® a été réalisée par Fraunhofer UMSICHT en utilisant un plasma d’air à pression atmosphérique créé par une torche micro-ondes à 2,45 GHz de MUEGGE, voir Figure 1. Le traitement consiste à faire tourbillonner l’air comprimé dans l’eau à traiter suivi par l’injection du flux air-eau résultant via une buse venturi dans la torche plasma MUEGGE afin de former de minuscules gouttelettes d’eau usée dans l’air [2]. Plus les gouttelettes d’eau à traiter sont petites dans le flux d’air comprimé, plus la probabilité de dissociation complète des composés organiques dans le plasma micro-ondes est élevée. Le résultat souhaitable de ce procédé de décontamination par plasma à pression atmosphérique serait la conversion complète des composés organiques en vapeur d’eau et en dioxyde de carbone à la suite de leur dissociation et réaction avec les radicaux hydroxylés et oxygénés formés dans le plasma micro-ondes.
À la sortie du plasma d’air à 2,45 GHz, l’eau décontaminée peut être facilement récupérée par un refroidissement rapide, comme le montre la Figure 2.
Afin de démontrer l’efficacité de conversion des molécules organiques contenues dans les eaux usées par la technologie plasma micro-ondes à pression atmosphérique, Fraunhofer UMSICHT a testé le procédé plasma à l’échelle laboratoire en utilisant des solutions de 8,74 g d’éthanol et de 16,81 g d’acide acétique dans 1 l d’eau distillée.
2. Résultats de décontamination par plasma micro-ondes en utilisant une solution d'éthanol
Une solution de 8,74 g d’éthanol dans 1 l d’eau distillée a été injectée dans l’air comprimé ; le mélange air-eau ainsi formé a été introduit dans la torche plasma micro-ondes avec un débit total de 130 l/min, ce qui correspond à un débit ~65 ml/min de solution d’éthanol. Selon les résultats obtenus par Fraunhofer UMSICHT, l’éthanol dissous dans l’eau distillée a été réduit de 92 % après son passage dans le plasma d’air en utilisant 2 kW de puissance micro-ondes.
3. Résultats de décontamination par plasma micro-ondes en utilisant une solution d'acide acétique
Une solution de 16,81 g d’acide acétique dans 1 l d’eau distillée a été injectée dans l’air comprimé ; le mélange air-eau ainsi formé a été introduit dans la torche plasma micro-ondes avec un débit total de 130 l/min, ce qui correspond à un débit ~65 ml/min de solution d’acide acétique. Les mesures de la teneur en acide acétique dissous dans l’eau distillée ont montré une réduction de 88 % après son traitement dans le plasma d’air fonctionnant à 2 kW de puissance micro-ondes.
4. Conclusion : Décontamination performante et efficace de l'eau de procédé TCR® par un plasma micro-ondes à pression atmosphérique
Les résultats laboratoire ont montré une réduction de 92 % de l’éthanol et de 88 % de l’acide acétique en utilisant le plasma d’air à une puissance micro-ondes de 2 kW.
Ces résultats préliminaires sont très prometteurs pour la décontamination efficace des eaux usées issues des opérations chimiques TCR®. La possibilité de fonctionner à des niveaux de puissance micro-ondes plus élevés (par exemple, l’APS de 75 kW, 915 MHz de MUEGGE) permettra d’éliminer des quantités nettement plus importantes de contaminants organiques et de traiter des débits nettement plus élevés d’eau contaminée.
5. Bibliographie
[1] Müller, Robert and Gorath, Moritz, et al.: Atmospheric Pressure Plasma Source and Downstream Source: Characteristics and Industrial Applications, Invited Talk, Contributions to 56th Annual Microwave Power Symposium (IMPI 56), Savannah, Georgia (USA), June 14-16, 2022.
[2] Kaiser, Nadine: Behandlung von schwach kontaminierten Abwässern mittels Plasma-Technologie (Treatment of low-contaminated residual water using plasma technology), Bachelor’s Thesis, Technische Hochschule Nuremberg „Georg Simon Ohm“, August 4, 2021.
