Plasmas hors équilibre

Le domaine de la physique des décharges et plus largement celui des plasmas trouvent des applications relevant de l’environnement et de la santé.

Dans le cas des décharges électriques pré-disruptives (plasma froid), le plasma est un milieu partiellement ionisé résultant des collisions inélastiques entre les atomes ou molécules de gaz et des électrons énergétiques (1-18 eV accélérés par un champ électrique imposé. Le gaz demeure à une température proche de l’ambiante. Des phénomènes d’avalanches électroniques interviennent localement, conduisant à la multiplication des porteurs de charges (ions et électrons) mais également à la production d’espèces électroniquement excitées, qui se relaxeront rapidement par mécanisme radiatif (émission d’un spectre de raies) ou plus lentement par voie collisionnelle (espèces métastables réactives dont la durée de vie dépend de la pression du gaz). Dans un gaz moléculaire, deux autres modes supplémentaires de stockage d’énergie interviennent : l’excitation rotationnelle (qui est impliquée rapidement dans les transferts de chaleur) et l’excitation vibrationnelle qui contribue, avec les états électroniquement excités, à la réactivité chimique du milieu.

Enfin, des phénomènes d’impact électronique dissociatif conduisent à la production d’atomes et de radicaux, qui seront les principales espèces responsables des cinétiques chimiques induites par les décharges. Ces propriétés peuvent être mises à profit pour satisfaire aux besoins de nombreuses applications. Ainsi, le choix du gaz plasmagène et de sa pression, du régime de décharge, du type d’alimentation électrique (en courant, en tension, en régime alternatif, impulsionnel ou continu), de la géométrie du jeu d’électrodes, des conditions dynamiques du flux gazeux, peuvent permettre de sélectionner les propriétés recherchées du plasma obtenu.

L’équipe s’est spécialisée dans les applications des plasmas froids obtenus à pression atmosphérique. Deux axes sont privilégiés :

  • - le traitement d’effluents gazeux,
  • - le traitement de surface.

Travaux récents et en cours

Dans le cadre du traitement d’effluents gazeux, les espèces radicalaires, atomiques et excitées produites par collision inélastique des électrons avec les molécules du gaz majoritaire (généralement de l’air) réagissent avec les polluants à faible concentration (50-5000 ppm). Dans le cas de polluants de type Composés Organiques Volatils (COV), des produits partiellement ou totalement oxydés sont obtenus. En vue de dégrader l’ozone produit et d’obtenir une sélectivité élevée en CO2, le couplage plasma-catalyse est une solution réaliste, notamment pour le traitement d’effluents de combustion automobile.

  • - Projet REMOVAL « Modélisation et validation expérimentale des réacteurs corona utilisés pour la dépollution des gaz » - (2012-2016) du programme ANR blanc édition 2012. Consortium : LAPLACE, GREMI et GeePs.
  • - Projet PECCOVAIR « Plasmas et Catalyseurs Optimisés pour le traitement de COV dans l'Air » - (2010-2012) du programme ANR Ecotech 2009. Consortium : EDF, LPGP, LACCO et SUPELEC.
  • - Thèse Nicolas Méricam-Bourdet (2008-2012) « Optimisation énergétique d’un réacteur plasma froid et de son alimentation électrique pour le traitement d’air » CIFRE EDF
  • - Projet STREP PAGODE « Post-treAtment for the next Generation of Diesel Engines » du 6ème PCRD (2006-2009). Consortium : PSA, Fiat-CRF, Institut Français du Pétrole, Johnson Matthey, Chalmers University, Aerosol & Particle Technology Laboratory CERTH/CPERI et SUPELEC.

Post-treAtment for the next Generation of Diesel Engines

Post-treAtment for the next Generation of Diesel Engines   Post-treAtment for the next Generation of Diesel Engines
Figure 2, 3 et 4 : Post-treAtment for the next Generation of Diesel Engines


En présence de vapeur d’eau, un produits très réactif est obtenu : le radical hydroxyle OH, qui sera d’intérêt pour l’oxydation avancée de COV en phase gazeuse, l’assistance de combustion par plasma ou encore le traitement de surface.

  • - Thèse : Florent Sainct (2010-2013) « Étude de la réactivité de décharges électriques nanosecondes à la pression atmosphérique dans la vapeur d’eau » codirection EM2C - SUPELEC


Dans le cadre de traitements de surface, les plasmas froids obtenus à pression atmosphérique sont étudiés pour la décontamination de surface. Au cours des quinze dernières années, l’utilisation des plasmas froids (basse pression et pression atmosphérique) pour applications biomédicale a été abordée, portant sur des microorganismes planctoniques (sous forme végétative ou sporulée) ; les travaux orientés sur le traitement de biofilms sont plus rares et de nombreuses questions scientifiques restent ouvertes, notamment les mécanismes de résistance des biofilms aux ROS (reactive oxygen species) et la mise en évidence de l’efficacité d’un procédé plasma sur la dégradation d’un biofilm dans des conditions « douces » pour les surfaces traitées. De plus, la géométrie de ces surfaces est également à prendre en compte. La géométrie tubulaire peut alors constituer un bon modèle pour les conduites d’endoscopes et de cathéters. Ce sont ces aspects que nous explorons.


   
  • - Thèse : Zuzana KOVALOVA (2012-2016), « Etude du traitement par plasma froid de surfaces contaminées par des biofilms » Cotutelle GeePs Université de Comenius (Slovaquie)

Production scientifique (2010-2015)