Mars 2002 - n°66
Au cœur de la chimie des plasmas…
le L.E.I.C.A. nous ouvre ses portes sur le campus de Rouen – Mont Saint
Aignan
Laboratoire d’Electrochimie Interfaciale et de Chimie Analytique,
le LEICA est une entité de l’Université rouennaise, implantée
sur le campus de Rouen – Mont Saint Aignan (76).
Créé en 1990, héritier du Laboratoire d'Electrochimie
Organique et placé sous la direction du Professeur Jean-Louis BRISSET,
il se distingue par la spécialisation de ses recherches vers la chimie
des plasmas. Outre l’aspect théorique, c’est aux nombreuses
perspectives applicatives que le Laboratoire s’intéresse. Au
centre de ses travaux, plus précisément : l’approfondissement
des connaissances relatives aux espèces excitées par décharge
électrique.
Bienvenue dans l’univers des plasmas…
De l’étude des fluides non aqueux
et à celle de l’acidité des solides et des gaz
A travers l’histoire du LEICA et l’évolution de ses activités,
on perçoit l’expérience et le savoir-faire de son Directeur,
le Pr Jean-Louis BRISSET.
Electrochimiste de formation, M. BRISSET a tout d’abord exercé
plusieurs années au sein de l’Ecole Nationale Supérieure
de Chimie de Paris. Il y étudie la thermodynamique des solvants non
aqueux via les méthodes traditionnelles d’électrochimie,
puis élargit son champ d’investigation à la chimie de
coordination, avant de s’intéresser très précisément
à la chimie des plasmas.
En 1985, M. BRISSET rejoint l’équipe de Génie des Procédés
Plasmas de l’Ecole - premier laboratoire à avoir utilisé
la technique de décharge couronne pour mettre en évidence l’acidité
de Bronsted dans les solutions aqueuses. Se concrétise alors pour lui
l’opportunité d’étendre son expertise, de la chimie
des solvants non aqueux à celle des interfaces et à l’étude
de l’acidité des solides et des gaz, à travers les techniques
de mise en œuvre des plasmas.
Notons que les travaux conduits sur les plasmas étaient jusqu’alors
l’affaire des physiciens, des métallurgistes, des polyméristes…
mais plus rarement celle des chimistes. Parmi les premiers à se consacrer
au sujet, le Pr J.-L. BRISSET intègre ces axes de recherche novateurs,
dès son arrivée à Rouen en 1990, aux missions du Laboratoire
dont il se voit confier la direction : le L.E.I.C.A.
Une action dans la continuité pour M. BRISSET, mais un profond changement
pour le Laboratoire rouennais qui, au-delà de l’électrochimie
traditionnelle, découvre la chimie des plasmas : de la décharge
couronne à la technique de l’arc rampant.
Le point sur la chimie des plasmas
Rappelons que les plasmas, dits " 4ème état de la matière
", sont des systèmes statistiques globalement neutres, formés
d’un ensemble de particules chargées et neutres. Constituants
majeurs de l’Univers (soleil, nébuleuses, enveloppes stellaires…),
ils n’existent pourtant pas à l’état naturel sur
Terre, sauf foudre et feux de St-Elme.
Leur obtention en laboratoire passe nécessairement par la mise en œuvre
de techniques spécifiques permettant d’apporter suffisamment
d’énergie aux particules gazeuses pour leur arracher des électrons
et créer des états excités, caractéristiques du
plasma.
Parmi ces méthodes, deux en particulier ont été retenues
et précisément étudiées par le LEICA : la décharge
couronne, tout d’abord et, depuis 4-5 ans environ, l’arc rampant.
la décharge couronne :
Cette technique repose sur l’utilisation de deux conducteurs au rayon
de courbure distinct (par exemple, une pointe / un plan ; un fil / un plan
; deux cylindres co-axiaux…), portés à une différence
de potentiel de 2 à 30 kV.
" Autour de l’électrode de petit rayon de courbure,
une grande concentration de lignes de champs génère un échange
d’énergie important avec le milieu ambiant ", nous
décrit M. BRISSET. " Une lumineuse apparaît, caractéristique
du rayonnement électromagnétique induit par le retour des molécules
excitées à leur état initial… "
Méthode douce et peu onéreuse, la décharge couronne
révèle néanmoins certaines faiblesses du fait des temps
de contact relativement longs qu’elle nécessite. " Pour
passer outre ces limitations, nous nous sommes intéressés à
la technique de l’arc rampant ", poursuit Jean-Louis BRISSET.
l’arc rampant :
" Dans ce cas, l’arc électrique établi
entre deux électrodes divergentes est poussé par un flux gazeux
dirigé selon l’axe des électrodes ", explique-t-il.
" Lorsque l’arc éclate à l’extrémité
des électrodes, il donne naissance à un panache de plasma non
thermique et se trouve remplacé par un nouvel arc selon un processus
continu. "
La décharge électrique communique aux molécules gazeuses
une part de son énergie, créant ainsi des particules actives,
susceptibles de réagir avec une cible disposée en regard du
flux gazeux incident.
Soulignons que ces deux techniques - décharge couronne et arc rampant
– sont mises en œuvre à une pression proche de la pression
atmosphérique et à température ambiante. Selon le choix
du gaz plasmagène, diverses réactions peuvent être réalisées
et étudiées ; il est en particulier possible d’oxyder
des substances organiques dissoutes ou dispersées dans une cible liquide…
Ainsi, les applications de la chimie des plasmas ne cessent de se multiplier
: destruction des COV, traitement des eaux usées et traitement de surface,
études de vieillissement accéléré des produits
pharmaceutiques ou encore stérilisation des milieux biologiques.
Collaborations de recherche, coopérations
internationales et contrats industriels…
" Faire avancer la Science à partir de problèmes technologiques
" : telle a toujours été l’ambition du Pr Jean-Louis
BRISSET. Dès sa prise de fonction à la tête du LEICA,
il a établi le dialogue avec l’Industrie et signé ses
premiers contrats.
• " ALCATEL compte parmi les premières sociétés
à avoir fait appel à nos compétences ", nous
confie M. BRISSET. " Le problème posé était
celui de la corrosion de la silice utilisée dans les
fibres optiques des câblages de télécommunication transatlantiques
; la solution a été trouvée à travers la mise
au point d’un dispositif couronne permettant de rendre hydrophobe ces
fibres optiques ".
• De l’étude de la corrosion à la quantification
des réactions d’oxydo-réduction, il n’y avait qu’un
pas. Un pas que le LEICA franchit en appliquant la technique plasma à
l’oxydation des composés organiques présents en quantité
notable dans les liquides, autrement dit, à la dépollution
des effluents industriels.
Le LEICA développe alors d’étroites collaborations
avec plusieurs entités voisines de l’Université, en particulier
le CORIA (physique des plasmas; Pr. B.CHERON) et le Laboratoire des Risques
Chimiques et des Procédés (LRCP). Deux thèses à
caractère théorique sont tout d’abord conduites sur le
procédé de plasma inductif, basse pression.
" En 20 minutes de traitement, nous avons obtenu des oxydes de même
nature et de même épaisseur qu’en 24H, au four à
300°C ", se félicite M. BRISSET.
• Rapidement, d’autres relations sont initiées et plusieurs
partenariats signés.
C’est ainsi que, par le biais des contacts établis avec Novelect,
réseau de transfert technologique du groupe EDF, M. BRISSET engage
une collaboration nouvelle avec un laboratoire pharmaceutique. Objet de cet
accord : l’étude du vieillissement accéléré
de produits thérapeutiques par application de la technique de
décharge couronne.
• " C’est également Novelect qui nous a mis en
rapport avec d’autres sociétés préoccupées
par des problèmes de dépollution ",
ajoute le Pr BRISSET. " La molécule incriminée était
le tributylphosphate (TBP), composé utilisé
comme solvant d’extraction dans le nucléaire, particulièrement
difficile à éliminer… "
La décharge couronne, cette fois-ci, laisse transparaître
ses limites, et c’est la technique de l’arc rampant que le LEICA
utilise pour répondre aux besoins de l’industriel. Des résultats
particulièrement intéressants sont obtenus, tels que nous l’explique
M. BRISSET : " un abattement sensible et rapide de la Demande Chimique
en Oxygène (DCO) est enregistré, pouvant aller jusqu’à
la dégradation du polluant au stade du CO2 ".
Un brevet est déposé et de nombreuses applications complémentaires
se dessinent : du traitement de solvants purs à celui d’un grand
nombre de solutés, effluents industriels, riches en composés
organiques, issus de secteurs aussi variés que l’agroalimentaire,
la pharmacie et la cosmétique, la chimie et la pétrochimie,
l’industrie des peintures, des colorants ou du bois…
Notons que la technique de l’arc rampant demeure toujours aujourd’hui
au cœur des sujets de recherche du LEICA. De nouveaux contrats industriels
sont en gestation ; plusieurs coopérations internationales se poursuivent
dans le domaine de l’environnement, notamment avec la Roumanie, l’Algérie,
le Burkina-Faso ou encore le Cameroun et d’autres partenariats devraient
débuter prochainement, dont un programme européen coordonné
par l’Italie et consacré à la dépollution des gaz.
A noter enfin la sortie prochaine d’un Livre co-écrit par le
Pr BRISSET et publié aux Editions Tec&Doc Lavoisier, sous le titre
" Techniques électriques de mesure et de traitement des polluants
", un sujet qui, par l’originalité de son approche et les
technologies très prometteuses qu’il expose, présente
un fort impact industriel.
Contact :
LEICA, Laboratoire d’Electrochimie Interfaciale et de Chimie
Analytique
M. Jean-Louis BRISSET, Professeur