Dégradation en milieu liquide de polystyrène solide par décharges électriques dans l’air en contact avec l’eau

Abstract

Les plasmas de décharges électriques qui entrent en contact avec des liquides ont suscité beaucoup d'attention depuis une cinquantaine d’années. En effet, les décharges avec des liquides se caractérisent par une réactivité chimique importante. Afin d’optimiser cette réactivité, de nombreuses études ont été effectuées en fonction de différents paramètres, tels que la configuration géométrique d’électrode, la composition du gaz, l’alimentation électrique (polarité, amplitude et fréquence), etc. Les travaux de recherche sur le traitement de l'eau par plasma et les applications environnementales ont débuté il y a plusieurs années. Plus récemment, la pollution par le plastique dans l’environnement marin et terrestre a créé un nouveau domaine d’applications des plasmas, en particulier ceux qui sont couplés avec un milieu liquide.

Dans ce mémoire de maîtrise, les décharges en milieu liquide sont appliquées à la dégradation de polystyrène (PS) solide dans l’eau. Le point de départ de cette étude a été la réalisation d’un montage pointe - pointe : l’électrode de masse est immergée dans de l’eau déionisée et l’électrode de haute tension se trouve au-dessus de la phase liquide. Le PS se situe à l’interface air/eau. Une étude paramétrique est effectuée afin d’établir les paramètres optimaux pour la dégradation, en particulier la fréquence de répétition des décharges pour des valeurs entre 2 et 10 kHz. Pour ce faire, l’étude des caractéristiques électriques ainsi qu’optiques de chaque décharge permet de suivre ses propriétés au cours du traitement et de les coupler à la perte de masse de PS. À partir de ces données, il est possible de mettre en évidence un changement de régime de décharge à haute fréquence (10 kHz) : transition d’un streamer à un spark. De ce fait, il a été possible d’établir le rôle potentiel de chaque régime (streamer à spark) dans la dégradation du PS. Cette étude a permis de proposer un mécanisme de dégradation du polystyrène. Ainsi, nous avons trouvé qu’à 10 kHz, la dégradation du PS était maximisée avec une réduction de la masse de 83%, tandis qu’elle est de 50% à 5 kHz après traitement par un nombre de décharges équivalent. La caractérisation par FTIR du PS a montré que sa composition chimique ne change pas pendant la dégradation. Cependant, l’analyse de l’eau par résonance magnétique nucléaire a permis d’identifier la présence d’une faible quantité d’éthylbenzène comme sous-produit de dégradation.

Les résultats présentés dans ce mémoire représentent une contribution à la compréhension de la dégradation de plastique par décharges électriques en milieu liquide.

Electric discharge plasmas that come into contact with liquids have attracted a great deal of attention over the last fifty years. Indeed, discharges with liquids are characterized by significant chemical reactivity. In order to optimize this reactivity, numerous studies have been carried out in relation to various parameters, such as electrode geometry, gas composition, power supply (polarity, amplitude and frequency), and so on. Research into plasma water treatment and environmental applications began several years ago. More recently, plastic pollution in the marine and terrestrial environment has created a new field of applications for plasmas, particularly those coupled with a liquid. In this master's thesis, liquid discharges are applied to the degradation of solid polystyrene (PS) in water. The starting point for this study was the realization of a tip-to-tip set-up. The ground electrode is immersed in deionized water, and the high-voltage electrode is above the liquid phase. The PS is located at the air/water interface. A parametric study is carried out to establish the optimum parameters for degradation, in particular the discharge repetition frequency for values between 2 and 10 kHz. The study of the electrical and optical characteristics of each discharge makes it possible to monitor its properties during processing, and to couple them to the mass loss of the PS. From these data, it is possible to highlight a change in discharge regime at high frequency (10 kHz): transition from streamer to spark. As a result, it was possible to establish the potential role of each regime (streamer to spark) in PS degradation. This study enabled us to determine the degradation mechanisms of polystyrene. We found that PS degradation was maximized at 10 kHz, with a mass reduction of 83%, while it was 50% at 5 kHz after treatment with an equivalent number of discharges. FTIR characterization of the PS showed that its chemical composition did not change during degradation. However, nuclear magnetic resonance analysis of the water identified the presence of a small amount of ethylbenzene as a degradation by-product. The results presented in this thesis represent a contribution to the understanding of plastic degradation by electrical discharges in liquid systems.