Brevet FR2914558A1 — publié le 20081010

DISPOSITIF DE TRAITEMENT D'AIR PAR PHOTOCATALYSE EN COMPARTIMENT La présente invention concerne, de façon générale, le domaine du traitement de l'air par photocatalyse. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de traitement d'air par photocatalyse comprenant une enceinte de photocatalyse, au moins une première source de photons dans l'enceinte de photocatalyse, au moins une première paroi poreuse dopée avec un photocatalyseur, se trouvant dans l'enceinte de photocatalyse, et un moyen de ventilation qui définit un sens de circulation d'air d'au moins une première entrée d'air vers une sortie d'air, lesdites première entrée d'air et sortie d'air étant percées dans l'enceinte de photocatalyse. De tels dispositifs sont connus et commercialisés. Ainsi, on connaît des dispositifs incluant une ou plusieurs parois poreuses, dopées ou non, installées selon différentes configurations. Par exemple, un dispositif connu inclut une enceinte de photocatalyse qui contient au moins deux parois poreuses dopées, de part et d'autre de sources de photons. Les parois poreuses sont planes. L'air arrive perpendiculairement aux parois pour les traverser successivement. Les dispositifs de l'art antérieur donnent des résultats satisfaisants de qualité d'air en sortie de dispositif. Toutefois, la présente invention propose un dispositif dont l'efficacité de traitement de l'air est améliorée par rapport aux dispositifs connus. Le dispositif de l'invention est un dispositif de traitement d'air par photocatalyse comprenant une enceinte de photocatalyse, au moins une première source de photons dans l'enceinte de photocatalyse, au moins une première paroi poreuse dopée avec un photocatalyseur, se trouvant dans l'enceinte de photocatalyse, et un moyen de ventilation qui définit un sens de circulation d'air d'au moins une première entrée d'air vers une sortie d'air, lesdites première entrée d'air et sortie d'air étant percées dans l'enceinte de photocatalyse. Le dispositif est caractérisé en ce que la première paroi poreuse dopée entoure la première source de photons en formant un premier compartiment dans lequel débouche la première entrée d'air, la sortie d'air se trouvant hors de ce premier compartiment. L'invention présente l'avantage de proposer un dispositif dont l'efficacité est améliorée tout en conservant une fabrication simple et une mise en oeuvre aisée. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif comprend plusieurs parois poreuses dopées entourant chacune au moins une des sources de photons en formant chacune un compartiment dans lequel débouche une des entrées d'air percées dans l'enceinte de photocatalyse, la sortie d'air se trouvant hors de chacun des compartiments. Au moins la première paroi poreuse présente de préférence une section circulaire ou polygonale régulière. Au moins le premier compartiment présente de préférence un axe de symétrie au niveau duquel se trouve 25 une des sources de photons. De manière avantageuse, le dispositif selon l'invention inclut une enceinte de filtrage de l'air avant son entrée dans l'enceinte de photocatalyse, et un préfiltre se trouvant dans l'enceinte de filtrage, le 30 sens de circulation d'air étant défini, par le moyen de ventilation, d'une arrivée d'air percée dans l'enceinte de filtrage vers au moins la première entrée d'air, en passant par le préfiltre. Le photocatalyseur est avantageusement le dioxyde de 35 titane. Au moins une des sources de photons est préférentiellement une lampe à rayonnement UV-C. Au moins une des parois poreuses est par exemple en feutre. Le dispositif selon l'invention peut en outre comprendre un deuxième filtre, par exemple un filtre à 5 charbon actif, au niveau de la sortie d'air. D'autres caractéristiques l'invention ressortiront clairement détaillée qui en est faite ci-après, nullement limitatif, en référence 10 dans lesquels : la figure 1 représenteet avantages de de la description à titre indicatif et aux dessins annexés schématiquement un dispositif selon l'invention vu en coupe ; - la figure 2 représente schématiquement un dispositif selon l'invention vu en coupe perpendiculaire 15 à la coupe de la figure 1 ; les figures 3 et 4 représentent graphiquement les profils de disparition de polluants de l'air traité par un dispositif selon l'invention fonctionnant respectivement en débit minimum et en débit maximum. 20 Les caractéristiques communes aux figures 1 et 2 sont indiquées par la même référence numérique. La figure 1 montre un dispositif 1 de traitement d'air par photocatalyse. Ce dispositif 1 comprend une enceinte 2 de 25 photocatalyse, une première source 3 de photons, une première paroi poreuse 4 dopée avec un photocatalyseur, et un moyen 5 de ventilation. Ce moyen 5 de ventilation définit un sens de circulation d'air indiqué par les flèches, d'au moins une 30 première entrée 6 d'air vers une sortie 7 d'air. La première entrée 6 d'air et la sortie 7 d'air sont percées dans l'enceinte 2 de photocatalyse. La première source 3 de photons et la première paroi poreuse 4 dopée se trouvent dans l'enceinte 2 de 35 photocatalyse. La première paroi poreuse 4 dopée entoure la première source 3 de photons en formant un premier compartiment 8 dans lequel débouche la première entrée 6 d'air, la sortie 7 d'air se trouvant hors de ce premier compartiment 8. Selon une version avantageuse de l'invention, la première entrée 6 d'air peut être multiple et consister en plusieurs ouvertures percées dans l'enceinte 2 de photocatalyse et débouchant dans le premier compartiment 8, comme représenté à la figure 1. On peut également choisir un dispositif selon l'invention présentant plusieurs ouvertures pour la 10 sortie 7 d'air. A la figure 1 est représenté un mode de réalisation préférentiel de l'invention selon lequel plusieurs parois poreuses 4, 4' dopées entourent chacune une source 3, 3' de photons. 1.5 Les parois poreuses 4, 4' forment chacune un compartiment 8, 8' dans chacun desquels débouche une entrée multiple 6, 6' d'air. La sortie 7 d'air se trouve hors des compartiments 8, 8'. Chaque compartiment 8, 8' traverse l'enceinte 2 de 20 photocatalyse dans la largeur de celle-ci. Toujours selon l'invention, le compartiment peut traverser l'enceinte de photocatalyse dans toute dimension (largeur, longueur, hauteur ou profondeur) de celle-ci, en fonction de la forme de cette enceinte. 25 Les sources 3, 3' de photons occupent respectivement toute la longueur des compartiments 8, 8', ce qui permet une illumination optimale des parois poreuses 4, 4'. Selon l'invention, les sources de photons peuvent être constituées de plusieurs lampes. Dans ce cas, pour 30 conserver une illumination optimale des parois poreuses, on préfère que les lampes soient réparties régulièrement sur toute la plus grande dimension (largeur, longueur, hauteur ou profondeur) des compartiments. Le photocatalyseur est préférentiellement présent au 35 moins sur toute la surface des parois poreuses qui est tournée vers l'intérieur des compartiments, et est tout préférentiellement présent sur toute la surface et dans la masse des parois poreuses. On entend par photocatalyseur tout matériau catalyseur adapté à la photocatalyse, tel que les oxydes ou sulfures de métal, par exemple le dioxyde de titane TiO2, l'oxyde de zinc ZnO, l'oxyde cérique CeO2, l'oxyde de zirconium ZrO2, le dioxyde d'étain SnO2, le sulfure de cadmium CdS, ou le sulfure de zinc ZnS. De préférence, le photocatalyseur est le dioxyde de titane, notamment sous la forme cristallographique anatase. Le moyen 5 de ventilation, qui est par exemple un ventilateur aspirant, impose une entrée d'air dans les compartiments 8, 8'. L'air est ainsi en contact avec le photocatalyseur présent sur les parois poreuses 4, 4' et est soumis aux photons émis par les sources 3, 3'. Il subit une photocatalyse au sein des compartiments 8, 8'. Puis, il traverse les parois poreuses 4, 4' et est aspiré vers la sortie 7 d'air. Le dispositif de l'invention permet un temps de séjour de l'air au niveau de la zone où se déroulent les réactions de photocatalyse, augmenté par rapport à l'art antérieur. Pour une même surface de paroi poreuse et une même puissance, ou illumination, des sources de photons que dans un dispositif de l'art antérieur, le dispositif de l'invention permet d'obtenir un meilleur traitement de l'air. De préférence, les parois poreuses 4, 4' présentent une section circulaire ou polygonale régulière, tel que représenté à la figure 2. Tout préférentiellement, elles sont de section circulaire et les compartiments 8, 8' sont cylindriques. La paroi poreuse peut être à base de tout matériau poreux à l'air, adapté à recevoir le photocatalyseur. Par exemple, ce matériau poreux peut être du feutre ou du papier. On préfère le feutre, que l'on peut imprégner de photocatalyseur dans la masse, et que les rayons lumineux peuvent pénétrer dans la masse. Ainsi, les réactions de photocatalyse se font dans le volume du feutre et pas uniquement à sa surface. Le feutre présente une importante surface d'échange par rapport, par exemple, à un tissu en nid d'abeille. La paroi poreuse est par exemple un feutre aiguilleté de silice, préparé pour une utilisation en 5 photocatalyse, dopé au dioxyde de titane. Le feutre présente avantageusement une masse volumique comprise entre 80 et 100 grammes par mètre carré, dont par exemple 16 à 25 grammes par mètre carré de dioxyde de titane. Il présente de préférence une 10 épaisseur inférieure à 5 millimètres, et de manière avantageuse une surface spécifique comprise entre 100 et 140 mètres carré par gramme. La perte de charge de traversée d'une telle paroi poreuse est très faible. 15 En outre, le feutre utilisé présente avantageusement une grande pureté du substrat, qui est par exemple constitué de silice à au moins 99,99%. On préfère qu'au moins une source de photons se trouve en position centrale dans le compartiment afin que 20 l'illumination y soit homogène. Ainsi, il est avantageux que les sources 3, 3' de photons se trouvent sensiblement au niveau de l'axe de symétrie des compartiments 8, 8'. L'invention présente donc l'avantage de proposer un dispositif dans lequel la réaction de photocatalyse est 25 optimisée par rapport aux dispositifs de l'art antérieur, en ce que l'illumination par les sources de photons est utilisée de manière optimale. Les pertes de flux de photons, i.e. les photons n'atteignant pas une paroi alors pas à la préférentiellement une tout particulièrement lorsque le photocatalyseur est le dioxyde de titane, et plus préférentiellement une lampe à rayonnement 35 ultraviolet dont la longueur d'onde est comprise entre 100 et 400 nanomètres. On choisit avantageusement un rayonnement UV-C, plus énergétique. En particulier, l'action germicide sur l'air :30 poreuse dopée et ne participant photocatalyse, sont minimisées. La source de photons est lampe à rayonnement ultraviolet, du dispositif selon l'invention est meilleure avec un rayonnement UV-C, par exemple par rapport à un rayonnement UV-A. On parle de rayonnement UV-C pour un rayonnement 5 ultraviolet dont les longueurs d'onde sont comprises entre 100 et 280 nanomètres. Selon une version avantageuse de l'invention, le dispositif inclut en outre une enceinte 9 de filtrage de l'air avant son entrée dans l'enceinte 2 de 10 photocatalyse. Cette enceinte 9 de filtrage est équipée avantageusement d'un préfiltre 10 au travers duquel passe l'air arrivant par une arrivée 11 d'air percée dans l'enceinte 9 de filtrage. L'air est ensuite dirigé vers 15 au moins la première entrée 6 d'air, conformément au sens de circulation d'air défini par le moyen 5 de ventilation. L'enceinte de filtrage de l'air peut, selon la configuration du dispositif, âtre constituée d'une seule 20 chambre de filtrage ou de plusieurs chambres de filtrage incluant chacune un préfiltre. Le préfiltre est un filtre à air classique, par exemple du type G4. Le dispositif selon l'invention peut également 25 comprendre un deuxième filtre (non représenté) au niveau de la sortie 7 d'air de l'enceinte 2 de photocatalyse, de manière à ce que l'air quittant cette enceinte 2 traverse nécessairement ce deuxième filtre. Celui-ci est préférentiellement un filtre à charbon actif. Il permet 30 d'absorber_ d'éventuelles molécules organiques de faible poids moléculaire, notamment des sous-produits des réactions de photocatalyse formés en petite quantité, tels que des aldéhydes légers. Le dispositif de l'invention est utilisé pour 35 l'abattement des composés organiques volatils (COV), dans toute sorte de pièce intérieure. En quelques heures, le dispositif de l'invention permet un abattement quasi-total des COV présents dans une pièce. Les COV sont des composés organiques volatils par exemple issus de peinture, encre ou solvant. Les pièces traitées peuvent être celles de logements particuliers, ou celles de lieux publics tels que les hôtels, les restaurants, les maisons de retraite ou de repos, les hôpitaux, les salles d'attente de cabinets médicaux, etc. Le dispositif de traitement de l'air par photocatalyse selon l'invention permet une réduction des odeurs, par exemple de tabac ou de cuisine ou encore provenant de certains COV, et une action germicide, des bactéries dans l'air. Cette action germicide est propre aux systèmes photocatalytiques, les systèmes de traitement de l'air par filtration ne permettant que de piéger les bactéries et/ou virus au niveau d'un filtre, sans les détruire. Exemple Un dispositif selon l'invention, tel que celui schématisé à la figure 1, a été fabriqué pour traiter un débit d'air de l'ordre de 300 mètres cube par heure. Ce dispositif comprend une enceinte de photocatalyse parallélépipédique et deux chambres de filtrage accolées sur deux faces opposées de l'enceinte de photocatalyse. 1l inclut deux compartiments cylindriques de 100 millimètres de diamètre, délimités par du feutre. Les feutres sont dopés sur toute leur surface et dans leur masse avec du dioxyde de titane. Le feutre occupe une surface de 0,234 mètres carré. Chaque compartiment inclut une lampe UV-C de puissance égale à 60 watts. L'illumination par les lampes UV-C est de l'ordre de 18 millielatts par centimètre carré. La puissance totale du dispositif est de 160 watts. Les chambres de filtrage contiennent chacune un filtre G4. Un tel dispositif permet de réduire la vitesse de traversée des feutres par l'air, et ainsi d'obtenir une très faible perte de charge, par rapport aux solutions classiques de l'art antérieur. Des tests sont menés dans le but d'évaluer l'efficacité d'élimination d'un mélange de COV par un dispositif de photocatalyse selon l'invention. Le dispositif de photocatalyse est placé dans un bac fermé en plexiglass d'l mètre cube. Dans ce bac fermé, un mélange liquide de toluène, o- xylène, acétone, acétaldéhyde et heptane est introduit à travers un septum par l'intermédiaire d'une seringue dans un sabot de pesée en verre. Après évaporation, la concentration de ces différents composés dans le bac est de l'ordre de la partie par million en volume (ppmv). Les tests sont effectués pour deux débits d'air, en ventilation minimum, soit 250 mètres cube par heure, et en ventilation maximum, soit 350 mètres cube par heure. Le suivi de la concentration en dioxyde de carbone CO dans le bac se fait par un micro-GC. Le CO2 est issu de la dégradation des COV par photocatalyse. Les polluants sont analysés par un chromatographe en phase gazeuse muni d'un détecteur par photoionisation (PID). La présence éventuelle de sous-produits de dégradation dans la phase gazeuse est détectée par adsorption sur cartouche adsorbante pendant 20 minutes à un débit de 100 millilitres par minute. Cette adsorption sur cartouche est suivie par une analyse par désorption thermique, par chromatographie en phase gazeuse et détection par spectrométrie de masse. Les profils de disparition des polluants constituant le mélange de départ avec la ventilation minimum sont présentés au graphique de la figure 3. La figure 3 représente la concentration, en partie par milliard (ppb), des différents polluants : acétaldéhyde (losanges), acétone (carrés), heptane (triangles), o-xylène (croix) et toluène (cercles), en fonction du temps en minutes. Comme L'indique la flèche verticale, les lampes UV sont allumées au bout environ de 40 minutes après introduction du mélange liquide de polluants organiques dans le bac fermé. On constate que les cinq polluants disparaissent en environ 1 heure à partir de la mise en marche des lampes UV. Les profils de disparition des polluants constituant le mélange de départ avec la ventilation maximum sont 10 présentés au graphique de la figure 4. La figure 4 représente la concentration, en partie par million en volume (ppmv), des différents polluants : acétaldéhyde (losanges), acétone (carrés), heptane (triangles), o-xylène (croix) et toluène (cercles), en 15 fonction du temps en minutes. Les lampes UV sont allumées au bout environ de 40 minutes après introduction du mélange liquide de polluants organiques dans le bac fermé. On constate que, contrairement au test à ventilation 20 minimum, les cinq polluants ne disparaissent pas à la même vitesse. L'o-xylène disparaît en moins de 10 minutes. Le toluène disparaît en environ 15 minutes, et l'acétaldéhyde en environ 25 minutes. Après 40 minutes de fonctionnement du dispositif de 25 photocatalyse, tous les polluants ont disparu. Les résultats des analyses sur cartouche adsorbante indiquent la présence d'autres molécules que les polluants introduits, à très faible concentration en début de test. Ces autres molécules disparaissent avec le 30 temps et aucun autre pic n'apparaît sur les chromatogrammes en phase gazeuse, ce qui signifie qu'aucun produit intermédiaire n'est formé à partir de ces autres molécules, sauf peutêtre des aldéhydes légers qui ne peuvent pas être mis en évidence par cette 35 analyse. Le dispositif de photocatalyse testé présente donc une bonne minéralisation des polluants, avec une formation minimale, voire organiques. nulle, de sous-produits REVENDICATIONS 1. Dispositif de traitement d'air par photocatalyse comprenant une enceinte (2) de photocatalyse, au moins une première source (3) de photons dans l'enceinte (2) de photocatalyse, au moins une première paroi poreuse (4) dopée avec un photocatalyseur, se trouvant dans l'enceinte (2) de 10 photocatalyse, et un moyen (5) de ventilation qui définit un sens de circulation d'air d'au moins une première entrée (6) d'air vers une sortie (7) d'air, lesdites première entrée (6) d'air et sortie (7) d'air étant percées dans 15 l'enceinte (2) de photocatalyse, ledit dispositif (1) étant caractérisé en ce que la première paroi poreuse (4) dopée entoure la première source (3) de photons en formant un premier compartiment (8) dans lequel débouche la première entrée (6) d'air, la 20 sortie (7) d'air se trouvant hors de ce premier compartiment (8). 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant plusieurs parois poreuses (4, 4') dopées entourant chacune au moins une des sources (3, 3') de photons en 25 formant chacune un compartiment (8, 8') dans lequel débouche une des entrées (6, 6') d'air percées dans l'enceinte (2) de photocatalyse, la sortie (7) d'air se trouvant hors de chacun des compartiments (8, 8'). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans 30 lequel au moins la première paroi poreuse (4) présente une section circulaire ou polygonale régulière. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications i à 3, dans lequel au moins le premier compartiment (8) présente un axe de symétrie au niveau 35 duquel se trouve une des sources de photons. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, incluant en outre une enceinte (9) de filtrage de l'air avant son entrée dans l'enceinte (2) de photocatalyse, et un préfiltre (10) se trouvant dans l'enceinte (9) de filtrage, le sens de circulation d'air étant défini, par le moyen (5) de ventilation, d'une arrivée (11) d'air percée dans l'enceinte (9) de filtrage vers au moins la première entrée (6) d'air, en passant par le préfiltre (10). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le photocatalyseur est le dicxyde de titane. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendicaticns 1 à 6, dans lequel au moins une des sources (3, 3') de photons est une lampe à rayonnement UV-C. 8. Dispositif selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 7, dans lequel au moins une des parois poreuses (4, 4') est en feutre. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant un deuxième filtre, par exemple un filtre à charbon actif, au niveau de la sortie 20 (7) d'air.