Étude de l’utilisation d’une torche plasma micro-onde à la pression atmosphérique pour l’inactivation de bactéries

Study of the use of a microwave plasma torch at atmospheric pressure for the inactivation of bacteria

• Auteur / Autrice : Laura Renoux
• Direction : Christelle Tixier, Christophe Chazelas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Vincent Rat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Tendero
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Roualdes, Éric Robert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Désinfection

Escherichia coli

Oxyde de titane

Couches minces

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Spectroscopie d'émission optique à source plasma

Mots clés libres

Torche à Injection Axiale

Pression atmosphérique

Spectroscopie d’émission optique

Dioxyde de titane

Axial Injection Torch

Atmospheric pressure

Optical emission spectroscopy

PECVD

Thin films

Titanium dioxide

Disinfection

Escherichia coli

Résumé

La Torche à Injection Axiale (TIA) a été utilisée pour inactiver des micro-organismes sans effet thermique grâce aux espèces et aux UV du plasma. Pour compléter ce procédé d’inactivation, des couches minces de TiO2 aux propriétés photocatalytiques ont été élaborées par PECVD avec cette même source. En parallèle, une analyse du plasma par spectroscopie d’émission optique et la détermination de la température de surface du substrat ont été réalisées. Le plasma a été analysé sans et avec le précurseur de titane et avec un substrat dans l’axe de la décharge pour être le plus proche possible des conditions de dépôt. Les températures d’excitation et du gaz sont respectivement comprises entre 7000 à 9500 K et 2700 à 3700 K. Ces températures importantes produisent un transfert thermique vers le substrat. Suivant les conditions opératoires, les températures de surface du substrat mesurées sont comprises entre 110 à 320 °C. Des essais d’inactivation bactérienne par plasma ont été réalisés sur gélose afin d’évaluer l’effet des paramètres opératoires de la TIA sur l’efficacité du traitement. Les températures de surface mesurées ont pu être liées au diagramme de microstructure des couches minces de TiO2. Lorsque la température de surface du substrat augmente, la proportion de la phase rutile augmente également jusqu’à atteindre 30 % dans cette étude. Ce diagramme de microstructure a permis de sélectionner quelques dépôts pour en évaluer l’activité photocatalytique. La dégradation totale de l’acide stéarique, utilisé comme polluant, a été obtenue en 40 minutes. Le dépôt de TiO2 avec la plus grande activité photocatalytique a été utilisée pour couplé son action à la désinfection par plasma, 4,2 Log d’abattement ont ainsi pu être atteints.

The Axial Injection Torch has been used to inactivate microorganisms without thermal effect thanks to the species and UV of the plasma. In order to complete this inactivation process, TiO2 thin layers with photocatalytic properties were produced by PECVD using this same source. An analysis of the plasma by optical emission spectroscopy and the determination of the surface temperature of the substrate were carried out. The plasma was analysed with and without the titanium precursor, also with a substrate in the axis of the discharge to be as close as possible to the deposition conditions. The excitation and gas temperatures are respectively between 7000 to 9500 K and 2700 to 3700 K. These high temperatures produce heat transfer to the substrate. Depending on the operating conditions, the measured substrate surface temperatures are between 110 and 320°C. Bacterial inactivation tests by plasma were carried out on agar in order to evaluate the effect of the operating parameters of the TIA on the efficacy of the treatment. The surface temperatures measured could be linked to the microstructure diagram of the TiO2 thin layers. When the surface temperature of the substrate increases, the proportion of the rutile phase also increases up to 30% in this study. This microstructure diagram made it possible to select a few thin layers to evaluate their photocatalytic activity. The total degradation of stearic acid, used to simulate a pollutant, was reached in 40 minutes. The thin layer of TiO2 with the greatest photocatalytic activity was used to couple its action to plasma disinfection, 4.2 Log reduction could be achieved.