Développement d'un microréacteur plasma pour la synthèse chimique

Development of a plasma microreactor for chemical synthesis

• Auteur / Autrice : Mengxue Zhang
• Direction : Michaël Tatoulian, Christophe M Thomas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 22/11/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de chimie Paris
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Tabeling, Louis Fensterbank, Jean-Pascal Borra, Stéphanie Ognier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Duten, Franck Clément

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radicaux (chimie)

Microréacteurs chimiques

Mots clés libres

Plasma

Microréacteur

Radical

Transfert gaz-Liquide

Plasma

Microreactor

Gas-liquid transfer

Résumé

La manipulation d'espèces radicalaires de haute énergie dans des conditions expérimentales de sécurité, et qui permet la prédictibilité et l'efficacité des processus engagés demeure un défi en synthèse moléculaire. Pour relever ce défi et développer ainsi de nouvelles voies de synthèses plus propres, notamment en limitant le nombre d’étapes et la consommation en solvants et en catalyseurs, l’équipe Procédés, Plasma, Microsystèmes de Chimie ParisTech développe au sein de l’Institut Pierre-Gilles de Gennes des réacteurs plasma gaz-liquide micro-structurés. Dans cette thèse, des procédés de microfabrication ont été développés afin d’élaborer des microréacteurs diphasiques avec plasma intégré. Deux types de microréacteurs sont présentés dans cette thèse. Le premier type de réacteur utilise des géométries permettant de générer des micro-bulles dans un flux de liquide. Les résultats expérimentaux ont pu démontrer la formation d’un plasma au sein de ces systèmes. Cependant, le transfert des radicaux à l’interface reste assez faible selon une modélisation numérique. Un deuxième microréacteur contenant des cavités de gaz a été ensuite conçu. La phase gazeuse reste immobile tandis que la phase liquide progresse dans le microcanal. Le transfert de radicaux de la phase gazeuse vers la phase liquide a été mis en évidence (réaction de fluorescence), et la nature et quantité des radicaux ont été déterminées (réaction de spin-trapping). Ces résultats ont pu être confrontés à ceux d’une simulation numérique en utilisant le logiciel COMSOL Multiphysics.

Recently, organic synthesis by plasma technology is drawing more and more attention to chemists. The generation of a plasma leads to various reactive species (electrons, radicals, and positive and negative ions, etc.) which can therefore promote various chemical reactions. Engaging fewer reactions and catalysts and consuming less solvent, plasma-assisted reactions open up new and cleaner routes for organic synthesis. To control the selectivity of the radical reaction, it is necessary to precisely control the concentration of reactants and products, and be able therefore to inject or extract precisely chemical compounds in the reactive medium. As a consequence, microfluidics, known for its precise handling of fluid hydrodynamics, could be an ideal tool to control the reactivity of the radical species. In this study, a novel plasma-integrated microfluidics device has been developed with the objective to perform chemical synthesis. After a first step of electrode optimization and geometry optimization, a cavity plasma microreactor was conceived using rapid prototyping techniques. When the reactant is in the liquid phase, a key point is the radical transfer process from the plasma medium to the liquid phase. This transfer process was evaluated by means of electron paramagnetic resonance spectroscopy and fluorescence measurements. Experimental results show that the migration of various radical species (H and ∙OH) from gas to liquid phase was achieved. Moreover, the COMSOL numerical tool has also been employed to evaluate and assess both the radical transfer and plasma discharge processes in the microreactor.