Etude de l’impact de la pollution sur un système de stockage thermochimique à adsorption

The operating principle of adsorption storage is to store the excess of solar energy available in summer by drying an adsorbent (endothermic phenomenon). The energy is then released during winter by adsorbing water from humid air into the adsorbent (exothermic phenomenon). Such a system can then be integrated into air handling units to preheat the fresh and cold air that, once injected inside the building, can heat it up and renew the internal air. The present study focuses on the possible interactions between the air pollutants and a commonly used adsorbent, zeolite. Indeed, it can be expected that pollutants might compete with water adsorption thus poisoning the adsorbent. Such phenomena can decrease the sustainability of the process, due to the necessity to replace more often the adsorbent.An experimental set up was then built to study the water adsorption/desorption cycles in presence of the pollutants. Each cycle consisted in an adsorption step at ambient temperature (representing the winter phase) and in a desorption step at high temperature (160°C; summer phase). Five representative atmospheric pollutants were selected for the study: toluene, styrene and hexaldehyde.Zeolite presented high adsorption capacities for the selected compounds (19%, 32%, and 41% in weighing for toluene, styrene and hexaldehyde respectively). From the analysis of the breakthrough curves a complex adsorption mechanism (simultaneous adsorption of water and pollutants) could be observed (e.g. rollover phenomena). Desorption capacity and structural changes have been also investigated by GC-FID (GasCromatography-Flame Ionisation Detector), N2-adsorption at -196 °C, SEM (Scanning Electron Microscopy), XPS (X-ray photoelectron spectrometry). The first obtained results indicate that poisoning phenomenon takeover, especially in the presence of styrene.In a second step, a model of energy and mass transfer made it possible to simulate the operation of the prototype. Several equilibrium model and transfer type from the literature were tested. The macro porous and microspores transfer is the most efficient. For the isothermal, it is the BET modified model that is the most efficient for water and the generalised Langmuir model for pollutants. At the end of the study a model with the consideration of the degradation of the process is proposed.Le stockage par adsorption consiste à stocker l’excès d’énergie solaire disponible en été grâce au séchage d’un adsorbant microporeux (phénomène endothermique). L’énergie est ensuite libérée pendant l’hiver en adsorbant l’eau de l’air humide dans l’adsorbant (phénomène exothermique). Un tel système peut être intégré dans des centrales de traitement d’air pour préchauffer l’air frais avant de rentrer dans le bâtiment, et ainsi chauffer l’habitat. La présente étude porte particulièrement sur les interactions possibles entre les polluants atmosphériques, tels que les composés organiques volatils (COV), et un adsorbant couramment utilisé, la zéolithe. En effet, les polluants sont susceptibles de concurrencer l’adsorption de l’eau et d’empoisonner l’adsorbant. De tels phénomènes conduiraient à réduire la durabilité du processus sur de longues périodes de fonctionnement représentatives de la durée de vie d’une habitation. Un empoisonnement important engendrerait un surcout du procédé dû au remplacement de l’adsorbant ; le procédé pourrait alors ne plus être compétitif face aux autres technologies disponibles.L’étude expérimentale consiste à réaliser des cycles d’adsorption/désorption de l’eau en présence des polluants. Chaque cycle comporte une étape d’adsorption à température ambiante (~ 25°C) représentant la phase hivernale, suivie d’une étape de désorption à haute température (165°C), représentant la phase estivale). Trois polluants atmosphériques (le toluène, le styrène et l’hexanal) sont sélectionnés et servent de molécules modèles.Trois zéolithes (13X, 13X imprégnée et ZSM5), présentant des capacités d’adsorption élevées pour ces trois composés modèles, sont étudiées en adsorption mono-composé (eau ou COV) puis en coadsorption (eau et COV). En coadsorption, quel que soit le composé, les courbes de percée révèlent un mécanisme d’adsorption complexe, de type roll-over, traduisant la compétition entre l’eau et le composé modèle. Dans le cas du styrène et de l’hexanal, le cyclage intensif, mené sur 33 cycles, met en évidence une diminution significative des quantités d’eau et de COV adsorbées/désorbées. Différentes techniques analytiques sont mises en oeuvre pour caractériser la zéolithe au cours du cyclage : isotherme d’adsorption de N2 à -196°C, MED (microscopie électronique à balayage), ATG (analyse thermogravimétrique), etc. Les résultats confirment les phénomènes d’empoisonnement, et notamment le dépôt de polystyrène sur les échantillons ayant subi un grand nombre de cycles.Un modèle de transfert couplé, énergie et matière, est proposé pour simuler le comportement des réacteurs. Plusieurs modèles d’équilibre et de type de transfert de la littérature ont été confrontés. Le modèle prenant en compte les transferts macroporeux et microporeux décrit le mieux les résultats expérimentaux. Les isothermes d’équilibre sont représentées par le modèle de BET modifié pour l’eau et Langmuir généralisé pour les composés modèles. À la fin de cette étude, un modèle incluant les concentrations de polluants dans l’air est proposé pour prendre en compte les dégradations du système de stockage thermique