FR3043567A1 - Dispositif de depollution d’air a materiau(x) adsorbant(s) desorbant a temperature elevee, pour un vehicule. - Google Patents

Abstract

Un dispositif de dépollution d'air (DD) équipe un véhicule (V) comprenant un habitacle (H), et comprend au moins un filtre (FP) comportant au moins un matériau adsorbant propre à adsorber au moins un polluant contenu dans un flux d'air entrant. Ce matériau adsorbant est propre à commencer à désorber le polluant adsorbé lorsque la température du flux d'air entrant devient supérieure à un premier seuil modulable, compris entre 40°C et 120°C.

Description

DISPOSITIF DE DÉPOLLUTION D’AIR À MATÉRIAU(X) ADSORBANT(S) DÉSORBANT À TEMPÉRATURE ÉLEVÉE, POUR UN VÉHICULE L’invention concerne les dispositifs qui sont chargés de dépolluer de l’air devant alimenter un habitacle de véhicule. L’air qui alimente l’habitacle d’un véhicule provient de l’extérieur de ce dernier et/ou de l’intérieur. Il est donc fréquemment pollué par des polluants, tels que des poussières (de tailles importantes), des particules fines (par exemple de type PM10, PM2,5 et PM1), et des gaz (par exemple des oxydes d’azote (ou NOx), du monoxyde de carbone (ou CO) ou des composés organiques volatils (ou COVs) (comme par exemple de l’acétaldéhyde ou du toluène)).

Afin de dépolluer l’air qui alimente leur habitacle, certains véhicules, généralement de type automobile, comprennent au moins un dispositif de dépollution qui peut soit faire partie d’une installation de traitement d’air (comme par exemple une installation de chauffage et/ou climatisation), soit être un équipement fonctionnant indépendamment d’une telle installation de traitement d’air.

Certains de ces dispositifs de dépollution comprennent au moins un filtre comportant au moins un matériau adsorbant qui est propre à adsorber au moins un polluant contenu dans un flux d’air entrant à dépolluer. Par exemple, ils comprennent un filtre à pollens (pour filtrer les éléments solides en suspension dans l’air (poussières et pollens)) et/ou un filtre à polluants gazeux.

Selon les véhicules, le filtre est positionné dans l’auvent ou dans l’installation de chauffage et/ou climatisation (ou HVAC (« Heating Ventilation and Air Conditionning »)). Ce dernier positionnement permet avantageusement de traiter l’air recirculé (provenant de l’habitacle). On notera qu’il existe également des véhicules dans lesquels le filtre est positionné à l’intérieur de l’habitacle, par exemple dans l’accoudoir central qui est situé entre les sièges des passagers avant, et est généralement alimenté par un pulseur placé en amont.

Les filtres à polluants gazeux comprennent un matériau adsorbant, généralement des charbons actifs. Ces derniers sont constitués d’un assemblage de cristallites de graphite et sont obtenus par carbonisation de matière carbonée, comme par exemple de la tourbe, du bois ou une coque de noix de coco. Les charbons actifs sont très souvent utilisés car ils présentent plusieurs avantages, et notamment une grande surface spécifique, une forte capacité d’adsorption et un coût réduit. Cependant, ils perdent en efficacité au cours du temps du fait de leur saturation rapide, ne présentent pas une même capacité d’adsorption pour tous les COVs, et peuvent commencer à désorber spontanément les polluants adsorbés lorsque la température de l’air est supérieure à environ 25 °C. Ce dernier inconvénient limite notablement, voire empêche, l’implantation de leur filtre à l’intérieur de l’habitacle (notamment sous le pavillon (ou toit)) ou à proximité d’une source de chaleur (par exemple de l’installation de chauffage et/ou climatisation).

Il est également possible d’utiliser des zéolithes à la place des charbons actifs. Ces zéolithes sont des cristaux formés d’un squelette microporeux d’aluminosilicate et présentant un fort potentiel d’adsorption lié à leur surface spécifique et à la taille de leurs pores (< 13 Â). Cependant, le coût de la synthèse de ces zéolithes synthétiques est souvent élevé, et elles peuvent nécessiter une température de régénération très élevée (typiquement supérieure à 350°C). L’invention a donc notamment pour but d’améliorer la situation.

Elle propose notamment à cet effet un dispositif de dépollution d’air, destiné à équiper un véhicule comprenant un habitacle, et comprenant au moins un filtre comportant au moins un matériau adsorbant propre à adsorber au moins un polluant contenu dans un flux d’air entrant.

Ce dispositif se caractérise par le fait que le (chaque) matériau adsorbant est propre à commencer à désorber le polluant adsorbé lorsqu’une température du flux d’air entrant devient supérieure à un premier seuil modulable, compris entre 40°C et 120°C. L’utilisation d’un tel (de tels) matériau(x) adsorbant(s) permet très avantageusement de favoriser la cinétique d’adsorption et d’éviter que chaque polluant adsorbé se désorbe automatiquement lorsqu’il est exposé à une forte chaleur. Par conséquent, on peut éventuellement choisir le matériau adsorbant du filtre pour qu’il puisse être implanté en des endroits du véhicule qui sont susceptibles d’être exposés à de fortes températures (par exemple comprises entre +40°C et +120°C).

Le dispositif de dépollution d’air selon l’invention peut comporter d’autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : - le (chaque) matériau adsorbant peut présenter une capacité de stockage sans fuite du (de chaque) polluant adsorbé à une température ambiante comprise entre 15°C et 25°C. On entend ici par « opacité de stockage sans fuite >> la capacité du matériau, lorsque qu’il est traversé par un flux d’air en présence d’un ou plusieurs polluants à adsorber 100% du ou des polluants à traiter, en un seul passage, avant saturation du filtre. Il est rappelé que certains matériaux adsorbants comme les charbons actifs ne retiennent pas la totalité du ou des polluants même avant saturation du matériau et à température ambiante ; - le matériau adsorbant peut également présenter une capacité de régénération en désorbant le polluant préalablement adsorbé sans modification de sa nature chimique, à partir d’un second seuil de température qui est supérieur ou égal à 80°C (on pale alors de régénération par désorption) ; > il peut comprendre un boîtier logeant le (chaque) filtre et comprenant, d’une part, une paroi diathermique propre à être couplée à un premier conduit dans lequel circule un fluide ayant une température supérieure ou égale au second seuil de température, et, d’autre part, une sortie auxiliaire à accès contrôlé, située en aval du filtre et propre à être couplée à un second conduit destiné à évacuer hors du boîtier et d’un habitacle du véhicule le fluide contenant le polluant désorbé du filtre ; • par exemple, ce fluide peut être du gaz prélevé dans un circuit d’évacuation de gaz d’échappement du véhicule, ou bien un fluide de refroidissement prélevé dans un circuit de refroidissement d’un moteur de propulsion du véhicule ; - le (chaque) matériau adsorbant peut être également propre à détruire partiellement ou totalement le ou les polluants adsorbés par réaction d’oxydation en générant des produits non nocifs lorsqu’une température devient supérieure à un troisième seuil modulable, compris entre la température ambiante et 300°C, et de préférence ente 150 et 200°C ; > il peut comprendre un boîtier logeant le (chaque) filtre et comprenant, d’une part, une paroi diathermique propre à être couplée à un premier conduit dans lequel circule un fluide ayant une température supérieure au troisième seuil de température, et, d’autre part, une sortie auxiliaire à accès contrôlé, située en aval du filtre et propre à être couplée à un second conduit destiné à évacuer hors du boîtier (et par exemple dans l’habitacle du véhicule ou à l’extérieur du véhicule) les produits non nocifs générés par oxydation (par exemple du gaz carbonique et de l’eau) ; • par exemple, ce fluide peut être du gaz prélevé dans un circuit d’évacuation de gaz d’échappement du véhicule, ou bien un fluide de refroidissement prélevé dans un circuit de refroidissement d’un moteur de propulsion du véhicule ; - le matériau adsorbant peut être une zéolithe ou un matériau poreux cristallin hybride comprenant des éléments inorganiques et des ligands organiques connectés par des liaisons fortes, plus connu sous l’acronyme MOF (« Metal-Organic Framework ») ou PCP (« Porous Coordination Polymer ») ; > le matériau adsorbant peut, par exemple, être choisi parmi les zéolithes que sont (au moins) ZSM-5 (ou MFI), la faujasite, la mordenite, la ferrierite, la chabbasite, la SUZ-4, la heulandite, la brewsterite, l’epistilbite, la goosecreekite, la montesommaite, la ERS-7, et la EU-1, dopées ou non dopées au fer ou au cuivre, parmi les MOFs que sont (au moins) le 3,3’,5,5’-azobenzènetétracarboxylate de fer, le trimesate de fer, le fumarate d’aluminium, l’amino-téréphtalate de titane, le téréphtalate de zirconium, éventuellement dopé au cérium, le téréphtalate de chrome dopé au palladium, le 1,3,5-benzenetribenzoate de zinc dopé au platine, et le dicarboxylate de titane, parmi les versions fonctionnalisées et/ou substituées de ces derniers, ainsi que parmi les mélanges d’au moins deux de ces derniers ; - le filtre peut comprendre au moins un matériau adsorbant complémentaire propre à adsorber au moins un autre polluant contenu dans le flux d’air entrant ; - le matériau adsorbant peut être un matériau hydrophobe ou peut être enduit sur une couche extérieure amont (par rapport au sens de circulation du flux d’air) d’un matériau hydrophobe, et/ou le filtre peut comprendre en amont du matériau adsorbant au moins un matériau plus hydrophile que ce matériau adsorbant. L’invention propose également un véhicule, éventuellement de type automobile, et comprenant un habitacle alimenté en air et au moins un dispositif de dépollution d’air du type de celui présenté ci-avant. L’invention propose également une installation de traitement d’air, destinée à équiper un véhicule comprenant un habitacle alimenté en air, et comprenant au moins un dispositif de dépollution d’air du type de celui présenté ci-avant. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement et fonctionnellement un exemple de véhicule automobile comprenant un exemple de réalisation d’un dispositif de dépollution d’air selon l’invention, - la figure 2 illustre schématiquement et fonctionnellement une partie du dispositif de dépollution d’air de la figure 1, dans une configuration adaptée au traitement d’air (dépollution), et - la figure 3 illustre schématiquement et fonctionnellement une partie du dispositif de dépollution d’air de la figure 1, dans une configuration adaptée à la désorption de polluant(s). L’invention a notamment pour but de proposer un dispositif de dépollution d’air DD destiné à équiper un véhicule V comprenant au moins un habitacle H.

Dans ce qui suit, on considère, à titre d’exemple non limitatif, que le véhicule V est de type automobile. Il s’agit par exemple d’une voiture. Mais l’invention n’est pas limitée à ce type de véhicule. Elle concerne en effet tout type de véhicule, terrestre, maritime (ou fluvial), ou aérien.

On a schématiquement et fonctionnellement représenté sur la figure 1, un exemple de véhicule V comprenant un habitacle H et un exemple de réalisation d’un dispositif de dépollution d’air DD selon l’invention.

Dans l’exemple illustré non limitativement sur la figure 1, le dispositif de dépollution d’air DD est un équipement dédié à la dépollution de l’air de l’habitacle H du véhicule V. Cet équipement est, ici, indépendant d’une éventuelle installation de chauffage/climatisation que peut comprendre le véhicule V pour alimenter son habitacle H en air traité. Il est rappelé qu’une telle installation de chauffage/climatisation comprend généralement un pulseur (alimenté en air extérieur et/ou en air intérieur), une boucle froide (ou boucle de climatisation), une boucle chaude (ou boucle de chauffage), un volet d’alimentation, un volet de mixage et des volets de distribution, ainsi qu’éventuellement au moins un filtre.

Mais dans une variante de réalisation non illustrée, le dispositif de dépollution d’air DD pourrait faire partie d’une installation de traitement d’air du véhicule V, comme par exemple une installation de chauffage/climatisation.

Comme illustré sur les figures 1 à 3, un dispositif de dépollution d’air DD, selon l’invention, comprend au moins un filtre FP comportant au moins un matériau adsorbant qui est propre à adsorber au moins un polluant (ou espèce chimique) contenu(e) dans un flux d’air entrant (flèche F1 de la figure 2).

Ce matériau adsorbant est propre à commencer à désorber le (chaque) polluant adsorbé lorsque la température du flux d’air entrant F1 devient supérieure à un premier seuil qui est modulable et compris entre 40°C et 120°C.

Grâce aux propriétés physico-chimiques d’un tel (de tels) matériau(x) adsorbant(s), chaque polluant adsorbé ne peut se désorber automatiquement que lorsqu’il est exposé à une forte chaleur. Cela permet une implantation du filtre en différents endroits du véhicule V où peuvent parfois, ou en permanence, régner de fortes températures (typiquement comprises entre +40°C et +120°C). C’est par exemple le cas à l’intéieur de l’habitacle H du véhicule V, par exemple du fait d’une exposition au soleil, ou bien à proximité d’une source de chaleur (par exemple de l’installation de chauffage et/ou climatisation).

On notera que le matériau adsorbant peut, également mais éventuellement, présenter une capacité de stockage sans fuite du (de chaque) polluant adsorbé à une température ambiante comprise entre 15°C et 25 °C. Il est rappelé que l’on entend ici par « capacité de stockage sans fuite >> la capacité du matériau, lorsque qu’il est traversé par un flux d’air comprenant un ou plusieurs polluants, à adsorber 100% du ou des polluants à traiter, en un seul passage, avant saturation du filtre. Il est rappelé que certains matériaux adsorbants comme les charbons actifs ne retiennent pas la totalité du ou des polluants même avant saturation du matériau et à température ambiante.

Dans l’exemple illustré non limitativement sur les figures 1 à 3, le dispositif de dépollution d’air DD comprend un filtre FP installé dans un boîtier BF qui est lui-même installé dans l’habitacle H, et plus précisément solidarisé fixement au pavillon (ou toit) du côté intérieur.

Mais le/chaque filtre FP pourrait, par exemple, être installé dans une console centrale (ou un accoudoir central) implanté(e) entre les sièges avant du véhicule, ou sous les sièges avant, ou dans une boîte à gants, ou dans un vide-poches, ou sur la planche (ou tablette) arrière, ou derrière la planche de bord, ou encore dans le compartiment moteur, éventuellement à côté d’un, ou dans un échangeur thermique dans lequel circule un fluide chaud.

On notera que dans l’exemple illustré non limitativement sur les figures le dispositif de dépollution d’air DD comprend un pulseur PU alimenté en flux d’air entrant issu de l’intérieur de l’habitacle Fl (flèche F1 de la figure 2) et alimentant le filtre FP. Le boîtier BF comprend donc une entrée permettant au flux d’air entrant F1 d’alimenter le pulseur PU et une sortie permettant au flux d’air F2 traité par le filtre FP de rejoindre l’habitacle Fl au moins partiellement dépollué.

Le fonctionnement de ce pulseur PU est contrôlé par des moyens de contrôle MC qui sont, par exemple, implantés dans un calculateur CA, dédié ou non. Ce contrôle peut se faire, par exemple, en fonction de mesures effectuées par un capteur analysant la pollution de l’air dans l’habitacle Fl, et plus précisément la proportion (ou quantité) d’au moins un polluant devant être adsorbé par le filtre FP, et/ou d’une commande fournie par un passager du véhicule V au moyen d’un organe de commande ou d’une sélection d’option de dépollution dans un menu affiché sur un écran (par exemple celui du combiné central). On notera que ce contrôle peut également se faire par le calcul d’une estimation du temps de saturation à partir des taux moyen et maximum de pollution dans l’habitacle et de la durée d’utilisation du filtre FP, en conservant une marge d’incertitude suffisante pour ne pas dépasser la saturation.

Ces moyens de contrôle MC peuvent être réalisés sous la forme de modules logiciels (ou informatiques ou encore « software >>), ou bien d’une combinaison de circuits électroniques (ou « hardware >>) et de modules logiciels.

On notera qu’il peut être avantageux dans certaines applications que le/chaque matériau adsorbant présente également une capacité de régénération par désorption de polluant préalablement adsorbé à partir d’un second seuil de température supérieur ou égal à 80°C. Cela permet en effet de réaliser de temps en temps des cycles destinés à désorber partiellement, voire totalement, les polluants adsorbés dans le filtre FP. Chaque cycle peut être déclenché périodiquement par les moyens de contrôle MC en fonction d’une période programmée et/ou d’une détection d’un dépassement d’un seuil prédéfini de saturation du matériau adsorbant, ou bien par une commande fournie par un passager du véhicule V au moyen d’un organe de commande ou d’une sélection d’option de régénération (par désorption) dans un menu affiché sur un écran (par exemple celui du combiné central).

Plusieurs solutions peuvent être envisagées pour réaliser la régénération par désorption précitée. L’une de ces solutions est illustrée sur les figures 2 et 3. Elle consiste à prévoir dans le boîtier BF qui loge le filtre FP une paroi diathermique et une sortie auxiliaire SA à accès contrôlé. Cette paroi diathermique est propre à être couplée à un premier conduit C1 dans lequel circule un fluide ayant une température supérieure au second seuil de température (flèche F3). On comprendra qu’une partie des calories du fluide est transférée dans le boîtier BF via sa paroi diathermique et induit un chauffage du matériau adsorbant à une température supérieure au second seuil, propre à provoquer au moins une désorption du polluant adsorbé par le filtre FP. Il en résulte une régénération du filtre FP par désorption des polluants.

La sortie auxiliaire SA est située en aval du filtre FP et propre à être couplée à un second conduit C2 qui est destiné à évacuer hors du boîtier BF et de l’habitacle du véhicule V (flèche F4 de la figure 3) le fluide contenant le polluant thermo-désorbé du filtre FP. L’accès à l’entrée du second conduit C2 est contrôlé par un volet VC qui peut, également, contrôler l’accès à l’habitacle pour le flux d’air traité (flèche F2) en fonctionnement normal (hors désorption). Ce second conduit C2 peut, par exemple, communiquer soit avec la zone d’admission du moteur thermique MT soit avec le circuit d’évacuation des gaz d’échappement CEG en amont des systèmes de dépollution (catalyseur d’oxydation ou catalyseur trois voies).

Sur la figure 2 le volet VC obstrue totalement la sortie auxiliaire SA (et donc l’entrée du second conduit C2) et donc le dispositif de dépollution d’air DD fonctionne en mode classique de dépollution (flux F1 et F2). Sur la figure 3 le volet VC obstrue totalement la sortie d’air traité du boîtier BF et donc le dispositif de dépollution d’air DD fonctionne en mode de régénération par désorption de polluants (flux F1 et F4). A titre d’exemple illustratif, et comme illustré sur la figure 1, le circuit qui contient le fluide de chauffage peut être un circuit de refroidissement CRM d’un moteur de propulsion MT du véhicule. Un tel circuit de refroidissement CRM comprend un échangeur de chaleur RR (tel qu’un radiateur air/eau) couplé à au moins un conduit d’échange CD défini dans le moteur de propulsion MT. Ce dernier est par exemple un moteur thermique. Dans ce cas, le premier conduit C1 comprend une entrée, éventuellement à accès contrôlé, et chargée de prélever du fluide de refroidissement circulant dans le circuit de refroidissement CRM, par exemple en aval du moteur de propulsion MT, et une sortie, éventuellement à accès contrôlé, et chargée d’injecter le fluide de refroidissement qui a servi à régénérer le filtre FP dans le circuit de refroidissement CRM en amont de son échangeur de chaleur RR.

En variante, le circuit qui contient le fluide de chauffage peut être le circuit d’évacuation de gaz d’échappement CEG du véhicule V. Dans ce cas, l’entrée du premier conduit C1 est connectée au circuit d’évacuation de gaz d’échappement CEG afin de prélever dans ce dernier (CEG) une petite partie des gaz d’échappement qui circulent. L’entrée de ce premier conduit C1 peut être, par exemple, à accès contrôlé. Cet accès est par exemple contrôlé par un volet (de type drapeau ou papillon) ou une électrovanne. On notera que pour réduire la température des gaz d’échappement on peut prévoir un échangeur de chaleur entre le premier conduit C1 et la paroi diathermique du boîtier BF.

Cette variante permet une régénération par désorption à très haute température (typiquement comprise entre 100°C et 400°C, et de préférence entre 100°C et 200°C) du fait de l’utilisation desgaz d’échappement, ce qui offre un résultat meilleur qu’à haute température et surtout permet de désorber plus de polluants différents.

On notera qu’au lieu d’utiliser comme source de chauffage un fluide circulant dans un circuit du véhicule V, on pourrait utiliser une résistance électrique placée au voisinage du filtre FP.

Un autre mode de régénération du (de chaque) matériau adsorbant du filtre FP consiste à extraire ce dernier (FP) dans un service après-vente (comme un garage) afin de procéder à une thermo-désorption et éventuellement une thermo-destruction des polluants dans un four, par exemple lors d’une opération de maintenance.

Par ailleurs, si le filtre FP est peu onéreux, on peut également envisager son remplacement par un filtre neuf.

On notera également qu’il peut être avantageux dans certaines applications que le matériau adsorbant soit propre à détruire partiellement ou totalement in-situ (c’est-à-dire dans son filtre FP) le ou les polluants (qu’il a préalablement adsorbés) par réaction d’oxydation en générant des produits non nocifs lorsque la température devient supérieure à un troisième seuil modulable, compris entre la température ambiante et 300°C, et de préférence entre 150°C et 200 °C. Les produits non nocifs résidant de l’oxydation peuvent être, par exemple, du gaz carbonique (ou CO2) et de l’eau (H20).

Cela permet en effet de réaliser de temps en temps des cycles de d’auto-régénération destinés à détruire in-situ partiellement, voire totalement, par oxydation totale les polluants adsorbés dans le filtre FP. Chaque cycle d’auto-régénération par destruction (ou oxydation) peut être déclenché périodiquement par les moyens de contrôle MC en fonction d’une période programmée et/ou d’une détection d’un dépassement d’un seuil prédéfini de saturation du matériau adsorbant, ou bien par une commande fournie par un passager du véhicule V au moyen d’un organe de commande ou d’une sélection d’option d’auto-régénération (par oxydation) dans un menu affiché sur un écran (par exemple celui du combiné central).

Dans ce cas, on prévoit un agencement similaire à celui décrit précédemment en référence aux figures 2 et 3. Plus précisément, on prévoit tout d’abord dans le boîtier BF qui loge le filtre FP une paroi diathermique et une sortie auxiliaire SA à accès contrôlé. Cette paroi diathermique est propre à être couplée à un premier conduit C1 dans lequel circule un fluide ayant une température supérieure au troisième seuil (par exemple 200°C). On comprendra qu’une partie des calories du fluide est transférée dans le boîtier BF via sa paroi diathermique et induit un chauffage du matériau adsorbant à une température supérieure à 200°C propre à provoquer une oxydation totale de tout ou partie des COVs adsorbés. Il en résulte une auto-régénération partielle ou totale du filtre FP par oxydation totale des polluants.

La sortie auxiliaire SA est située en aval du filtre FP et propre à être couplée à un second conduit C2 qui est destiné à évacuer hors du boîtier BF (flèche F4 de la figure 3) le fluide contenant les produits non nocifs de la réaction d’oxydation du filtre FP. L’accès à l’entrée du second conduit C2 est contrôlé par un volet VC qui peut, également, contrôler l’accès à l’habitacle pour le flux d’air traité (flèche F2) en fonctionnement relatif à l’adsorption et à la réaction d’oxydation. Ce second conduit C2 peut, par exemple, communiquer soit avec la zone d’admission du moteur thermique MT soit avec le circuit d’évacuation des gaz d’échappement CEG en amont des systèmes de dépollution (catalyseur d’oxydation ou catalyseur trois voies), soit avec l’habitacle (car les produits de l’oxydation sont non nocifs), soit encore avec l’environnement extérieur du véhicule V.

Par exemple, le matériau adsorbant peut être une zéolithe. A titre d’exemple non limitatif, on peut utiliser la zéolithe ZSM-5 dopée au Fer. On peut également utiliser (non exclusivement) d’autres zéolithes, comme par exemple la faujasite, la mordenite, la ferrierite, la chabbasite, la SUZ-4, la heulandite, la brewsterite, l’epistilbite, la goosecreekite, la montesommaite, l’ERS-7, et ΙΈΙΙ-1, sachant que ces zéolithes peuvent être dopées ou non dopées au fer ou au cuivre. Par ailleurs, il est également possible de mélanger au moins deux des zéolithes mentionnées ci-avant.

La zéolithe ZSM-5 dopée au fer désorbe au-delà de 40 °C et peut être régénérée lorsqu’elle est chauffée à une température supérieure ou égale à 90°C. Par ailleurs, elle présente des capacités destockage sans fuite qui sont inexistantes dans les charbons actifs, en particulier lorsque le polluant est un aldéhyde (l’acétaldéhyde, par exemple) ou un aromatique (le toluène, par exemple). Par conséquent, le temps d’abattement de la pollution par l’acétaldéhyde ou le toluène est nettement réduit avec la zéolithe ZSM-5 dopée au Fer, par rapport à celui nécessaire avec le charbon actif, et donc permet de réaliser une dépollution quasiment en un seul cycle.

Egalement par exemple, le matériau adsorbant peut être un matériau poreux cristallin hybride comprenant des éléments inorganiques et des ligands organiques connectés par des liaisons fortes. Ce type de matériau adsorbant microporeux ou méso-poreux est plus connu sous l’acronyme MOF (« Metal-Organic Framework ») ou PCP (« Porous Coordination Polymer »). Il est constitué d’une charpente tridimensionnelle délimitant des pores à l’échelle nanométrique.

Les MOFs sont généralement synthétisés à partir d’un ligand et d’un précurseur métallique (généralement un sel, ou alternativement un oxyde, hydroxyde ou métal) par voie hydro-solvothermale à une température comprise entre 0°C et 250°C, pour une durée compris entre quelques minutes et quelques jours, voire quelques semaines. Il existe des méthodes de synthèse alternatives par thermo-mécano-synthèse, « spray-drying >>, irradiation micro-ondes ou assistée par sonification. Ce type de synthèse met généralement en jeu un ou plusieurs précurseurs ou additifs en présence d’un solvant polaire (comme par exemple de l’eau, des alcools ou un DMF (Diméthylformamide)) dans un milieu confiné. L’un des intérêts majeurs de ces matériaux adsorbant réside dans le très large choix des éléments qui peuvent entrer dans leur composition. Ce choix très large induit une grande versatilité chimique et structurale, notamment pour ce qui concerne la taille des pores (de quelques angstroms à plusieurs nanomètres), qui conduisent à des propriétés d’adsorption très différenciées. Il est donc possible d’identifier des MOFs permettant une désorption des polluants adsorbés à partir d’une température modulable élevée, comprise entre 40°C et 120°C, possédant éventuellement une capacité de stockage sans fuite à température ambiante (15°C à 25°C), et ayant éventuellement une capacité d’auto-régénération, généralement à haute température (90°C) et/ou très haute température (> 200°C).

Parmi les différents MOFs, on pourra notamment utiliser (de façon non exclusive) ceux qui sont connus sous les noms chimiques 3,3’,5,5’-azobenzènetétracarboxylate de fer, trimesate de fer, fumarate d’aluminium, amino-téréphtalate de titane, téréphtalate de zirconium et téréphtalate de zirconium dopé au cérium (Ce). Par ailleurs, il est également possible de mélanger au moins deux des MOFs mentionnés ci-avant, tout comme il est possible de mélanger au moins l’un des MOFs mentionnés ci-avant avec au moins l’une des zéolithes mentionnées plus haut.

Le 3, 3', 5 et 5'-azobenzènetétracarboxylate de fer présente une surface spécifique d’environ 1300 m2/g et une microporosité tridimensionnelle (d = 5 Â à 7 À) avec deux types de tunnels, à caractère hydrophile ou hydrophobe. Le trimesate de fer présente une surface spécifique d’environ 2000 m2/g et une méso-porosité tridimensionnelle avec un réseau de cages mésoporeuses dont la plus grande a un diamètre de 29 Â avec une accessibilité au travers de fenêtres hexagonales et pentagonales de diamètres respectifs de 8,6 Â et 5,5 Â, la cage de 25 Â de diamètre n’étant accessible qu’au travers des fenêtres pentagonales. Le fumarate d’aluminium présente une surface spécifique d’environ 1000 m2/g et une microporosité monodimensionnelle avec un diamètre de pore d’environ 5,8 Â. L’amino-téréphtalate de titane présente une surface spécifique d’environ 1500 m2/g et une microporosité tridimensionnelle avec des cages tétraédriques ou octaédriques de diamètres accessibles de 12,5 Â ou de 7 Â. A titre de comparaison, les charbons actifs couramment utilisés dans les filtres hybrides de véhicule automobile présentent une surface spécifique d’environ 770 m2/g.

Le 3,3',5,5'-azobenzènetétracarboxylate de fer et le trimesate de fer présentent des capacités de stockage sans fuite qui sont inexistantes dans les charbons actifs, en particulier lorsque le polluant est l’acétaldéhyde. Par conséquent, le temps d’abattement de la pollution par l’acétaldéhyde est nettement réduit avec le 3,3',5,5'-azobenzènetétracarboxylate de fer et le trimesate de fer, par rapport à celui nécessaire avec le charbon actif, et donc permet de réaliser une dépollution quasiment en un seul cycle.

De plus, le 3, 3', 5, ô'-azobenzènetétracarboxylate de fer et le trimesate de fer présentent une capacité de rétention de l’acétaldéhyde jusqu’à des hautes températures (typiquement 90°C) tout en étant régénérables à très hautes températures (typiquement supérieures ou égales à 200°C). Des propriétés similaires sont offertes par le fumarate d’aluminium vis-à-vis du polluant qu’est le toluène.

Par ailleurs, le fumarate d’aluminium présente une capacité d’adsorption jusqu’à saturation et un taux de rétention de polluant à 90 °C, avec une capacité de stockage sans fuite, notamment pour le toluène. Cela signifie qu’avec un tel matériau adsorbant le temps d’abattement de la pollution par le toluène est nettement réduit et la quantité de toluène retenue à 90°C est plus élevée.

Certains au moins des MOFs présentent également une capacité d’adsorption du méthanol. Par exemple, le trimesate de fer, l’amino-téréphtalate de titane, le téréphtalate de zirconium et le téréphtalate de zirconium dopé au cérium présentent une capacité d’adsorption du méthanol jusqu’à 50 °C et une rétention du méthanol jusqu’à 2D0°C. Le trimésate de fer, l’amino-téréphtalate de titane, le téréphtalate de zirconium et le téréphtalate de zirconium dopé au cérium ont également la capacité d’oxyder totalement une partie des COVs adsorbés (en produisant du CO2 et du H20) lorsqu’ils sont chauffés à très haute température (typiquement supérieure ou égale à 200°C).

Il est important de noter que certains MOFs peuvent acquérir la capacité d’oxyder totalement des COVs adsorbés lorsqu’ils sont mélangés à des nanoparticules métalliques, comme par exemple le palladium et le platine. C’est notamment le cas du téréphtalate de chrome dopé au palladium et du 1,3,5-benzenetribenzoate de zinc dopé au platine. D’autres MOFs peuvent, par leur propriété photocatalytique, oxyder également des COVs adsorbés lorsque leur partie métallique correspond par exemple au titane. C’est notamment le cas du dicarboxylate de titane.

Certaines zéolithes peuvent également acquérir la capacité d’oxyder totalement des COVs adsorbés lorsqu’elles sont mélangées à des nanoparticules métalliques, par exemple en or. Ces dernières permettent une photo-oxydation des alcools aromatiques sous irradiation de la lumière visible.

On comprendra que les matériaux adsorbants qui peuvent faire partie du filtre FP peuvent être classés en au moins trois familles. Une première famille comprend des matériaux adsorbants qui, au moins, ne désorbent pas tant que la température est inférieure à 50°C, et cpi peuvent être régénérés dès que la température est supérieure à environ 90°C. Une deuxième famille comprend des matériaux adsorbants qui, au moins, ne désorbent pas tant que la température est comprise entre 50°C et 120°C(selon leur constitution spécifique), et qui peuvent être régénérés dès que la température est supérieure à environ 150°C. Une troisième famille comprend des matériaux adsorbants qui présentent une capacité à oxyder totalement tout ou partie des COVs qui ont été adsorbés au-delà d’une certaine température et qui ne désorbent pas tant que cette certaine température n’a pas été atteinte.

On notera que le filtre FP peut également, mais éventuellement, comprendre au moins un matériau adsorbant complémentaire propre à adsorber au moins un autre polluant (ou de l’eau) contenu dans le flux d’air entrant. Ce matériau adsorbant complémentaire peut être adapté aux éléments solides (poussières ou particules fines), ou aux gaz (éventuellement des composés organiques volatils (ou COVs)). Par conséquent, il pourra s’agir, par exemple, de charbons actifs, d’une zéolithe ou d’un MOF.

Les MOFs pourront être utilisés dans un filtre FP sous la forme de granules telles que des extrudés, seuls ou déposés sur un support comme par exemple un filtre à poussières adapté à traiter l’air de l’habitacle. Lorsqu’il se présente sous la forme de granules, le MOF peut être notamment mélangé à un liant. Il est également possible de mettre le MOF sous la forme d’une structure en nid d’abeilles.

On notera également que le matériau adsorbant peut être éventuellement un matériau hydrophobe ou peut être enduit sur la couche extérieure amont (par rapport au sens de circulation du flux d’air) d’un matériau hydrophobe, et/ou le filtre FP peut éventuellement comprendre en amont de son matériau adsorbant au moins un matériau hydrophobe ou un matériau plus hydrophile que son matériau adsorbant.

Cela permet de limiter la compétition entre l’eau et les COVs polaires à s’adsorber sur le matériau adsorbant. Ainsi, on peut, par exemple, enduire une couche de matériau adsorbant (tel qu’un MOF) d’un matériau hydrophobe (comme par exemple une silice) ou associer au matériau adsorbant (tel qu’un MOF) un matériau dessicant positionné en amont qui pourra être éventuellement régénéré de la même manière que le matériau adsorbant une fois saturé en eau avec une fréquence possiblement différente de celle du matériau adsorbant. Parmi les matériaux dessicants, on pourra par exemple utiliser un gel de silice, un autre MOF, une zéolithe ou un sulfate de magnésium.

On notera également que dans l’exemple illustré non limitativement sur la figure 1, le dispositif de dépollution DD ne comprend qu’un seul filtre FP. Mais le nombre de filtres FP peut prendre n’importe quelle valeur supérieure ou égale à un (1 ). L’utilisation de plusieurs filtres peut se faire en série ou en parallèle.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif de dépollution d’air (DD) pour un véhicule (V) comprenant un habitacle (H), ledit dispositif (DD) comprenant au moins un filtre (FP) comportant au moins un matériau adsorbant propre à adsorber au moins un polluant contenu dans un flux d’air entrant, caractérisé en ce que ledit matériau adsorbant est propre à commencer à désorber ledit polluant adsorbé lorsqu’une température dudit flux d’air entrant devient supérieure à un premier seuil modulable, compris entre 40°C et 120°C.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau adsorbant présente une capacité de stockage sans fuite dudit polluant adsorbé à une température ambiante comprise entre 15°C et 25°C.
3. 3. Dispositif selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit matériau adsorbant présente une capacité d’auto-régénération en désorbant le polluant préalablement adsorbé à partir d’un second seuil de température supérieur ou égal à 80°C.
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu’il comprend un boîtier (BF) logeant ledit filtre (FP) et comportant, d’une part, une paroi diathermique propre à être couplée à un premier conduit dans lequel circule un fluide ayant une température supérieure ou égale au second seuil de température, et, d’autre part, une sortie auxiliaire à accès contrôlé, située en aval dudit filtre (FP) et propre à être couplée à un second conduit destiné à évacuer hors dudit boîtier (BF) et d’un habitacle dudit véhicule le fluide contenant le polluant désorbé dudit filtre (FP).
5. 5. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit matériau adsorbant est propre à détruire partiellement ou totalement ledit polluant adsorbé par réaction d’oxydation en générant des gaz non nocifs lorsqu’une température devient supérieure à un troisième seuil modulable, compris entre la température ambiante et 300 °C.
6. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comprend un boîtier (BF) logeant ledit filtre (FP) et comportant, d’une part, une paroi diathermique propre à être couplée à un premier conduit dans lequel circule un fluide ayant une température supérieure audit troisième seuil de température, et, d’autre part, une sortie auxiliaire à accès contrôlé, située en aval dudit filtre (FP) et propre à être couplée à un second conduit destiné à évacuer hors dudit boîtier (BF) lesdits gaz non nocifs générés par oxydation.
7. 7. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit matériau adsorbant est une zéolithe ou un matériau poreux cristallin hybride comprenant des éléments inorganiques et des ligands organiques connectés par des liaisons fortes.
8. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit matériau adsorbant est choisi dans un groupe comprenant les zéolithes que sont ZSM-5, la faujasite, la mordenite, la ferrierite, la chabbasite, la SUZ-4, la heulandite, la brewsterite, l’epistilbite, la goosecreekite, la montesommaite, la ERS-7, et la EU-1, sachant que ces zéolithes peuvent être dopées ou non dopées au fer ou au cuivre, et les matériaux poreux cristallin hybride comprenant des éléments inorganiques et des ligands organiques connectés par des liaisons fortes que sont le 3,3’,5,5’-azobenzènetétracarboxylate de fer, le trimesate de fer, le fumarate d’aluminium, l’amino-téréphtalate de titane, le téréphtalate de zirconium, le téréphtalate de zirconium, éventuellement dopé au cérium, le téréphtalate de chrome dopé au palladium, le 1,3,5-benzenetribenzoate de zinc dopé au platine, et le dicarboxylate de titane, les versions fonctionnalisées et/ou substituées de ces derniers, ainsi que des mélanges d’au moins deux de ces derniers.
9. 9. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit matériau adsorbant est un matériau hydrophobe ou est enduit sur une couche extérieure amont d’un matériau hydrophobe, et/ou ledit filtre (FP) comprend en amont dudit matériau adsorbant au moins un matériau hydrophobe ou un matériau plus hydrophile que ledit matériau adsorbant.
10. 10. Véhicule (V) comprenant un habitacle (H) alimenté en air, caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins un dispositif de dépollution d’air (DD) selon l’une des revendications précédentes.