PROCEDE DE DESTRUCTION DE N _Z O PAR PLASMA MICRO-ONDES A PRESSION ATMOSPHERIQUE

L'invention porte sur un procédé de destruction du protoxyde d'azote par traitement par plasma micro-ondes à pression atmosphérique.

Le protoxyde d'azote (N ₂ O) est un gaz très utilisé pour réaliser des anesthésies et des analgésies dans le domaine médical.

Le N ₂ O gazeux est habituellement administré au patient par inhalation en mélange avec de l'oxygène. Ainsi, on connaît un mélange prêt à l'emploi, commercialisé sous la dénomination Kalinox® contenant 50% N ₂ O et 50% O ₂ (% en volume). Ce mélange N2O/O2 est particulièrement destiné à des actes médicaux légers en hôpital ou en unités d'urgence mobiles, de type SAMU ou pompiers, ou à des utilisations en cabinet dentaire par exemple.

Le N ₂ O n'est pas métabolisé par l'organisme mais est rejeté en grande partie dans les gaz d'expiration du patient. Si le N ₂ O n'est pas considéré comme un gaz toxique, ce n'est toutefois pas un gaz neutre et l'exposition fréquente, voire continue, du personnel médical au N ₂ O dans l'environnement immédiat des patients n'est pas souhaitable, notamment au-dessus d'un certain seuil de concentration.

En France, il n'existe pas de limite légale d'exposition fixée par le Ministère du Travail, cependant le Ministère de la Santé donne une recommandation de 25 parties par million en volume (ppmv) en moyenne pour une exposition continue de 8h/jour. En Allemagne, cette recommandation est de 100 ppmv.

En outre, le N ₂ O est un gaz reconnu comme contribuant, lorsqu'il est présent dans l'atmosphère, au réchauffement global du climat terrestre par effet de serre. Il présente une assez grande stabilité chimique dans l'atmosphère (132 ans de demi- vie) et les concentrations émises dans l'environnement peuvent s'accumuler sur de longues périodes. De là, le rejet tel quel à l'atmosphère du N ₂ O doit être évité.

Afin de limiter l'exposition prolongée des personnels soignants au N ₂ O, les gaz expirés par les patients et riches en N ₂ O peuvent être collectés puis soit envoyés directement vers une canalisation d'évacuation à l'atmosphère, soit purifiés avant envoi

à l'atmosphère par d'abord adsorption sur une zéolite ou un autre adsorbant adéquat, du N ₂ O contenu dans les gaz expirés par les patients, puis désorption du N ₂ O une fois la zéolite proche de la saturation, en vue de sa récupération et/ou de sa destruction.

Cependant, dans le premier cas, on ne résout pas le problème des émissions atmosphériques et, dans le second cas, il est nécessaire d'utiliser un dispositif de purification dédié nécessitant des phases de régénération et dont l'architecture peut s'avérer complexe, donc qui n'est pas forcément adapté à un usage en milieu hospitalier.

Une décomposition catalytique du N ₂ O en N ₂ et O ₂ est possible grâce à une technologie de brûleur à double étage adapté à cette application. Le fonctionnement, du point de vue des réactions chimiques de conversion est le suivant :

> première flamme : 3 N ₂ O+ CH ₄ -> 2 H ₂ O + CO + 3 N ₂

(N ₂ O 10% en dessous de la stœchiométrie)

> deuxième flamme : CH ₄ + CO+ 2 O ₂ + N ₂ + 2 N ₂ O -> 2 CO ₂ + 2 H ₂ O+ 2 N ₂ Un tel brûleur fonctionne à l'air ambiant et émet peu d'oxydes d'azote, tels que

NO, NO ₂ et sa forme dimérique N ₂ O ₄ , désignés sous la formule générique N0χ ; les N0χ ne doivent pas être confondus avec le N ₂ O et sont en particulier plus toxiques que le N ₂ O.

Toutefois, l'utilisation d'un brûleur présente la contrainte intrinsèque d'une alimentation en gaz combustibles à fort débit, ce qui n'est pas envisageable en milieu hospitalier, notamment pour des raisons évidentes de sécurité. Par ailleurs, ce système est fort consommateur d'énergie et le CO ₂ généré peut représenter une contribution négative aux émissions à effet de serre et non négligeable par rapport à celle qui aurait été celle du N ₂ O s'il n'avait pas été détruit. En outre, si le gaz à traiter contient des gaz halogènes qui peuvent également être utilisés comme anesthésiant en salle opératoire, ces derniers empoisonnent le catalyseur rendant ainsi le système inexploitable.

L'application de décharges de type corona ou à barrière diélectrique à la destruction d'oxydes d'azote N0χ autres que le protoxyde d'azote, a été largement étudiée mais n'apporte pas une solution simple et directe, dans la mesure où le gaz après traitement dans le plasma contient encore une concentration importante de gaz indésirables qu'il faut ensuite post-traiter selon une méthode plus classique, en général catalytique.

Cet inconvénient existe également dans le cas où l'on essaierait de détruire du protoxyde d'azote dans un plasma de décharge corona ou à barrière diélectrique. Dans ce cas, une fraction importante (plusieurs dizaines de pourcent) du N ₂ O converti se retrouverait sous forme de N0χ, laissant à nouveau entier le problème du post- traitement de ces derniers. De toute manière, ces décharges ne sont pas adaptées à la destruction de polluants en concentration élevée (typiquement nettement plus de 0, 1 % en volume) comme c'est généralement le cas pour le N2O dans les mélanges exhalés par les patients et que l'on va traiter sur place en temps réel ou hors site en temps différé après récupération et stockage. Le rendement de conversion du gaz polluant incident serait alors très inférieur à l'unité. Ceci est dû au fait que ces décharges parfois dites « décharges atmosphériques froides » présentent des densités électroniques assez faibles. Le nombre de collisions électroniques inélastiques sur des molécules de gaz polluant, susceptibles de dissocier ces dernières, est alors insuffisant pour que la majorité d'entre elles soient converties. En outre, la structure de ces décharges est généralement inhomogène dans l'espace et discontinue dans le temps. Elles comportent un grand nombre de filaments intenses discrets (« streamers ») qui se créent et disparaissent aléatoirement. Dans l'espace libre entre les streamers, la densité électronique est beaucoup plus faible voire nulle ce qui réduit fortement la probabilité de dissociation des molécules de polluant et en même temps favorise leur reformation à partir de leurs fragments de dissociation. En outre, ces décharges ont aussi un caractère puisé, c'est-à-dire qu'entre deux pics d'intensité, il existe des périodes où il n'y a pas d'électrons actifs dans la décharge, donc pas de dissociation et une reformation plus probable des molécules de polluant à convertir, ce qui est à nouveau contraire à l'efficacité globale de traitement. Par ailleurs, le fait que l'on retrouve une fraction importante de N0χ dans les produits de conversion en sortie de la décharge tient au caractère très fortement hors d'équilibre thermodynamique de cette dernière. La chimie de conversion des polluants est initiée par les collisions électroniques inélastiques, excitatrices et dissociatives, qui donnent des espèces intermédiaires fragmentées qui ont intrinsèquement tendance à donner des NOχ comme produits de leurs réactions subséquentes dans la phase gazeuse. A ce jour, il n'existe donc pas de méthode à la fois efficace, fiable et sécuritaire, permettant de détruire le N ₂ O contenu notamment dans les gaz expirés par des patients anesthésiés ou analgésies par inhalation de N ₂ O.

L'invention porte alors sur un procédé de destruction du protoxyde d'azote suivant lequel le gaz contenant le protoxyde d'azote est soumis à un traitement par plasma micro-ondes à pression atmosphérique.

Plus précisément, l'invention concerne un procédé de d'élimination du protoxyde d'azote contenu dans un gaz à traiter, dans lequel : a) on soumet le gaz à traiter contenant du protoxyde d'azote à un traitement par passage dans un plasma à pression atmosphérique excité et entretenu uniquement par application de puissance micro-ondes absorbée au sein dudit plasma, b) on convertit au moins une partie du protoxyde d'azote en azote et en oxygène. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- on génère en outre des sous-produits de conversion, notamment NO ₂ , N ₂ O ₄ et HNO3, et en ce qu'il comporte en outre une étape de neutralisation alcaline de tout ou partie des produits de conversion. - la neutralisation alcaline est réalisée par un lit d'adsorbant réactif solide alcalin, de préférence un lit de chaux sodée.

- le procédé comporte une étape préalable de concentration en protoxyde d'azote du gaz à traiter.

- le gaz à traiter provient directement des gaz exhalés par un patient auquel du protoxyde d'azote a été administré par inhalation.

- le gaz à traiter provient de la canalisation de récupération et d'évacuation générale des gaz exhalés par les patients d'un bâtiment hospitalier.

- le gaz à traiter est adsorbé sur une zéolite puis désorbé, avant d'être soumis au traitement par plasma micro-ondes à pression atmosphérique. - le gaz à traiter contient également des gaz anesthésiants halogènes.

- le gaz à traiter contient entre 5 et 100% de N ₂ O, de préférence entre 10 et 75% de N ₂ O, de préférence encore entre 20 et 50% de N ₂ O.

- le gaz à traiter contient en outre de l'oxygène, de préférence plus de 5% d'oxygène, de préférence encore plus de 10% d'oxygène. - à l'étape b), on récupère un gaz traité contenant moins de 2% de N ₂ O, de préférence moins de 1% de N2O, de préférence encore moins de 0.5% de N ₂ O.

- à l'étape b), on récupère un gaz traité contenant moins de 5% d'un ou plusieurs composés choisis parmi NO ₂ , N ₂ O ₄ et HNO3, de préférence moins de 3% d'un ou plusieurs desdits composés.

- à l'étape a), le plasma micro-ondes mis en œuvre est hors d'équilibre thermodynamique et a en outre les caractéristiques suivantes :

. la densité électronique est comprise entre 10 ¹² et 10 ¹⁵ cm ^"3 , de préférence entre 10 ¹³ et 10 ¹⁴ cm ^"3 , et

. la température moyenne du gaz dans le plasma est supérieure à 2000 K, de préférence supérieure à 2500 K, de préférence encore supérieure à 3000 K. - des moyens de refroidissement du gaz sont ménagés en aval du plasma, par exemple des échangeurs thermiques ou tout autre dispositif apte à assurer un refroidissement du gaz.

En effet, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que cette destruction était possible grâce à l'utilisation d'une décharge de plasma micro-ondes à pression atmosphérique et que la dissociation dans le plasma formait essentiellement N ₂ et O ₂ .

Par « traitement par plasma micro-ondes à la pression atmosphérique » on entend un traitement consistant à faire passer le gaz contenant les molécules de polluant à travers une région volumique où un plasma est généré et entretenu en régime permanent, uniquement grâce à l'application d'un flux de puissance micro-ondes pénétrant dans le gaz au sein duquel il est absorbé. Les électrons libres du plasma gagnent de l'énergie sous l'effet conjugué de leur accélération dans le champ électromagnétique micro-ondes et des collisions aléatoires élastiques sur les molécules du gaz, comme expliqué par exemple dans l'ouvrage Micro wave Excited Plasmas, eds. M. Moisan and J. Pelletier, Elsevier, Amsterdam, 1992, chap. 2 pp. 13-27. Les électrons qui ont acquis par ces processus une énergie suffisante peuvent alors induire sur les molécules du gaz des collisions inélastiques dont l'effet peut être une excitation, une ionisation ou une dissociation. L'ionisation permet d'entretenir la population de particules chargées en compensant les pertes, et ainsi de maintenir un plasma stable. La dissociation et l'excitation aboutissent à la formation de fragments, atomes et radicaux, plus petits que les molécules chimiques initiales de polluants et très fortement réactifs entre eux pour donner des produits finaux différents des molécules initiales, que l'on escompte inoffensifs ou faciles à post-traiter par un moyen classique.

La définition qui précède exclut le cas où, en raison de l'utilisation d'un dispositif de couplage de la puissance micro-ondes inapproprié, le plasma ne peut exister de manière stable que si un supplément de particules chargées et/ou d'énergie est fourni au plasma par une source d'une autre nature que la puissance micro-ondes. Il peut s'agir par exemple d'une excitation électromagnétique d'un autre type que microondes apportée dans la zone de plasma ou une zone contiguë, par exemple une décharge corona, à barrière diélectrique ou à arc glissant. Il peut s'agir également d'une source d'électrons par effet thermoélectronique sous la forme d'un matériau approprié disposé dans le plasma ou à la frontière de ce dernier, et chauffé par tout moyen connu incluant l'absorption de micro-ondes. Dans tous les cas où il existe d'autres contributions au bilan énergétique et au bilan de particules chargées du plasma que l'absorption de puissance micro-ondes, le plasma ne possédera pas les propriétés particulières caractéristiques qui lui confèrent son intérêt unique pour la présente application, comme on va le voir dans la suite. En second lieu, notre définition du traitement d'un gaz chargé en polluants par un plasma micro-ondes exclut les cas où ledit gaz ne subit pas l'action directe du plasma, c'est-à-dire qu'il ne traverse pas une zone où il serait excité et ionisé suite à l'absorption des micro-ondes, mais où ce gaz serait exposé seulement à l'action d'un milieu dit de « post-décharge » ou de « plasma différé ». Dans ce dernier cas, le plasma est entretenu dans un gaz auxiliaire différent du gaz à traiter. Ce dernier est mis en contact du gaz auxiliaire issu du plasma dans une zone volumique immédiatement contiguë audit plasma, où il n'existe plus que des espèces neutres électriquement (non-ionisées) mais qui peuvent en revanche être encore à l'état dissocié ou excité. Ce mode de traitement peut être le seul possible si, du fait d'une technologie insuffisamment performante pour le dispositif d'application de la puissance micro-ondes, la composition du gaz chargée en polluant est incompatible avec le maintien d'un plasma micro-ondes en son sein. Cependant, si l'effet d'une postdécharge sur les polluants du gaz n'est pas négligeable, il est beaucoup moins fort que celui d'un plasma direct. Le mode de traitement correspondant n'a guère d'intérêt pratique pour l'application présente où une efficacité de conversion élevée est une condition d'acceptabilité incontournable.

Parmi les différent types de décharges électriques dans les gaz, celles excitées par des micro-ondes à pression atmosphériques présentent de manière inhérente des

densités électroniques très élevées (de l'ordre de 10 ¹² à 10 ¹⁵ cm ^"3 ) et permettent donc le traitement efficace de concentrations élevées en protoxyde d'azote (de l'ordre de quelques % en volume) et à des débits totaux modérés mais non faibles (de l'ordre de quelques m ³ /h). Les plasmas atmosphériques micro-ondes présentent également une caractéristique tout-à-fait particulière qui résulte des processus physiques qui sont à l'origine de leur entretien, et qui va s'avérer d'une utilité cruciale pour l'application de dépollution visée ici.

En effet, du fait de la densité électronique élevée et aussi du mouvement d'oscillation à très haute fréquence des électrons, les collisions élastiques des électrons sur les molécules de gaz sont très nombreuses par unité de temps. Bien que la masse des électrons soit considérablement plus faible que celle des molécules, le nombre de collisions élastiques est si élevée que ces dernières finissent par avoir pour effet de transférer, au total, une quantité d'énergie cinétique non négligeable aux molécules du gaz. Il en résulte un « chauffage partiel » du gaz qui reste plus froid que les électrons mais peut se trouver à plusieurs milliers de kelvin. Cet effet a été étudié par exemple dans l'article de Y. Kabouzi et ai, Journal of Applied Physics 91(3), 1008 (2002). La température dépend de la composition majoritaire du gaz, allant typiquement de 2000 à 5000K, voire 7000K, au cœur du plasma. Ceci reste vrai même au voisinage de la puissance minimale de maintien du plasma. En d'autres termes, si l'on réduit progressivement la puissance micro -ondes fournie au plasma, il finit par s'éteindre mais le gaz est à cet instant toujours chaud.

L'existence d'une composante thermique partielle permet de décrire les réactions chimiques plus simplement que dans un plasma « froid » (où il faudrait modéliser un grand nombre d'interactions élémentaires entre particules, collisions, dissociations, excitations, puis réaction entre intermédiaires...).

En effet, le processus de conversion des polluants chimique peut se décomposer en trois phases principales.

Tout d'abord, le gaz entrant dans la zone de plasma subit un chauffage extrêmement rapide, en fait considérablement plus rapide que par n'importe quel moyen classique. On peut considérer que le gaz atteint quasi instantanément la température caractéristique du plasma micro-ondes atmosphérique. Cette température très élevée entraîne une cinétique très rapide des réactions chimiques et l'on peut alors considérer

que le gaz tend vers l'équilibre thermodynamique correspondant à la température en question. En réalité, le milieu n'est pas totalement en équilibre thermique et contient des électrons rapides à une température supérieure d'environ un ordre de grandeur. Ceux-ci vont induire en outre des collisions dissociatives sur les molécules de polluant initiales qui vont avoir pour effet de rendre encore plus complète les réactions de conversion.

Juste à la sortie de la zone de plasma, les électrons se thermalisent, se recombinent et disparaissent très rapidement. On se retrouve alors avec un gaz décrit sensiblement par l'équilibre thermodynamique à la température considérée (que l'on peut estimer ou mesurer). On peut donc calculer par application des principes de la thermodynamique la composition chimique de ce gaz chaud en fonction de la composition initiale. Pour appliquer cette démarche au mélange qui va être traité dans un des essais décrits plus loin, on part de la composition suivante à l'ambiante : 50 moles N ₂ , 69 moles O ₂ , 5 moles CO2 et 1 mole H2O. A noter que l'on ne part pas des produits initiaux réels mais d'autres molécules plus simples qui conservent les quantités en éléments chimiques. Ceci est justifié par le fait que la composition à l'équilibre thermodynamique, à la température que l'on va atteindre, ne dépend pratiquement pas de l'état initial.

Sur la Figure 1, on a représenté les concentrations calculées à l'équilibre, en fonction de la température, des espèces présentes en quantité notable et/ou qui sont concernées dans l'interprétation du mécanisme de décomposition du N ₂ O (les autres espèces sont recensées pour mémoire dans la légende mais leurs courbes de concentration ne figurent pas). On constate notamment les faits suivants :

- il n'y a pas plus de 10 ^~3 moles de N ₂ O à l'équilibre vers 3000 K contre 50 moles équivalentes initiales. - il n'y a pas plus de 1 mole de NO dans la plage 2500 à 5000 K. Le NO a d'ailleurs tendance à diminuer rapidement en-dessous de 2500 K.

- il y a toujours moins de 4 10 ^"3 mole de NO ₂ à l'équilibre quelle que soit la température.

- l'oxygène et l'azote se trouvent sous forme moléculaire ou atomique en fonction de la température. En dessous de 3000 K l'azote atomique est fortement minoritaire. A 3000 K il y a 1 mole d'oxygène atomique environ.

Pour terminer le processus de conversion, on refroidit le gaz dans un échangeur thermique. Ce refroidissement étant en général assez rapide, l'effet correspond à une

trempe partielle, donc une transformation essentiellement irréversible. L'état final lorsqu'on est revenu à l'ambiante ne peut pas alors être exactement connu. On peut cependant remarquer qu'à la température que l'on sait être celle du gaz juste avant son entrée dans l'échangeur, soit 2500 à 3000 K, il existe très peu d'oxygène atomique qui serait susceptible de réagir lors de la trempe avec l'azote atomique pour redonner N ₂ O, NO ou NO ₂ /N ₂ O ₄ , et ainsi aboutir à des valeurs finales de concentrations très supérieures à celles, faibles ou très faibles, correspondant à l'équilibre thermodynamique. Ainsi on s'attend à ce que, d'une part, le rendement de conversion du polluant N ₂ O soit proche de l'unité et, d'autre part, que la génération de NO, NO2/N2O4 demeure modérée à faible. Les produits finaux de conversion sont donc très majoritairement N ₂ et O ₂ . A l'ambiante le NO a par ailleurs tendance à régir pour donner du NO ₂ , lequel est en fait en équilibre avec sa forme dimérique N ₂ O ₄ .

Ce procédé basé sur un plasma micro-ondes atmosphérique est donc particulièrement adapté pour le traitement de N ₂ O d'origine médicale afin de supprimer l'exposition du personnel ainsi que le rejet ultime à l'atmosphère. C'est un procédé sécuritaire qui fonctionne à partir d'une source d'énergie électrique qui est à tout moment sous contrôle, qui est beaucoup plus compact et consomme jusqu'à 5 fois moins d'énergie qu'un brûleur tout en ne présentant aucune partie extérieure à haute température, et qui ne nécessite pratiquement aucun entretien. Ce traitement permet de décomposer le protoxyde d'azote principalement en N ₂ et O ₂ qui peuvent être simplement rejetés à l'atmosphère, sans risque de pollution ou de détérioration de la couche d'ozone, puisque ces deux composés constituent à eux seuls, près de 98% en volume de l'atmosphère terrestre.

Les sous produits qui peuvent également, comme on vient de le voir, se former en quantités minimes, telles que des oxydes d'azote NO2/N2O4 et de l'acide nitrique HNO3 (en présence d'humidité) sont toxiques et/ou corrosifs mais, d'une part, ils sont générés en faible quantité et, d'autre part, ils sont alors facilement piégés de façon irréversible et définitive par un système de neutralisation alcaline sur lit d'adsorbant réactif solide ou en solution aqueuse dans un laveur de gaz. Il n'en serait pas de même si les quantités de sous-produits toxiques étaient notables auquel cas la cartouche solide de neutralisation alcaline ou le laveur seraient rapidement saturés. A titre d'exemples de lit d'adsorbant réactif solide alcalin, on peut citer un lit de granulés de chaux sodée.

Ainsi, le procédé selon l'invention peut comporter en outre une étape de neutralisation alcaline des produits de conversion résultant du traitement par plasma micro-ondes à pression atmosphérique, notamment à l'aide d'un lit de chaux sodée.

Le procédé est tout particulièrement adapté à la destruction de protoxyde d'azote contenu dans un gaz à des concentrations assez élevées, de l'ordre de quelques % ou davantage en volume de protoxyde d'azote par rapport au volume total de gaz, voire de protoxyde d'azote pur.

Selon un mode de réalisation particulier, le procédé conforme à l'invention comporte une étape préalable de concentration du protoxyde d'azote dans le gaz à traiter. En effet, d'une manière générale, l'efficacité du système de dépollution par plasma diminue avec le niveau de dilution, d'où l'intérêt de procéder à une reconcentration. Celle-ci s'effectue préférablement au moyen d'un système à perméation sélective sur membranes, connu de l'homme de l'art et commercialisé notamment par la Demanderesse. Selon un mode de réalisation particulier, dans le procédé conforme à l'invention, le gaz à traiter provient directement du gaz exhalé par un patient auquel du protoxyde d'azote a été administré. Le protoxyde d'azote peut avoir été administré seul ou sous la forme d'un mélange déjà préparé avec de l'oxygène, tel un mélange équimolaire ou équivolumique (50%/50%) de N ₂ O et d'O ₂ . Ce procédé est particulièrement adapté au cas où le patient a également reçu en tant que gaz anesthésiant un (ou plusieurs) gaz halogène.

En effet, le plasma présente l'avantage de pouvoir également traiter les gaz anesthésiques halogènes qui peuvent être dans certains cas mélangés au N ₂ O. Dans ce cas la chimie de conversion est voisine de celle connue dans le cas des gaz halogènes issus des procédés de fabrication des semi-conducteurs (gravure par plasma des motifs de microcircuits et nettoyage par plasma des réacteurs de dépôt de couches minces), et qui sont couramment détruits par la même technique. Les produits de la conversion des gaz anesthésiants halogènes dans le plasma vont être des gaz halogènes corrosifs comme HBr, HCl et HF qui sont transitoirement dangereux mais qui s'éliminent de manière immédiate et irréversible sur le système de neutralisation alcaline.

Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé conforme à l'invention est mis en œuvre sur le gaz provenant de la récupération de tous les gaz exhalés par les patients dans les salles d'opération d'un même site hospitalier.

De façon avantageuse, le procédé selon l'invention peut comporter une étape préalable dans laquelle le gaz à traiter est adsorbé sur une zéolite après captation au niveau du masque par lequel il est administré au patient, puis transporté sur un site distant de traitement, où il est ensuite désorbé avant d'être soumis au plasma micro- ondes à pression atmosphérique.

Une installation permettant la mise en œuvre du procédé tel que décrit précédemment comprend :

- un dispositif générateur de plasma micro-ondes atmosphérique,

- éventuellement en amont dudit dispositif une zéolithe apte à adsorber réversiblement au moins le protoxyde d'azote et éventuellement les gaz halogènes, et/ou un dispositif de concentration en protoxyde d'azote,

- éventuellement à la sortie dudit dispositif un dispositif de neutralisation alcaline.

L'installation de l'invention peut fonctionner en différé et comporter de la zéolite apte à adsorber réversiblement le gaz à traiter.

Dans l'installation conforme à l'invention, le dispositif générateur de plasma comprend notamment un réacteur plasma micro-ondes à pression atmosphérique muni des moyens d'application de la puissance électromagnétique qui sont choisis notamment dans le groupe comprenant cavité résonnante, système intra-guide d'ondes, onde de surface ou torche, comme décrit par exemple dans Microwave Excited Plasmas, eds. M. Moisan and J. Pelletier, Elsevier, Amsterdam, 1992, chap. 4-5. On utilisera préférablement un dispositif à onde de surface avec un applicateur de champ surfaguide, muni des perfectionnements appropriés par exemple tels que ceux décrits dans EP-A- 874537. Ce dispositif permet de coupler à un plasma d'azote une puissance micro-ondes continue à 2,45 GHz de l'ordre de 6 kW, permettant de traiter des quantités importantes d'effiuents gazeux par unité de temps. Le tube à décharge du réacteur plasma comporte une double paroi avec circulation en continu d'un fluide de refroidissement diélectrique. Pour traiter du protoxyde d'azote, la silice est suffisante comme matériau pour la paroi interne du tube. Toutefois lorsque le gaz à traiter contient également des gaz halogènes, et notamment des gaz fluorés, il convient d'utiliser des céramiques, notamment à base de nitrure d'aluminium. Des moyens de refroidissement sont a priori prévus pour le gaz sortant du tube à décharge, le plasma étant hors d'équilibre thermique mais ne pouvant être considéré comme « froid », comme on l'a souligné précédemment.

Le système peut fonctionner en flux de gaz montant ou descendant. Le fonctionnement en flux montant est tout à fait envisageable, car la chimie de conversion considérée ici ne s'accompagne pas de la génération massive de condensats dont le retour par gravité dans le tube pourrait poser un problème. Le système de neutralisation alcaline peut être un lit d'adsorbant réactif solide alcalin ou un bain liquide de solution aqueuse alcaline. De façon avantageuse, il s'agit d'un lit de solide alcalin composé de granulés de chaux sodée, couramment disponibles dans le commerce, qui permet de piéger très facilement, de manière définitive et irréversible les nouveaux composés, formés par la chimie de conversion du plasma, minoritaires mais nuisibles et non rejetables directement dans l'environnement, à savoir NO ₂ /N ₂ O ₄ et HNO3 et éventuellement HBr, HCl et HF lorsque des gaz anesthésiants halogènes sont adjoints au mélange administré au patient

En raison des faibles quantités absolues mises enjeu, il suffira d'un faible volume de chaux sodée (quelques litres) dont la durée de vie sera conséquente, c'est-à- dire d'au moins un mois environ. On peut obtenir des performances encore meilleures avec des systèmes du commerce destinés à l'industrie des semi-conducteurs, qui utilisent des adsorbants réactifs solides de formulation plus complexe.

La zéolite apte à adsorber réversiblement au moins le protoxyde d'azote et éventuellement les gaz halogènes sera aisément choisie par l'homme du métier, notamment en fonction des conditions souhaitées de désorption.

L'installation conforme à l'invention fonctionne ou bien en temps réel ou bien en différé. Pour un fonctionnement en temps réel, elle est disposée directement dans le bloc opératoire et le gaz traité est alors le gaz expiré par le patient sous anesthésie ou bien elle est disposée à la sortie du collecteur de récupération des gaz inhalés par les patients de l'hôpital, voire de la canalisation d'évacuation de tous les effluents gazeux de l'hôpital, ces effluents gazeux ayant pu préalablement être reconcentrés en N ₂ O. Pour un fonctionnement en différé, l'installation comporte une zéolite apte à adsorber réversiblement au moins le protoxyde d'azote et éventuellement les gaz halogènes qui est placée directement au niveau du masque du système d'administration portatif du mélange Kalinox ^® (mélange 50% O* + 50% N ₂ O), ou encore dans le bloc opératoire sur le circuit de gaz anesthésique au niveau de la reprise du gaz exhalé par le patient, ou bien qui est disposée à la sortie de la canalisation d'évacuation des gaz inhalés par les patients de l'hôpital, ledit gaz ayant pu préalablement être reconcentré en

N ₂ O. Le reste de l'installation comprenant en particulier le dispositif plasma de destruction du N ₂ O, peut se trouver dans un lieu quelconque éventuellement éloigné de l'hôpital ou centre de traitement du patient.

L'invention va être décrite à l'aide des dessins et des exemples suivants qui sont donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif. Sur ces dessins,

- la figure 2 représente une installation telle qu'elle a été mise en œuvre dans les exemples ;

- les figures 3 à 6 sont des spectres d'absorption infrarouge acquis par transformation de Fourier (FTIR) donnant la densité optique (proportionnelle au coefficient d'absorption) en fonction du nombre d'onde pour des mélanges gazeux traités par plasma micro-ondes à pression atmosphérique, selon les exemples 1 à 3 de l'invention.

La figure 2 représente de façon schématique une installation de traitement par plasma micro-ondes à pression atmosphérique qui comporte un réacteur plasma 1 de forme générale cylindrique renfermant un tube de décharge 2 qui traverse transversalement une structure d'applicateur de champ à onde de surface du type connu « surfaguide » 3. La génération de microondes est assurée et régulée par un générateur du commerce à magnétron et alimentation électrique à découpage, relié à un circulateur avec une charge d'impédance adaptée 4 puis transmise via un guide d'ondes 5 vers le surfaguide 3, de manière connue de l'homme de l'art. Le réacteur est refroidi par la circulation dans une gaine de fluide diélectrique caloporteur 6 d'un fluide de refroidissement circulant grâce à une pompe hydraulique 7 et refroidi par un groupe frigorifique 8. Le réacteur est surmonté d'une hotte ventilée 9, et les gaz sortant dudit réacteur traversent un lit de chaux sodée 10 et sont échantillonnés en 11 en vue d'une analyse par FTIR avant d'être optionnellement dilués avec de l'azote avant d'être libérés dans l'air. Le mélange entrant dans le réacteur, simulant les effluents gazeux d'une véritable anesthésie, est préparé par régulation séparée du débit massique (RDM) de trois flux gazeux constitués respectivement de N ₂ O, CO ₂ et O ₂ . L'installation décrite sur la figure 2, comportant une puissance micro-ondes installée inférieure au kW, peut traiter quelques litres par minute et est de ce fait adaptée au mélange non dilué exhalé par un seul patient. Il est bien entendu évident que si l'on envisage de détruire le protoxyde d'azote en quantités plus importantes, par exemple en

groupant les effluents gazeux de plusieurs blocs opératoires, ou en désorbant en temps différé un flux préalablement adsorbé sur zéolithe résultant d'une récupération sur un ou plusieurs grands sites hospitaliers, des équipements plus importants sont a envisager En particulier, il est possible d'utiliser un équipement développé commercialement par la Demanderesse qui est commercialisé sous l'appellation « UPAS » (puissance microondes 6 kW) utilisant une source de plasma a onde de surface selon EP-A-874537 mentionné précédemment ou une torche plasma telle que la torche à injection axiale supportée par guide d'ondes (« TIAGO ») décrit dans les documents WO-A-02035575 et FR-A-2886866 au nom de la Demanderesse, classiquement disponible avec une puissance de 10 ou 20 kW

EXEMPLE 1 ;

Dans une installation de laboratoire telle que représentée sur la Figure \ on introduit dans l'installation le mélange gazeux suivant - Débit total 1,5 litre standard par minute (slm)

- N ₂ O 30%

- O ₂ QS

La puissance micro-ondes incidente est fixée a 800 W, avec un très faible taux réfléchi Le diamètre interne du tube à décharge est de 12 mm Les gaz sortant du plasma sont analysés par spectrométπe infrarouge à transformation de Founer Les spectres FTIR sont représentés sur les figures ^; et _*

II résulte de l'observation de ces spectres qu'il n'est émis aucun autre composé que N ₂ O (résidu non converti), NO ₂ /N ₂ O ₄ et HNO3, en plus des molécules O ₂ et N ₂ qui sont nécessairement présentes pour satisfaire au bilan chimique élémentaire, mais n'absorbent pas dans l'infrarouge

La quantification à l'aide de mélanges étalons montre que la concentration résiduelle de protoxyde d'azote n'est que de 281 parties par million en volume (ppmv), tandis que l'on a génère environ 2,4 % de NO ₂ Les traces de HNO3 résultent probablement de la dégradation de NO ₂ en présence de l'humidité résiduelle dans le montage Ces résultats sont en bon accord avec les développements théoriques donnés précédemment

Les gaz NO ₂ ZN ₂ O ₄ et FINO3 nuisibles sont ensuite piégés de façon définitive et irréversible sur de la chaux sodée

EXEMPLE 2 :

Dans la même installation que celle utilisée dans l'exemple 1, et dans les mêmes conditions d'utilisation, on introduit un mélange gazeux dont la teneur en N ₂ O a été augmentée.

Le mélange gazeux est le suivant :

Débit total 1 ,5 litre standard par minute (slm)

- N ₂ O 50% - O ₂ QS Le spectre FTIR du gaz après traitement (figure 5) montre une concentration résiduelle de 1681 ppmv N ₂ O tandis que l'on génère environ 3% de NO ₂ .

Le NO ₂ formé est alors piégé de façon définitive et irréversible sur de la chaux sodée.

EXEMPLE 3 :

En utilisant la même installation que dans l'exemple 1 et dans les conditions de l'exemple 1, on traite un mélange gazeux très proche du gaz expiré par un patient. La composition du gaz est la suivante : Débit total 3 litres standard par minute (slm). - CO ₂ 5 %

- H ₂ O vapeur 1 %

- N ₂ O 50 % - O ₂ QS

Le spectre FTIR du gaz après traitement est donné en figure 0. On voit qu'il reste 978 ppm N ₂ O et 1,6 % CO ₂ , tandis que 2,33 % NO ₂ et 440 ppmv HNO ₃ ont été générés.

NO ₂ et HNO3 formés sont alors piégés de façon définitive et irréversible sur de la chaux sodée.

Il est clair qu'une augmentation modérée de la puissance micro-ondes (jusqu'à environ 1000 W) permettrait d'abaisser facilement la concentration résiduelle de protoxyde d'azote en dessous de la valeur limite légale de 25 ppmv.

EXEMPLE 4 :

Une cartouche de zéolites remplie de gaz exhalés par les patients d'un cabinet dentaire anesthésiés par inhalation de Kalinox® est traitée par le procédé conforme à l'invention. La cartouche ne piégeant pas l'oxygène, les molécules adsorbées sur les zéolites représentent environ 90% en masse de N ₂ O, 10% de CO ₂ et des traces d'humidité.

La désorption est réalisée en effectuant un balayage à l'air à un débit de 60 litres standards par minute (slm).. La composition du gaz désorbé est alors d'environ 50% de N ₂ O et 5% de CO ₂ et des traces d'humidité. Ce mélange est alors soumis à un plasma micro-ondes à pression atmosphérique à une puissance de 4,5 kW.

Le gaz récupéré en sortie contient environ 15 ppmv de N ₂ O et est neutralisé sur un lit de chaux sodée.