Soutenance de thèse de Muhammad Bilal ARIF

Composition du jury

    •    M. Christophe COQUELET : IMT Mines Albi, Centre RAPSODEE UMR CNRS 5302 - Directeur de thèse
    •    M. Carlo ADAMO : Chimie ParisTech, PSL University, i-CLeHS - Institute of Chemistry for Life and Health Science - Co-directeur de thèse
    •    M. Laurent JOUBERT : Rouen Normandy University - Rapporteur
    •    Mme Karine BALLERAT : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand - Rapporteure
    •    M. Thierry BILLARD : Université Claude Bernard Lyon 1 - Examinateur
 

Résumé

L'objectif du projet g3 est de mener une étude approfondie des sous-produits de décomposition générés sous contrainte d'arc électrique dans la chambre de coupure des disjoncteurs haute tension. Le mélange gazeux (C4F7N - CO2 - O2), également appelé g3, est largement utilisé comme substitut du gaz SF6 dans les disjoncteurs haute tension. Le SF6 est l'un des six gaz à potentiel de réchauffement global (PRG), avec un PRG de 24 900 identifié dans le Protocole de Kyoto de 1999. Après chaque essai de coupure, des échantillons de gaz pollués sont récupérés, puis détectés et quantifiés de manière exhaustive par les techniques d'analyse suivantes : détecteur à conductivité thermique, chromatographie en phase gazeuse, spectrométrie de masse (TCD-GC-MS) et infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Les principaux sous-produits sont le CO, COF2, CF4, C2F6, C3F8, CF3CN, C2F5CN, et (CN)2. Un étalonnage ultérieur des principaux sous-produits CF4, C2F6, C3F8, CF3CN, and COF2 a été réalisé avant et après la maintenance du GC-MS. La variation du facteur de réponse (Rf), qui représente la pente de la courbe de régression linéaire, reflète le vieillissement de la colonne GC et souligne la nécessité d'un étalonnage périodique des mélanges de gaz g3 pollués standard. Des calculs par la méthode de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) ont été réalisés pour comprendre en profondeur la voie de réaction possible du mélange de gaz isolant g3 (C3F7CN - CO2 - O2). Les interactions de C₄F₇N avec O₂ et l'oxygène atomique, ainsi que la dissociation individuelle des molécules constituées du système g3, ont été étudiées et analysées. Au total, 32 voies chimiques potentielles, dont huit réactions de recombinaison, ont été proposées pour le canal de réaction C₄F₇N + O. Parmi les trois principales réactions de dissociation de la molécule, C4F7NO  C3F3NO + CF4 and C4F7NO C2F5CN + CF2O, les voies de fission de liaison sont identifiées comme la voie thermodynamiquement favorable. La barrière énergétique pour ces deux réactions est respectivement de 91,7 kcal.mol-1 et 90,8 kcal.mol-1. Dans la deuxième partie de ce projet, l'analyse de l'hydrolyse du fluoronitrile (C3F7CN) est réalisée grâce à une combinaison d'approches expérimentales et de chimie quantique. Trois études de cas sont menées pour étudier en profondeur le processus de génération de cristaux en faisant varier les paramètres, notamment les niveaux d'humidité et divers tamis moléculaires, tels que la zéolite et le dessicant organique. L'utilisation du dessicant zéolithique conduit à la formation de cristaux aciculaires à différents niveaux d'humidité. En revanche, les dessicants organiques produisent des cristaux en forme de paillettes, et la concentration en cristaux récupérés est plus élevée que celle des tamis moléculaires zéolithiques. Ces deux dessicants entraînent la formation de cristaux ; une élimination rigoureuse de l'humidité est donc essentielle. De plus, les cristaux produits sont de nature amide ou dimère, et peuvent être distingués en déterminant leur point de fusion par calorimétrie différentielle à balayage (DSC). L'étalonnage de l'amide en phase vapeur est réalisé par GC-MS sur divers échantillons standard, et les calculs du modèle thermodynamique ont révélé la pression partielle maximale de l'amide dans des conditions données. Les voies d'hydrolyse du C4F7N consistaient en l'attaque de l'eau sur le fluoronitrile, entraînant la formation de divers sous-produits solides tels que l'amide, le dimère et le trimère, conduisant finalement à des molécules tétramères. Globalement, cette étude fournit une base solide pour comprendre l'interaction du C4F7N avec l'eau et identifier les sous-produits formés après l'arc électrique dans le disjoncteur industriel, étayée par une base de données théorique DFT complète.
 

Mots-clés

G3 Project, Disjoncteurs, Théorie de la fonctionnelle de la densité, Hydrolyse du fluoronitrile.