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Propriétés de l’hydrogène
Propriétés physiques : L’hydrogène de symbole H et de numéro atomique 1 est le premier élément du tableau périodique.
D’après la théorie de big bang, il est le premier élément qui apparaît. Dans l’univers 75% de la masse de toute la matière dans les étoiles et les galaxies sont de l’hydrogène. Le soleil brûle 620 millions de tonnes d’hydrogène pour convertir en 615,7 millions de tonnes d’hélium par seconde. Le tableau suivant montre les propriétés physiques de l’hydrogène.
Propriétés chimiques : L’hydrogène est un très bon réducteur puissant. Les éléments qui réagissent généralement avec l’hydrogène sont : Les Oxydes, des métaux, Les chlorures des métaux : cuivre, argent, bismuth, plomb, mercure…, Les Hydrures: PH3, H2S, et NaH, Les non-métaux : Cl pour former HCl ; N pour former NH3; O2 pour forme H2O2, Les composés organiques…
Production d’hydrogène par des biomasses
Le procédé est basé sur la gazéification, qui est une méthode thermochimique pour transformer en combustible gazeux les biomasses solides (charbon, résidu forestiers …).La réaction chimique est similaire à l’oxydation partielle des résidus pétroliers.
Quatre grandes étapes de procédé: Phase de séchage, Pyrolyse : décomposition de la matière organique (100 °C – 600° C, en absence d’oxygène). La pyrolyse produits des gaz volatil : CO, CO2, CH4, C2H6…, des gaz condensables : eau, goudrons légers, acides acétiques et formiques, méthanol… et des fractions solides : coke ou charbon.
Combustion : Oxydation partielle par injection d’agent oxydant (O2, H2O, air..) ; la chaleur fournie par cette phase est nécessaire pour l’ensemble de procédés.
Réduction : cette phase est appelée gazéification qui est la transformation du charbon en gaz, la température atteindra jusqu’à 1000°C et plus ; des réactions thermochimiques s’effectuent pour produire de CO et H2.
Production d’hydrogène à partir de l’eau
L’eau est la source de production d’hydrogène le plus abondant sur la planète, car elle renferme 72% de la surface de la Terre.
Décomposition de l’eau par cycle thermochimique : Le procédé est basé sur la dissociation des molécules d’eau par des réactions chimiques en chaîne. Des réactifs initiaux autres que l’eau se régénèrent pendant le processus, et forment une boucle fermée en présence d’eau. On rencontre deux types de réactions chimiques dans le cycle :
la réaction de production de base d’hydrogène de type endothermique ; la réaction de régénération de substances chimiques initiales de type exothermique, mais produit aussi d’hydrogène et oxygène.
Production d’hydrogène par photo-électrolyse de l’eau : La photo-électrolyse est basée sur la production d’hydrogène par dissociation de molécule d’eau. Des électrodes en semi-conducteurs assurent les réactions de productions qui sont divisées en quatre étapes ci-dessous :
Production de paire d’électron sur la photo-anode qui provoque de lacune électronique au niveau du matériau.
L’oxydation de l’eau à la photo-anode, l’oxygène comble les trous de deux électrons. Déplacement de la paire d’électrons et les protons H+ vers la cathode. Réduction des H+ en H2.
L’énergie minimale pour déclencher la réaction est de 1,229 volt, le semi-conducteur mise en œuvre jusqu’à présent n’a pas la caractéristique nécessaire pour la production massive. Le TiO2 et AsGa fournissent la tension suffisante, mais ce sont des semi-conducteurs à large gap. Des améliorations sont en cours d’étude en laboratoire comme à l’Université de Tokyo qui a construit un photo-catalyseur de sulfure mixte Ag-Cu-In, avec une production de 3,1l/h/m².
Acier inoxydable
L’acier inoxydable ou inox en norme européenne est un alliage de métal qui est composé de 10,5% de masse de chrome minimum, et 1,2% de carbone. Éventuellement l’inox est un métal qui résiste au phénomène de corrosion, l’élément principal qui joue l’anticorrosion dans ce métal est le chrome. Ce dernier réagit avec le dioxygène pour former une couche protectrice nommée couche passive. En 1913 Harry Brearley des Laboratoires de Brown-Firth est le premier inventaire de l’inox, il travaille sur la corrosion des armes à feu, on nomme ce métal stainsless (sans tache ou pur) qui est composé de 0,24% Carbone et 12,8% chrome.
De nos jours d’autres éléments métalliques sont ajoutés à l’acier pour augmenter certains caractères spécifiques :
Nickel : Renforce la propriété de ductilité, de malléabilité. Augmente son caractère anticorrosif. Molybdène et cuivre : améliore la propriété d’anticorrosion en milieu acide, phosphorique, soufré… Tungstène : donne une performance à la température élevée. Silicium : augmente la résistivité aux oxydants forts (acides nitriques ou sulfuriques concentrés). Titane : élimine la formation directe de carbure de chrome qui diminue les caractères inoxydables d’une surface élémentaire lors de la soudure du métal. Le carbure de titane est formé à la place de carbure de chrome. Niobium : même caractère de fonctionnement que le titane à une température élevée lors d’une soudure à l’arc électrique.
L’inox est divisé en quatre grandes familles :
Acier martensitique : Celle-ci a une caractéristique de résistance mécanique importante, avec 13% de chrome, au moins 0,08% de carbone et un faible pourcentage de Nickel. Il est généralement utilisé dans des constructions mécaniques comme l’acier.
Acier ferritique : Teneur en chrome peut atteindre jusqu’à 27%, 0,08% de carbone. Parfois on ajout de molybdène pour améliorer l’anticorrosion du métal et du titane et/ou niobium pour la meilleure performance de soudabilité.
Acier austénitique : L’alliage contient 20% de chrome, 0,1% de carbone, 5 à 25% de Nickel . C’est la famille d’acier inoxydable le plus utilisé à cause de ses propriétés: résistance mécanique importante et résistance chimique élevée.
Acier duplex : L’acier est composé d’austénitique et ferritique dont la propriété d’anticorrosion et mécanique se rassemble, sa limite d’élasticité est entre 200-600Mpa et la résistance à la rupture est de 850 Mpa. On l’utilise souvent dans un milieu agressif en acide, chloré ou marin.
Table des matières
Introduction générale
PARTIE I : Généralité de l’hydrogène
CHAPITRE I : Propriétés de l’hydrogène
I.1 Propriétés physiques
I.2 Propriétés chimiques
CHAPITRE II :Production d’hydrogène
II.1 Production d’hydrogène à partir des énergies fossiles
II.1.1 Vaporeformage
II.1.2 Oxydation préférentielle
II.1.2 Oxydation partielle
II.2 Production d’hydrogène par des biomasses
II.3 Bio production d’hydrogène par des micro-organismes
II.3.1. Microorganismes photosynthétiques
II.3.2 Microorganisme anaérobie
II.4 Production d’hydrogène à partir de l’eau
II.4.1 Décomposition de l’eau par cycle thermochimique
II.4.2 Production d’hydrogène par photo-électrolyse de l’eau
II.4.3 Production d’hydrogène par électrolyse de l’eau
CHAPITRE III : Acier inoxydable
III.1 Généralités
III.1.1. Acier martensitique
III.1.2. Acier ferritique
III.1.3 Acier austénitique
III.1.4 Acier duplex
PARTIE II Etude expérimentale de l’électrolyse de l’eau
CHAPITRE IV : Principe de base
IV.1 Les 3 vibrations de la molécule d’eau
IV.2 Aspect thermodynamique de l’eau
IV.3 Tension théorique minimale et tension pratique de l’électrolyse de l’eau
IV.4 Quantité de courant consommé et quantité de matière produite
IV.5 Rendement d’un électrolyse
CHAPITRE V : Conception du procédé : électrolyse
V.1 Choix d’électrolyte
V.2 Choix d’électrodes
V.3 Membrane séparateur d’hydrogène et oxygène
V.4 Réalisation de l’électrolyse
V.4.1 Générateur submergé
V.4.2 Générateur non submergé
V.5 Système d’alimentation de la cellule
V.5.1 Alimentation du générateur submergé
V.5.2 Alimentation du générateur non submergé
Partie III Résultats expérimentaux et interprétations
CHAPITRE VI Les essais expérimentaux
VI.1 les appareils de mesure
VI.2 Résultats expérimentaux et interprétations
VI .2.1 Générateur submergé
VI.2.2 Générateur non submergé
VI.2.3Calcul de rendement de l’électrolyseur
VI.3 Perspective
CONCLUSION GÉNÉRALE
