Caractérisation du Sonoréacteur

Caractérisation du Sonoréacteur

La cavitation acoustique, la formation et l’effondrement implosif des bulles, se produisent lorsqu’un liquide est exposé à des ondes ultrasonores intenses [1]. L’implosion de ces bulles peut être suffisamment violente pour mener à d’intéressants effets chimiques, et la bulle agit en tant que hot spot localisé générant une température d’environ 5000 K et une pression qui excède les 1000 atmosphères. La phase vapeur des bulles est considérée comme étant un siège où des réactions de combustion et de pyrolyse vont avoir lieu, ce qui induit et accélère diverses réactions chimiques, connu sous le terme de sonochimie [2]. Lors de l’irradiation de l’eau par des ultrasons, les radicaux HO• sont formés par la décomposition thermique de H2O au moment de l’implosion de la bulle selon la réaction (I.1). En plus de cette dissociation homolytique, la décomposition de H2O en H2 et en atome d’oxygène peut être envisageable par la réaction (I.2) [3].

Le nombre des radicaux hydroxyles ainsi que celui des espèces chimiques formés par les irradiations ultrasonores dépend considérablement de beaucoup de paramètres expérimentaux tels que la puissance des ultrasons, la fréquence, la température de la solution et la quantité de gaz dissous. Il y a un grand besoin de relier l’efficacité de la réaction sonochimique à l’énergie utilisée pour produire les irradiations ultrasonores .Plusieurs méthodes de calcul de l’efficacité sonochimique sont valables. Le plus simple paramètre étant la puissance électrique fournie au transducteur. Aussi, on trouve la mesure de la pression sonore par un hydrophone qui est un moyen utile pour déterminer la distribution de l’intensité des ultrasons au sein du sonoréacteur. Par ailleurs, la méthode calorimétrique est souvent employée pour spécifier la puissance ultrasonore dissipée dans la solution. Un grand nombre de chercheurs ont examiné la corrélation entre l’énergie thermique générée et les effets sonochimiques .

Les dosimétries chimiques sont proposées comme méthodes directes pour la mesure de l’efficacité sonochimique ainsi qu’un moyen de quantification des espèces oxydantes dans l’intégralité de la solution [8]. Ces dosimétries sont basées sur des réactions d’oxydation ou de réduction se produisant dans des solutions aqueuses. Parmi les dosimétries actuellement utilisées, on cite la dosimétrie de Fricke (l’oxydation de Fe2+ en Fe3+), la dosimétrie KI (I- en I3Lors de cette étude, la préparation de la totalité des solutions a été réalisée en utilisant de l’eau distillée et les différents réactifs employés ont été utilisés sans purification préalable.

Les expériences menées le long de ce travail de recherche ont été réalisées à l’aide d’un appareil développé par l’équipe du Professeur C. Pétrier au Laboratoire Rhéologie et Procédés de l’Université Joseph Fourier de Grenoble, France. Il s’agit d’un réacteur en verre d’une capacité maximale de 500 mL, muni d’une double enveloppe qui sert à maintenir la température constante au sein du réacteur. Les irradiations ultrasonores sont introduites au fond de la solution grâce à une céramique piézo-électrique ( = 4 cm) opérant à une fréquence de 300 kHz et protégée par une plaque circulaire en Pyrex ( = 5 cm). La céramique est alimentée par un générateur d’ultrasons permettant de travailler à différentes puissances électriques.

Les expériences menées le long de ce travail de recherche ont été réalisées à l’aide d’un appareil développé par l’équipe du Professeur C. Pétrier au Laboratoire Rhéologie et Procédés de l’Université Joseph Fourier de Grenoble, France. Il s’agit d’un réacteur en verre d’une capacité maximale de 500 mL, muni d’une double enveloppe qui sert à maintenir la température constante au sein du réacteur. Les irradiations ultrasonores sont introduites au fond de la solution grâce à une céramique piézo-électrique ( = 4 cm) opérant à une fréquence de 300 kHz et protégée par une plaque circulaire en Pyrex ( = 5 cm). La céramique est alimentée par un générateur d’ultrasons permettant de travailler à différentes puissances électriques.Le prélèvement d’échantillons pour le suivi du traitement en cours a été effectué par pipetage d’une certaine quantité de solution pendant des intervalles de temps bien définis. La mesure de la concentration des espèces au cours de la sonolyse a été réalisée dans des cuves en quartz de 1 cm de trajet optique à l’aide d’un spectrophotomètre UV-Visible (JENWAY). La résolution de la longueur d’onde et la largeur de la bande sont de 1 nm et 0,5 nm respectivement.

Méthode calorimétrique

Une partie de l’énergie acoustique est convertie en chaleur lors de la propagationdes ondes ultrasonores dans un milieu liquide, qui se traduit par l’augmentation de la température du liquide de quelques dizaines de degrés pour une durée de quelques minutes, si le système n’est pas thermostaté. Le fait de remonter à la puissance électrique consommée autorise des comparaisons énergétiques .Si la masse du liquide soumise aux ultrasons m (en kg) et sa capacité calorifique massique à pression constante Cp (en J/kg.K) sont connues, l’élévation de la température par unité de temps ((dT/dt) en K/s) induite par le passage des ultrasons peut facilement être convertie en apport d’énergie, en utilisant l’équation :La détermination des puissances acoustiques dissipées au sein des solutions irradiées a été réalisée en faisant varier les puissances électriques fournies par le générateur, et en mesurant l’élévation de la température de l’eau distillée durant 300 secondes (Figure I.2). On note que la double enveloppe du sonoréacteur est vidée pour minimiser les échanges de chaleur.