Dispositifs expérimentaux

La principale méthode permettant de mesurer la dégradation des gaz par photocatalyse consiste à utiliser une enceinte étanche (ou réacteur) contenant les échantillons, illuminée, et dans laquelle est créée une atmosphère artificiellement chargée en polluants gazeux. Deux types de dispositifs peuvent être distingués :

 statique : au début de l’expérience, l’enceinte est remplie d’un gaz de concentration connue en polluants. L’évolution des concentrations en gaz polluants dans l’enceinte est suivie par prélèvement et analyse d’une quantité d’air,

 dynamique : un flux d’air pollué circule au travers de l’enceinte, le prélèvement s’effectue dans le flux d’air en sortie de l’enceinte.

D'une manière générale, l'évolution de la concentration en gaz à l’intérieur de l’enceinte est la somme de plusieurs phénomènes :

 un effet de puits relatif aux équilibres d’adsorption/désorption sur les murs de l'enceinte,  une adsorption des espèces chimiques sur la surface de l'échantillon,

 une dégradation par photolyse directe par lumière UV (dégradation des liaisons consécutive à une absorption de lumière),

 une dégradation par photocatalyse sous irradiation lumineuse.

Pour évaluer la part de polluants dégradés par photocatalyse, il est nécessaire de prendre en compte la contribution des trois premiers phénomènes. Dans ce but, il est possible d'effectuer des essais « à blanc » au cours desquels un échantillon dépourvu de son agent photocatalytique est introduit dans l'enceinte. Des tests dans l’obscurité en présence de l’échantillon photocatalytique et des tests en lumière UV en l’absence de l’échantillon photocatalytique doivent également être menés.

2.1 Dispositifs de type dynamique

Normes ISO 22197 sur l’oxydation du NO et du toluène par photocatalyse

Les normes ISO 22197-1 (2007) et ISO 22197-3 (2008) décrivent un dispositif de type dynamique dont le but est d’évaluer la dégradation de l’oxyde nitrique NO et du toluène par des échantillons photocatalytiques de surface 100 x 50 mm². La Figure I-4 représente de manière schématique les

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éléments nécessaires à la mise en place du dispositif. Elle montre en particulier les éléments nécessaires au contrôle du débit et de l’humidité du gaz introduit dans le réacteur.

Figure I-4 : Schéma d’un dispositif conforme à la norme ISO 22197-1 (2007) (dimensions en millimètres)

Les concentrations initiales des polluants à mesurer étant faibles (fixées à 1 ppm), il est nécessaire de limiter autant que possible les effets de puits sur les murs de l’enceinte. Dans ce but, l’enceinte doit être construite à l’aide de matériaux présentant de faibles capacités d’adsorption et une résistance aux UV élevée. Les résines acryliques, l’acier inoxydable, le verre et les polymères fluorocarbonés font partie des matériaux utilisables. De plus, la source lumineuse n’étant pas contenue dans le

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réacteur, il est nécessaire que la partie séparant l’échantillon de la lampe ait une faible absorbance aux longueurs d’onde supérieures à 300 nm. Pour cet élément de l’enceinte, du quartz ou du verre borosilicaté peuvent être utilisés.

Ces normes donnent également des spécifications sur la lampe à utiliser. Elle doit émettre dans la partie UV-A du spectre dans une gamme de longueur d’ondes comprise entre 300 nm et 400 nm. Ces caractéristiques peuvent être obtenues à l’aide de lampes noires, de lampes fluorescentes avec un maximum d’émission se trouvant vers 350 nm. Une lampe à xénon équipée d’un filtre bloquant les longueurs d’ondes inférieures à 300 nm et supérieures à 400 nm peut également être utilisée. La distance entre la lampe et le réacteur doit être ajustée afin d’obtenir une irradiance UV de 10 ± 0,5 W.m-2. Cette valeur peut être vérifiée à l’aide d’un radiomètre.

Norme expérimentale XP B44-011 sur l’oxydation d’un mélange NO/NO2 par

photocatalyse

La norme XP B44-011 (2009) est semblable à la norme ISO 22197-1 (2007). Toutefois, les conditions d’essai divergent sur plusieurs points :

 les concentrations initiales sont fixées à 500 ppb en NO et à 250 ppb en NO2,

 la surface de l’échantillon exposée à la source lumineuse est de 200 x 100 mm² (100 x 50 mm² pour la norme ISO 22197).

Norme ISO 16000-9

La norme ISO 16000-9 (2006) donne les spécifications d’une chambre d’essai dans le but de doser l’émission de composés organiques volatils de produits de construction et d’objets d’équipement. Cette chambre d’essai est un système dynamique composé :

 d’un sous-système permettant un contrôle du débit d’air entrant dans la chambre,

 de la chambre d’essai à proprement parler, comprenant un système de surveillance de la température et de l’humidité relative et d’un dispositif de brassage d’air et de contrôle de la vitesse de l’air,

 d’un collecteur de prélèvement d’air et d’une sortie d’air.

Certains auteurs (Salthammer et Fuhrmann 2007 ; Auvinen et Wirtanen 2008) se basent sur les descriptions de cette norme pour évaluer la dégradation des polluants sous forme gazeuse par photocatalyse. Les modifications se font principalement au niveau de l’entrée d’air où un flux de concentration connue en polluant est inséré. L’évaluation de l’efficacité photocatalytique se fait ensuite en comparant les concentrations obtenues en sortie de l’enceinte avec les concentrations

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initiales. Cette évaluation prend également en compte les conditions d’éclairage et les résultats obtenus en l’absence d’échantillon photocatalytique.

Dispositifs non normalisés

Dans la plupart des cas, on constate que les dispositifs expérimentaux non normalisés qui sont utilisés en laboratoire sont généralement peu éloignés des cas présentés ci-dessus. En effet, les systèmes dynamiques sont privilégiés, ils permettent notamment de prélever de grands volumes d’échantillonnage sans déstabiliser le système. Le dispositif utilisé par Strini et al. (2005), dont le principe est représenté par la Figure I-5, est ainsi un exemple représentatif des dispositifs expérimentaux utilisés pour la mesure de la dégradation des gaz par photocatalyse. On remarque notamment la présence d’un système de double enceinte, permettant d’éviter la montée en température pouvant être provoquée par l’éclairage, et d’un système de brassage de l’air au sein de l’enceinte photocatalytique. Concernant ce dernier point, une géométrie d’enceinte cylindrique est préférable pour obtenir une atmosphère homogène. De plus, le dimensionnement du réacteur est un des facteurs pouvant avoir un impact sur les phénomènes observables. Le choix de dimensions réduites permet de minimiser les limitations par transfert de matière externe (déplacement des composés de la phase gazeuse vers la surface photocatalytique) et de favoriser les réactions de surface.

Figure I-5 : Dispositif expérimental utilisé par Strini et al. (2005)

Néanmoins, la première publication internationale d’essais normalisés étant très récente (2007 pour la norme ISO 22197-1), des différences expérimentales sensibles au niveau des concentrations en

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polluant, des temps de résidence du gaz dans le réacteur ainsi que la taille et géométrie de ce dernier sont constatées dans la littérature. De ce fait, les performances de dépollution des différents matériaux testés sont difficilement comparables.

2.2 Dispositif avec recirculation du polluant dans le réacteur

Ce type de fonctionnement est généralement appliqué à l’étude du traitement de l’eau par photocatalyse. Toutefois, ce type de réacteur est parfois utilisé pour l’étude de la dégradation de COV par photocatalyse (Sauer et Ollis 1996 ; Neti et al. 2010), il a pour avantage de permettre la conservation d’un mélange gazeux homogène.

2.3 Dispositifs de type statique

Dans ce type de système, des réacteurs de volumes supérieurs à ceux rencontrés dans des systèmes dynamiques sont généralement utilisés pour permettre d’effectuer de nombreux échantillonnages de gaz sans déstabiliser le système.

Norme expérimentale XP B44-013 pour la mesure d’efficacité des systèmes photocatalytiques pour l’élimination des composés organiques

Dans la norme XP B44-013 (2009), le système photocatalytique à étudier est placé à l’intérieur d’une enceinte confinée (volume minimal de 1 m3) et est exposé à un mélange modèle de COV : acétone, acétaldéhyde, heptane et toluène. Un premier test est réalisé à une concentration de 250 ppbv par composé dans le but d’identifier les sous-produits de réaction. Un deuxième test est réalisé à une concentration de 1000 ppbv par composé dans le but de suivre le taux de minéralisation des COV en CO2.

Dispositifs non normalisés

Maggos et al. (2007a) ont mené des expériences de dégradation des NOx à l'aide d'une chambre métallique de 30 m3 (Indoortron) dans le cadre du projet PICADA. Ce type de dispositif permet de recréer des conditions de température, d'humidité relative, de lumière et de concentration en polluants rencontrés dans des conditions réelles d'utilisation. L’appareillage analytique est placé directement à l’intérieur de l’enceinte.