Dans un système diphasique (gaz-liquide), les paramètres qui peuvent influencer le transfert de matière entre phases sont [11] :
- L’aire interfaciale gaz/liquide : cette aire est importante si le gaz est mis en contact avec le liquide sous la forme de fines bulles ce qui améliore le transfert (augmentation
127 Thèse IYA-SOU Djakaou « Élimination de solutés organiques polluants d’effluents liquides par plasma non thermique :
comparaison des processus mis en jeu à l’interface liquide - plasma dans les procédés GLIDARC et DBD » du temps de contact gaz-liquide)
- Le coefficient de partage gaz-liquide (constante de Henry)
- La présence de réactions chimiques consommant les espèces dissoutes : on parle alors d’absorption avec réaction chimique.
Par rapport à l’absorption purement physique des espèces, l’absorption avec réaction chimique a pour conséquence l’accélération du transfert de matière de la phase gazeuse vers la phase liquide.
Dans le cas de l’ozone, les réactions pouvant se produire en phase liquide sont sa décomposition en présence du l’ion OH° et des radiations UV [12, 13].
2O3 + OH° °OH+ O2°- +2O2 (IV-4) O3 + H2O+hv
2 °OH (IV-5)
Les radicaux OH° formés par ces deux réactions peuvent également réagir de nouveau avec les molécules d’ozone pour former des radicaux OH° supplémentaires.
Comparé à l’ozone, le H2O2 est plus stable en phase liquide. Cependant il peut également être décomposé rapidement en présence des radiations UV suivant la réaction [14] :
H2O2+hv
2 °OH (IV-6)
Concernant les réactions des espèces azotées, le dioxyde d’azote NO2 et sa forme dimère, le N2O4 réagissent avec les molécules d’eaux suivant les réactions suivantes [14,15] :
2NO2 + H2O
HNO2 + H+ + NO3- (IV-7) N2O4 + H2O
HNO2 + H+ + NO3- (IV-8) Pour ce qui est du NO, son absorption est généralement négligeable en raison de la faible valeur de la constante de partition de Henry (He = 1,8x10-5 mol/m3.Pa). Néanmoins il peut réagir en phase gazeuse avec le NO2 pour former le N2O3 qui s’absorbe beaucoup mieux (He = 0,26 mol/m3.Pa). Le N2O3 dissout peut réagir avec de l’eau pour former le HNO2
N2O3 + H2O
2HNO2 (IV-9) L’acide nitreux formé par les réactions IV-7 à IV-9 est instable et se décompose rapidement en acide nitrique et NO suivant la réaction [16,17] :
128 Thèse IYA-SOU Djakaou « Élimination de solutés organiques polluants d’effluents liquides par plasma non thermique :
comparaison des processus mis en jeu à l’interface liquide - plasma dans les procédés GLIDARC et DBD » En présence des radiations UV, la réaction ci-dessous peut également se produire :
HNO2+hv
°OH + °NO (IV-11)
Enfin, il peut y exister des réactions entres les espèces oxygénées et des espèces azotés, ou des espèces oxygénées entre elles :
O3+HNO2 O2 + H+ NO3- (IV-12) H2O2+ HNO2 H2O + H+ +NO3- (IV-13) H2O2+ 2O3 2 °OH + 3O2 (IV-14)
La présence des différentes réactions présentées ci-dessus est susceptible d’influencer le transfert de matière.
Les résultats des concentrations des oxydants totaux, des NOx et de l’ozone dans le gaz en sortie du réacteur en présence et en absence d’eau dans le réacteur sont illustrés sur les figures IV-2, IV-3 et IV-4 ci-dessous.
0 10 20 30 40 50 60 0 5 10 15 20 25 30 Co n c e n tra ti o n e n p p m v
Temps d'exposition au plasma (min)
[O3gaz]
[O3gaz]DD,H2O [O3gaz]PD,H2O
129 Thèse IYA-SOU Djakaou « Élimination de solutés organiques polluants d’effluents liquides par plasma non thermique :
comparaison des processus mis en jeu à l’interface liquide - plasma dans les procédés GLIDARC et DBD » 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 5 10 15 20 25 30 Co n c e n tra ti o n e n p p m v
Temps d'exposition au plasma (min)
[NOxgaz]
[NOxgaz]DD,H2O [NOxgaz]PD,H2O
Figure IV-3 : Absorption des NOx dans les deux modes de traitement
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 5 10 15 20 25 30 Co n c e n tra ti o n e n p p m v
Temps d'exposition au plasma (min)
[Oxydants Totaux gaz]
[Oxydants Totaux gaz]DD,H2O [Oxydants Totaux gaz]PD,H2O
Figure IV-4 : Absorption des oxydants totaux dans les deux modes de traitement
Les résultats présentés sur les figures IV-2, IV-3 et IV-4 nous montrent que l’efficacité d’absorption n’est pas la même dans les deux modes de traitements utilisés. L’absorption de
130 Thèse IYA-SOU Djakaou « Élimination de solutés organiques polluants d’effluents liquides par plasma non thermique :
comparaison des processus mis en jeu à l’interface liquide - plasma dans les procédés GLIDARC et DBD » l’ozone, des NOx et des oxydants totaux est nettement meilleure en mode PD qu’en mode de traitement DD à cause de la différence entre aires interfaciales gaz/liquide dans les deux modes de traitement utilisés.
S’agissant de l’absorption spécifique de chaque espèce, l’efficacité du transfert depuis la phase gaz vers la phase liquide a été calculée à partir des résultats obtenus en présence et en absence d’eau dans le réacteur selon la formule :
Les valeurs pour un temps de traitement égal à 10 minutes (temps pour lequel le régime permanent est atteint) sont présentées sur le tableau IV-4 :
Tableau IV-4 : Pourcentage des oxydants totaux, des NOx et de l’ozone gazeux transférés dans la
phase liquide pour les deux modes de traitement (10 minutes de traitements)
Espèces réactives Efficacité du transfert (DD mode) Efficacité du transfert (PD mode) O3 11 22 NOx 4.1 16 Oxydants totaux 22 33
Les valeurs présentées sur ce tableau montrent qu’en mode post décharge ou en mode décharge directe, le transfert des NOx est faible comparé à l’absorption de l’ozone et des oxydants totaux. L’efficacité du transfert de l’ozone est environ 3 fois supérieures et 1,5 fois supérieur à celui des NOx en modes DD et PD respectivement. Cette différence peut s’expliquer par le fait que les espèces considérées ont des solubilités différentes : He (Ozone) = 10-4 mol/m3.Pa, He (NO2)= 7x10-5 mol/m3.Pa et He (NO) = 1,5x10-5 mol/m3.Pa et par des différences entre les vitesses de consommation de ces espèces en solution. En mode DD, la décomposition de l’ozone en solution par les radiations UV (Réaction IV-5) pourrait accélérer
131 Thèse IYA-SOU Djakaou « Élimination de solutés organiques polluants d’effluents liquides par plasma non thermique :
comparaison des processus mis en jeu à l’interface liquide - plasma dans les procédés GLIDARC et DBD » son transfert de la phase gazeuse vers la phase liquide.
Comparé à l’absorption des NOx et de l’ozone, le transfert des oxydants totaux de la phase gazeuse vers la phase liquide est nettement meilleur dans les deux modes de traitement utilisés : Pour un temps de traitement égal à 10 minutes, les efficacités de transfert sont de 22% et 33% respectivement en modes DD et en mode PD, soit 2 fois et 5 fois de plus que l’ozone et les NOx en mode DD.
Cette différence pourrait s’expliquer par le fait que parmi les oxydants totaux se trouvent des espèces ayant une constante de Henry élevée comme le H2O2 (He = 1382) et/ou la présence des réactions en phase liquide qui consomment rapidement les espèces dissoutes.
En mode DD, la meilleure absorption des espèces oxydantes totales est due aux réactions supplémentaires qui consomment les espèces transférées qui peuvent avoir lieu en phase liquide. Ces réactions sont dues aux interactions avec les espèces à coutre durée de vie transférées et/ou obtenue par l’apport de l'irradiation de la lumière ultraviolette (UV). Par exemple, des espèces dissoutes telles que le H2O2 peuvent subir une décomposition en présence du rayonnement ultraviolet suivant la réaction IV-3.
L’objectif de ce qui suit est la quantification dans la phase liquide des espèces issues de l’absorption des espèces gazeuse dans la solution.