CHAPITRE V: ETUDE PARAMÉTRIQUE DE LA CONVERSION DE L’ACIDE
V.1.4 Etude de la température sur l’évolution du taux de conversation
Dans cette partie, nous allons mesurer expérimentalement l’évolution de la température de la phase liquide en fonction du temps d’exposition au plasma et faire une simulation pour montrer dans quelle mesure l’évolution de la température peut favoriser le transfert de matière.
Avec agitation (%) Sans agitation (%)
Expérience 1 33,88 66,84
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persistants dans les effluents aqueux, Thèse de Doctorat en cotutelle, UPMC, UY1. (2016) Page 133 V.1.4.1 Variation de la température par rapport au temps de traitement
La solution d’acide acétique (1 mmol/l) a été exposée au plasma pendant 45 min avec et sans agitation. La température du milieu est mesurée à l’aide d’un thermocouple. Toutes les 15 min de traitement, la décharge est éteinte pendant 10 min afin de laisser refroidir la solution. L’évolution de la température suivant le temps d’exposition est donnée par la figure suivante (Il s’agit de la moyenne de deux expériences indépendantes).
Figure V-3: Evolution de la température en fonction du temps
Il ressort de cette figure que la température du milieu évolue par rapport au temps d’exposition et que la température de la solution traitée sans agitation est supérieure à celle traitée avec agitation. Cela montre que l’agitation de solution traitée ralentit l’échauffement de la solution. En effet, l’agitation a pour effet d’homogénéiser le milieu. Le mouvement du liquide causé par l’agitation favorise l’évacuation de la chaleur générée par la décharge, ce qui a pour conséquence la diminution de la température.
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persistants dans les effluents aqueux, Thèse de Doctorat en cotutelle, UPMC, UY1. (2016) Page 134 V.1.4.2 Simulation de l’influence de la température sur le stripping du polluant. Pour comprendre l’effet de la température sur le taux d’élimination de notre polluant, le transfert de l’acide acétique de la solution vers le gaz en présence de la décharge avec et sans agitation a été modélisé. Dans cette modélisation, nous considérons uniquement l’influence de la décharge sur la température de la solution. L’influence de la décharge sur l’agitation de la solution sera supposée négligeable.
A l’interface gaz-liquide, l’équilibre thermodynamique est établi. La constante de Henry permet d’établir la relation entre la concentration en phase gaz et liquide de l’acide acétique à l’interface gaz-liquide. g L e C C H
Cg: Concentration de la solution en phase gazeuse; CL Concentration de la solution en phase liquide; He: constante de Henry.
La constante de Henry de l’acide acétique en fonction de la température est calculée par [1]:
298 1 1 6400 10 . 3 , 9 3 T EXP KAA
Pour décrire le transfert de l’acide acétique à l’interface gaz-liquide, nous avons utilisé la théorie de double film (Lewis et Whitman). De ce fait, le flux de matière j transféré entre un milieu liquide et un milieu gazeux s’écrit donc [2]:
G j j L j j GL K S P P* K S C* C GL est le flux de matière de l’espèce j entre la phase gazeuse et liquide (mol.s-1) ; KG et KL sont respectivement le coefficient de transfert de l’espèce j côté phase gazeuse (en m.s-1) et côté phase liquide (m.s-1) ; S la surface d’échange en m2 ; Pj et *
j
P sont respectivement les pressions partielles (en Pa) de j dans le gaz et à l’équilibre thermodynamique avec le liquide de concentration j C . j C et * j
C sont respectivement les concentrations (en mol.m-3) de j dans le liquide et à l’équilibre thermodynamique avec le gaz de pression
j
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persistants dans les effluents aqueux, Thèse de Doctorat en cotutelle, UPMC, UY1. (2016) Page 135 V.1.4.3 Calcul des évolutions de concentrations en phases liquide et gaz des flux de transferts des matières (Ф)
Le bilan en acide acétique en phase gazeuse s’écrit :
g g gaz Q C dt dC V
Q et Cg sont respectivement le débit d’argon (0,5 L/min) et la concentration en acide acétique dans la phase gazeuse.
est le flux d’acide acétique transféré de la solution vers la phase gazeuse (mol.s-1) Vgaz est le volume de la phase gazeuse contenue dans le réacteur (L)
Si on considère que 0 dt dCg alors : g C Q
Le Bilan en acide acétique sur la phase liquide s’écrit: dt dC V l solution
Vsolution : Volume d’acide acétique en phase liquide Cl : Concentration d’acide acétique en phase liquide
En intégrant la constante de Henry, le bilan en acide acétique sur la phase liquide devient :
l g He
L S C C K
K
Les valeurs de KLS avec et sans agitation ont été déterminées à partir des résultats expérimentaux issus d’expériences de stripping (sans décharge) avec et sans agitation. En effet on suppose que la décharge n’a pas d’influence sur les mouvements de convection dans la solution. La méthodologie a consisté à faire varier KLS jusqu’à obtenir un pourcentage d’élimination identique à celui obtenu par l’expérience.
Les valeurs de KLS donnant une concentration numérique en stripping proche de l’expérience, sont 4,5.10-4 et 5,6.10-4 (m3/s) respectivement avec et sans agitation. Il ressort
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persistants dans les effluents aqueux, Thèse de Doctorat en cotutelle, UPMC, UY1. (2016) Page 136 que KLS obtenu sans agitation est légèrement supérieur à celui obtenu avec agitation. , car dans les valeurs expérimentales utilisées pour déterminerKLS, le stripping sans agitation est supérieur au stripping avec agitation. Dans le modèle, on fait varier la température de la solution en se basant sur les résultats expérimentaux (figure V-3).
Après l’intégration sous Excel, le tracé de la courbe de la concentration en composé restante en solution en fonction du temps est présenté par la figure ci-dessous.
Figure V-4 : Concentration restante d’acide acétique par rapport au temps de traitement
Il ressort de cette figure que le stripping du polluant varie en fonction de l’évolution de la température. Le tableau V-4 permet d’analyser ce phénomène.
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persistants dans les effluents aqueux, Thèse de Doctorat en cotutelle, UPMC, UY1. (2016) Page 137 Tableau V-4 : Elimination expérimentale et par modélisation de l’acide acétique, avec et
sans agitation
Les résultats issus de la modélisation indiquent que le taux d’élimination du polluant avec agitation (14%) est inférieur à celui obtenu sans agitation (21%). Cette même tendance est observée avec les résultats expérimentaux (33,88% avec agitation et 66,84% sans agitation). Ainsi, le stripping de l’acide acétique peut expliquer seulement en partie l’augmentation du taux d’élimination en l’absence d’agitation. La différence observée entre les valeurs numériques et expérimentales de l’élimination de l’acide acétique peut s’expliquer par le fait que, dans le modèle, nous avons tenu compte uniquement du transfert de l’acide acétique sous l’effet de la température. En revanche, dans la réalité, en plus du transfert de l’acide acétique du liquide vers le gaz, la diffusion des espèces radicalaires générées par la décharge depuis la phase gaz vers la phase liquide intervient également dans l’élimination du polluant. Le transfert des espèces radicalaires générées par le plasma dans la phase liquide serait donc lui aussi favorisé par l’élévation de la température, le taux d’élimination avec agitation (33.88%) étant quasiment la moitié de celui obtenu sans agitation (66.84%). L’influence de la température sur la quantité d’espèces radicalaires (•OH) pouvant s’absorber dans le liquide
pourrait s’expliquer par l’augmentation de la concentration en radicaux •OH générés par la
décharge lorsque la température augmente. En effet la température a une grande influence sur la pression de vapeur saturante de l’eau, et donc sur la concentration en eau en phase vapeur. Or, plus la concentration de l’eau en phase gaz sera élevée, plus la concentration de radicaux •OH générés par la décharge sera élevée.
Par ailleurs, le générateur de haute fréquence utilisé génère une puissance de 9.32 W soit 16.776 KJ d’énergie dissipée sous forme de chaleur pendant 30 minutes. Cette chaleur favorise l’élimination de notre polluant en raison (i) de l’augmentation de la concentration en
•OH générés dans la phase gazeuse et (ii) du stripping de l’acide acétique dans une moindre
Expérimental Modélisation
Agitation Sans agitation Agitation Sans agitation Elimination de
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persistants dans les effluents aqueux, Thèse de Doctorat en cotutelle, UPMC, UY1. (2016) Page 138 mesure. Ce transfert du polluant de la phase liquide vers la phase gazeuse pourrait cependant être un problème, la pollution étant uniquement déplacée.