Etudes préliminaires pour la caractérisation de la décharge

Deux électrodes (HT) en inox d’une longueur de L= 3 cm et de diamètres différents ont été testées.

Figure II. 14. a) Photographie des deux électrodes hautes tension. b) Photographie de l’électrode avec d= 0,4 mm avec coupure nette.

Les diamètres internes sont de 0,4 et de 0,61 mm respectivement, tandis que les diamètres externes sont de 0,7 mm et de 0,9 mm (épaisseurs = 0,15 mm).

Avec ces deux électrodes, nous avons d’abord réalisé une étude qualitative en imagerie, puis nous avons réalisé plusieurs études spectroscopiques et optiques avec le réacteur mono-pointe (figure II.1), le spectromètre Acton® SP 2750 et la caméra intensifiée Andor iStar ont aussi été utilisés. Ces études ont été effectuées plusieurs fois (plus de trois fois) afin de vérifier la répétabilité des mesures.

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II.3.3.1. Imagerie par caméra ICCD

Des images des décharges ont été enregistrées par caméra ICCD pour chaque aiguille, et pour différentes compositions de gaz. Le dispositif utilisé reste le même que celui décrit dans la figure II.11.

La fréquence utilisée est toujours de 2 kHz, mais la tension varie entre Upp= 8 kV et Upp = 12 kV. Le temps d’exposition est de 200 µs.

Dans les DBD à pression atmosphérique, les espèces actives telles que les radicaux OH^● sont créées dans les filaments de décharge [94,98]. Pour atteindre des performances intéressantes, un bon contact entre les espèces actives et les polluants-cibles doit être obtenu. Si tel n’est pas le cas, les espèces actives auront tendance à diminuer rapidement par des réactions de recombinaison.

Les images recueillies (figure II.15) en caméra intensifiée permettent d’observer qu’avec les aiguilles de plus faibles diamètres, une plus grande surface du liquide est au contact avec le plasma, ce qui peut favoriser son interaction avec les molécules d’eau à traiter, et produire une plus grande quantité de radicaux OH^● (celui-ci provenant probablement de la dissociation de l’eau).

Chaque filament observé avec l’électrode HT d’un diamètre interne de 0,4 mm a un diamètre d'environ 100 m et une durée de vie de l'ordre de plusieurs dizaines de ns [110].

Figure II. 15. Images des différentes décharges obtenues avec réacteur mono-pointe en fonction du diamètre des électrodes HT et du milieu gazeux. Distance liquide-électrode : 5 mm ; f= 2 kHz ;

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II.3.3.2. Spectroscopie d’émission optique (SEO)

Une étude par spectroscopie d’émission optique a été réalisée afin de comparer l’intensité émise du radical hydroxyle OH^● dans différentes conditions opératoires, ainsi que pour la détermination des températures rotationnelles. Le montage expérimental utilisé pour cela est représenté sur la figure II.13.

Dans cette étude, la fibre optique collectait seulement la lumière émise par la région au ras de l’aiguille (à 1 mm de l’aiguille), c’est-à-dire à environ 1 mm de la pointe de l’aiguille. Des études préliminaires ont démontré que la région où l’émission est la plus intense est la région « haute » proche de la pointe de l’aiguille HT [111,112].

Les analyses de spectroscopie d’émission optique ont été effectuées avec une solution d’eau d’un volume de 10 mL, sous différentes compositions de gaz injecté. D’abord en utilisant a) un débit de gaz de 10 sccm d’air, puis b) 10 sccm d’argon (mais dans une atmosphère d’air ambiant). Les spectres d’émission optique obtenus sont représentés sur la figure II.16.

Figure II. 16. Spectres d’émission optique (10k acquisitions, 600 traits.mm-1) du plasma des bandes de OH● autour de = 308 nm en fonction des diamètres internes des électrodes HT (0,4 et 0,61 mm) et du milieu gazeux. en utilisant a) un débit de gaz de 10 sccm d’air, puis b) 10 sccm d’argon (mais dans une

atmosphère d’air ambiant)Distance surface liquide-électrode : 5 mm ; f= 2 kHz ; Upp = 14 kV ; Débit de gaz 10 sccm.

a

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D’après la figure II.16, les bandes moléculaires du radical OH● et N2 peuvent être facilement identifiées [15,111] dans la zone 305-320 nm. Les bandes moléculaires du radical OH^● sont caractérisées par trois bandes situées à 306,4 nm, 306,8 nm et 309 nm. Si nous nous basons sur la raie de OH^● à 309 nm sur les spectres, on constate que la production des radicaux OH^● est beaucoup plus élevée avec une aiguille d’un diamètre interne plus petit (Din= 0,4 mm). En revanche, pour une aiguille d’un diamètre de 0.61 mm, l’intensité des radicaux OH● est presque négligeable. Cette grande différence entre l’intensité des radicaux OH● est probablement due à l’aspect du plasma à la position « haut » de l’espace aiguille-eau. Avec un diamètre plus grand, le plasma se concentre en un seul canal qui n’est pas situé au milieu de l’espace électrode-surface du liquide, ce qui provoquera une mauvaise collecte de l’émission.

Sur la figure II.15, on remarque que l’aspect du plasma à la position « haut » est un canal qui se situe sur l’un des deux côtés (droite ou gauche) de l’aiguille. La fibre optique est placée au centre du milieu de cet espace pour la collecte la lumière. De ce fait la divergence du canal à droite ou à gauche de l’aiguille induit une mauvaise collecte de lumière. Rappelons qu’avec une l’aiguille Din= 0,4 mm, l’aspect du plasma représente des filaments avec un plus grand diamètre de contact plasma-surface du liquide. Cette grande concentration d’intensité provoquerait une évaporation plus importante de l'eau, ce qui peut augmenter la production des radicaux OH^● (comme décrit dans la partie I.3.3).

Avec les mêmes conditions opératoires, mais en changeant seulement la nature du gaz injecté, on remarque que l’intensité des radicaux OH● est plus importante avec un débit d’argon qu’avec un débit d’air. Deux hypothèses peuvent être proposées pour expliquer ce phénomène :

 L’effet de la puissance, et la présence de l’argon, en raison de la réaction entre l’argon métastable et H2O, plus de radicaux hydroxyles sont formés [113] :

Ar* + H2O → OH●+ H^●+ Ar (Eq II.6)  La présence d’argon métastable favorise aussi l’excitation des radicaux OH●

initialement dans l’état fondamental :

Ar* + OH^● → Ar + OH●* (Eq II.7) Dans les deux cas, l’augmentation de la quantité d’argon métastable favorise l’augmentation de la quantité de radicaux hydroxyles excités, donc la lumière émise par ce radical.

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En se basant sur la morphologie du plasma et la meilleure production des radicaux OH^●, l’électrode de faible diamètre sera retenue pour les travaux concernant le traitement des molécules pharmaceutiques.