Expériences préliminaires de caractérisation de l’écoulement

En absence d’irradiation, des expériences, dites de charge et de décharge des réacteurs, ont été effectuées pour vérifier et valider le caractère parfaitement agité des montages expérimentaux précédemment présentés. Pour les expériences de charges, le réacteur contient initialement de l’eau puis, à t = 0 min, un échelon de concentration en caféine est imposé à l’entrée. La concentration en sortie est mesurée jusqu’à l’atteinte du régime permanent caractérisé dans ce cas par des concentrations identiques en entrée et sortie de réacteur. Les expériences de décharge consistent à alimenter les réacteurs, contenant initialement une solution de caféine à une concentration donnée, par une solution d’eau jusqu’à atteindre à nouveau la convergence des concentrations d’entrée et de sortie (ie concentration de caféine de 0 mg.L-1) . Pour chacune des expériences, le média photo-catalytique (suspension ou supporté) était présent afin de caractériser l’écoulement en conditions d’utilisation.

Pour que ces essais soient validés, il a fallu préalablement vérifier que la caféine ne s’adsorbe pas sur les médias. Dans nos conditions expérimentales, à savoir une utilisation d’eau pure (de conductivité de 18 MΩ.cm) et à température ambiante, aucune adsorption de la caféine sur le dioxyde de titane qu’il soit supporté ou en suspension, n’a été mesurée.

I.4.1 Modèle hydrodynamique

En l’absence de réaction chimique, dans le cas d’un fonctionnement en mode continu, le modèle hydrodynamique d’un RPA est défini ci-dessous dans le cas d’un fluide incompressible.

* _ÅÆÇ

* = ;_{¡ f}−;_¡ A Équation 3-39

Où =_ba† est le volume de solution qui circule dans le réacteur en m3 ; ;_¡ est le débit

volumique d’alimentation (débit d’entrée égal au débit de sortie) en m3.s-1 ; _f est la concentration d’alimentation en kg.m-3 et est la concentration de sortie du réacteur en kg.m-3 qui est également la concentration au sein du réacteur dans le cas d’un RPA.

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Ce modèle est un bilan matière en polluant dans le réacteur. Le terme de gauche représente le terme d’accumulation du polluant dans le photo-réacteur, le premier terme de droite est le terme d’entrée dans le réacteur et le second de sortie du réacteur.

I.4.2 Cas du matériau en suspension

Lorsque le montage expérimental est configuré pour la suspension, les prélèvements pour connaitre l’évolution de la concentration en caféine sont effectués au moyen d’une vanne située côté face arrière en haut du photo-réacteur avant la sortie vers le décanteur (Figure

3-41). La solution prélevée provient donc du photo-réacteur et, sous l’hypothèse qu’il est

parfaitement agité, est représentative de l’évolution de la concentration en caféine en sortie de celui-ci.

Pour le remplissage, panneau éteint, le photo-réacteur contient initialement de l’eau et du dioxyde de titane à la concentration de travail de 2 kg.m-3. À l’instant initial (t = 0 min), le photo-réacteur est alimenté avec une solution de caféine à la concentration d’environ 10 mg.L-1 à un débit volumique de 10 mL.min-1. La solution de caféine va alors progressivement remplacer l’eau présente dans le photo-réacteur. La sortie du montage se fait par débordement au niveau du décanteur comme expliqué précédemment. Une fois le régime permanent atteint, qui se caractérise dans les conditions de travail par une concentration de sortie égale à la concentration d’entrée (10 mg.L-1), le photo-réacteur est alimenté en entrée avec une solution d’eau pure. La concentration en caféine dans le réacteur baisse progressivement jusqu’à atteindre une valeur égale à zéro.

Le volume du photo-réacteur, qui est occupé par la suspension (eau, caféine, dioxyde de titane) vaut 300 mL. À 2 kg.m-3, qui est la concentration de travail en dioxyde de titane, la fraction volumique en dioxyde de titane est très faible, de 0,05 %, donc le volume de solution =_ba† (eau, caféine) est confondu avec le volume du photo-réacteur (eau, caféine, dioxyde de titane) par la suite. Pour ce volume, le modèle RPA permet de représenter l’évolution de la concentration dans le photo-réacteur en l’absence de réaction chimique, comme illustré sur la Figure 3-46 où les données calculées (d’après l’Équation 3-39) et expérimentales concordent.

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Figure 3-46 Points expérimentaux de charge (■) et décharge (♦) en caféine du photo-réacteur

contenant du TiO2 à 2 kg.m-3 pour un débit volumique d’entrée de 10 mL.min-1. Traits pleins : valeurs modélisées. Cas de la suspension.

Le temps de séjour moyen est dans le cas d’un RPA égal au temps de passage, È = ÅÆÇ pœ . Ce temps permet de prévoir le temps de charge ou de décharge. Il est établi que pour atteindre une concentration de sortie égale à 95% de la concentration d’entrée, il faut alimenter le montage durant 3τ (Villermaux, 1994). Dans les conditions de test (=_ba† = 300 mL, ;_¡ = 10 mL.min-1), au moins 150 min sont nécessaires pour remplir le réacteur.

I.4.3 Cas du matériau supporté

La même démarche a été appliquée au cas du réacteur contenant le matériau supporté et adapté à ce dernier (Figure 3-45). Des expériences de charges et de décharges ont ainsi été effectuées pour différents débits volumiques et pour une concentration d’alimentation en caféine autour de 9 mg.L-1_. Pour ces expériences, la mousse de 20 PPI-16 mm était présente dans le réacteur. 0 2 4 6 8 10 0 100 200 300 400 500 C o n ce n tr a ti o n e n c a fé in e (m g .L -1) Temps (min)

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Figure 3-47 Charges et décharges du réacteur ouvert pour différents débits volumiques. En charge : ;¡= 4 mL.min-1 (●) ; ;¡= 6 mL.min-1 (◊) et ;¡= 8,7 mL.min-1 (■). En décharge : ;¡ = 4 mL.min-1 (●) et ;¡= 8 mL.min-1 (□). Traits pleins : valeurs modélisées. Cas du supporté.

Davantage d’expériences ont été effectuées en raison d’une difficulté supplémentaire pour la mesure expérimentale du volume de solution circulant dans le réacteur, difficulté liée à l’ajout de la boucle de recirculation. Le volume total de solution (eau + caféine) circulant dans le réacteur est mesuré à environ 270 mL. En appliquant l’Équation 3-39 à ce volume de solution, on constate que les données calculées et expérimentales concordent pour l’ensemble des expériences de charge et décharge effectuées. L’ajout de la boucle de recirculation à fort débit permet de considérer que l’ensemble du montage se comporte comme un réacteur parfaitement agité et donc que la concentration en caféine y est uniforme.

Les réacteurs mis au point pour les deux matériaux photo-catalytiques, sont donc bien des réacteurs parfaitement agités d’un point de vue hydrodynamique.

I.5 Réutilisations successives des médias et protocoles