2.2. Description du dispositif
2.2.12. Gazomètre GV
La quantité de CO2 quittant le piège est mesurée à l'aide de deux gazomètres placés en série en aval du piège. Un tour équivaut à 1 litre pour le premier (nommé 1L) et à 5 litres pour le second (nommé 5L). Cette double lecture permet une vérification de la mesure de volume.
Ces appareils contiennent un volant constitué de quatre compartiments en forme de pale d'hélice, dont les volumes sont connus. Une garde d'eau assure l'étanchéité entre les circuits d'entrée et de sortie. Son nivellement garantit la précision des volumes des compartiments de mesure. Sous l'effet de la différence de pression entre l'entrée et la sortie du gazomètre, le volant est entraîné en rotation, découvrant successivement les quatre compartiments de mesure. Chaque compartiment rempli est ensuite évacué vers la sortie.
L'étalonnage des deux gazomètres est réalisé à l'aide d'un volume étalon, V0. Ce volume est mesuré avec une grande précision en utilisant une presse de chargement dont la position du piston est connue au 1/1000ème de mm. Ce volume étalon est rempli d'un gaz à une pression P1, puis la pression est diminuée jusqu'à P2 en faisant passer le gaz sortant de ce volume dans les gazomètres.
Nous avons donc :
PV
1 0 =n Z RT
1 1a
P V
2 0 =n Z RT
2 2a
( 2.3 )
où Pi est la pression dans V0, ni le nombre de moles dans V0 à la pression Pi, Ta la température ambiante, Zi le facteur de compressibilité du gaz à la pression Pi et à la température Ta, et R la constante des gaz. Le nombre de moles issues du volume étalon est donc :
(
n
-n
) = (P
- )Z
P
Z
V
RTa
1 2 1 1 2 2 0 ( 2.4 )Ce nombre de moles se trouve ensuite à la pression atmosphérique Pa :
(
n
-n
) =P V
RT Z
a a
a a
1 2 ( 2.5 )
avec Za le facteur de compressibilité du gaz à la pression Pa et à la température Ta, et Va le volume à Pa et Ta des moles issues de V0. En égalisant les deux expressions précédentes, on obtient le volume Va :
V P
Z
P
Z
V Z
P
a a
a
=⎛ − ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ 1 1 2 2 0 ( 2.6 )Le volume Va est aussi le volume passant dans les gazomètres. Il est donc possible maintenant d’étalonner les gazomètres en faisant passer un volume de gaz connu Vvrai, égal à Va.
La pression atmosphérique Pa est lue sur un baromètre de Fortin et le capteur de pression utilisé (associé au volume étalonné) est un capteur 25 MPa, étalonné de la même façon que le capteur PTX 611 du dispositif expérimental de mesure de solubilité. Les valeurs du coefficient de compressibilité Z s o n t o b t e n u e s d a n s d e s t a b l e s [ENCYCLOPÉDIEDES GAZ, 1976].
Le bon fonctionnement des gazomètres nécessite le réglage d'un niveau d'eau, qui d'une part permet l'étanchéité entre l'entrée et la sortie, et d'autre part fixe l'exactitude des volumes mesurés. Ce réglage se fait à l'aide d'un pointeau qui doit affleurer la surface de l'eau, après avoir fait passer du gaz dans les gazomètres pour que le niveau corresponde réellement à celui
Nous avons dans un premier temps observé l'influence de la variation de ce niveau sur la réponse des gazomètres. Le premier gaz utilisé est l'azote. Il est très peu soluble dans l'eau : son coefficient de Bunsen, correspondant au volume de gaz dissous par unité de volume d'eau à la température de l'expérience sous pression partielle de gaz de 1 atm, est égal à 0,01557 [ENCYCLOPÉDIEDES GAZ, 1976].
L'erreur relative du volume mesuré par les gazomètres, Vlu, par rapport à la valeur obtenue par l'équation ( 2.6 ), Vvrai, est présentée en fonction du niveau d'eau (Figure 2.6). Le niveau de référence, correspondant à une variation nulle sur la Figure 2.6, est choisi pour le réglage qui semble correct. Comme on peut le voir, la variation de l'erreur relative est pratiquement linéaire avec le niveau. La pente du gazomètre 5L est plus faible car sa contenance en eau est plus importante ce qui le rend moins sensible à la variation du volume d'eau. Nous pouvons également constater que les deux gazomètres donnent la même réponse lorsqu'ils sont au niveau de référence, ce qui montre que le réglage est correct. Cependant, cette valeur Vlu diffère d'environ 3 % de la valeur obtenue avec le volume étalon Vvrai.
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 -150 -100 -50 0 50 100 150
Variation du volume d'eau (ml) Gazomètre 1L
Gazomètre 5L
Figure 2.6. Variation de la réponse des gazomètres avec le niveau d'eau
Une autre méthode d'étalonnage a été utilisée afin de comparer les résultats. Elle utilise un régulateur de débit disponible au laboratoire. Pour cette méthode, les deux gazomètres sont placés en série à la sortie du régulateur et le débit est fixé à une valeur constante, Q0, mesurée
à l'aide d'un débitmètre à bulle. Ensuite, le volume de gaz passé pendant un temps t dans les gazomètres, Vlu, est mesuré. Le volume de référence Vvrai est donc :
Vvrai
=Q
0×t
( 2.7 ) avec = ∆V
∆ ∆V
Q
Q
t
t
vrai
vrai
0 0 × ( 2.8 )Un exemple est présenté ci-dessus :
Vvrai = (42,4 ± 0,3) dm3 gazomètre 1 L : Vlu = 42,6 ± 0,2 dm3 gazomètre 5 L : Vlu = 42,7 ± 0,2 dm3
( 2.9 )
Les deux gazomètres fonctionnent donc correctement. La première méthode d'étalonnage ne semble finalement pas correcte (volume mort, erreur sur la température, ...). L'incertitude utilisée sur le volume sera celle donnée par le constructeur, c'est-à-dire ±0,5 %.
Les résultats précédents montrent l'importance du niveau d'eau dans les gazomètres. Il est donc important qu'il reste constant tout au long de la mesure de solubilité. Comme le dioxyde de carbone est soluble dans l'eau, coefficient de Bunsen égal à 0,8704 [ENCYCLOPÉDIEDES GAZ, 1976], le dispositif expérimental est modifié (Figure 2.7).
Figure 2.7. Modification du montage expérimental pour la mesure du volume de CO2
Avant de commencer la mesure et de régler le niveau, l'eau remplissant les gazomètres doit être saturée en gaz en faisant passer du CO2. Pendant la mesure, la modification permet la saturation du CO2 en eau avant l'arrivée aux gazomètres. Ainsi, l'eau et le gaz sont en équilibre et le niveau d'eau reste constant pendant toute la durée de la mesure.
Sortie
1L 5L
Déverseur CO2
Eau