Deux médias photo-catalytiques ont été utilisés, chacun apportant leurs contraintes techniques et scientifiques. Dans un objectif général de maîtrise des réacteurs photo-catalytiques, et plus particulièrement dans un objectif d’optimisation de l’exploitation de la lumière, il est naturel de vouloir comparer ces deux médias en termes de performances photo-catalytiques.
Dans la littérature, la notion d’efficacité photo-catalytique a été introduite pour pouvoir comparer les performances photo-catalytiques à l’échelle du procédé ou du média. Les termes de rendement quantique et photonique sont également employés (Brandi et al., 2003; Martín et al., 1996; Ohko et al., 1997). Les auteurs Parmon, Emeline et Serpone précisent dans un glossaire (Parmon et al., 2002), que le terme de rendement quantique est emprunté à la chimie homogène et s’emploie de façon monochromatique. Il prend également en compte dans sa définition le nombre de photons absorbés par le milieu. Pour le terme « rendement photonique », les auteurs précisent qu’il s’emploie lorsque c’est le nombre de photons incidents sur la surface externe apparente du média qui est utilisée pour le calcul.
L’efficacité photo-catalytique, précédemment définie en Équation 3-41, comptabilise le nombre de photons incident sur la paroi du photo-réacteur. Cette définition permet une comparaison directe entre deux réacteurs. En revanche, elle ne permet pas d’estimer l’efficacité photo-catalytique du média en tant que tel, c’est-à-dire sa faculté à utiliser efficacement le rayonnement reçu. Dans cet objectif, l’efficacité photo-catalytique peut être redéfinie à partir du nombre de photons absorbés par le milieu réactionnel qui n’est autre que la VVMAER introduite lors du chapitre 2 :
8 = #fBf F DF Équation 3-51
Où 8 est la vitesse volumétrique moyenne d’absorption de l’énergie radiante (VVMAER) en W.m-3. Elle peut s’exprimer en W en la multipliant par le volume réactionnel. La première définition introduite ne requiert pas la modélisation du transfert radiatif dans le milieu contrairement à la seconde.
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En partie expérimentale, l’efficacité photo-catalytique a été calculée à l’échelle du réacteur pour comparer les performances photo-catalytiques des réacteurs selon les conditions opératoires employées. Dans cette partie, c’est l’efficacité photo-catalytique à l’échelle des médias qui nous intéresse pour pouvoir les comparer entre eux. Elle ne peut se déterminer expérimentalement pour des mêmes conditions opératoires car les réacteurs des deux médias ont des volumes différents, donc des temps de passage différents. Le Tableau 3-15 renvoie ces différences. Mousse Suspension Caractéristique 20 PPI 2 kg.m-3 Coefficient d’extinction (m-1) 402 157 Épaisseur (m) 0,016 0,02 Épaisseur optique (-) 6,44 3,13
Volume de solution (mL) =ba† = 270 =ba† = 300 Volume réactionnel (mL) =- = ε=33 = 70 =-≅ =ba† = 300
Surface irradiée (cm²) 50 150
Tableau 3-15 Récapitulatif des caractéristiques des médias et des caractéristiques des réacteurs. Afin de pouvoir comparer les deux types de mise en forme, l’option retenue a consisté à simuler les performances des deux médias dans un réacteur identique : les temps de passage sont identiques, les surfaces de captation et les volumes réactionnels et notamment l’épaisseur sont identiques. Le fond du réacteur est pris en inox par défaut. De plus, la comparaison est réalisée pour des conditions a priori proches des conditions optimales en termes d’utilisation du rayonnement incident. Pour se faire il s’agit de rechercher le PPI pour la mousse, ou la concentration pour la suspension qui maximise la VVMAER pour une épaisseur de réacteur fixée.
Comme à 16 mm, le PPI de la mousse était déjà optimal, cette épaisseur de réacteur a été retenue et c’est la concentration en photo-catalyseur qui est ajustée pour conduire à l’absorption totale du rayonnement, ceci grâce au modèle radiatif mis au point.
On observe (Figure 3-64) que l’irradiance est plus élevée proche de la paroi soumis au flux incident de photons (x = 0 m) pour la mousse ce qui s’explique par le fait que
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ci rétrodiffuse dans l’UV comme expliqué dans le chapitre 2 section V. De plus, la mousse atténue plus rapidement la lumière.
Figure 3-64 Irradiances et VVLAER de la mousse de 20 PPI et de la suspension à 7 g/L à 375 nm et 1 W.m-2 incident. = 230 m-1 et 8 = 237 m-1.
Les caractéristiques du réacteur retenu pour permettre le calcul des efficacités photo-catalytiques à l’échelle des médias sont fournies dans le Tableau 3-16. Ce réacteur simulé a un volume de solution fixée à 300 mL et un volume réactionnel fixé à 70 mL.
Mousse Suspension
Caractéristique 20 PPI 7 kg.m-3
Coefficient d’extinction (m-1) 402 549
Épaisseur (m) 0,016 0,016
Épaisseur optique (-) 6,44 8,78
Volume de solution =ba† = 300 =ba† = 300 Volume réactionnel (mL) =- = ε=33 = 70 =- = 70
Surface irradiée (cm²) 50 50
Tableau 3-16Normalisation des caractéristiques géométriques des RPA ouverts.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,000 0,005 0,010 0,015 Ir rad ian ce ( W .m -2) Profondeur (m) mousse suspension 0 50 100 150 200 250 0,000 0,005 0,010 0,015 V V LA E R ( W .m -3) Profondeur (m)
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Les modèles des réacteurs ouverts sont exploités pour les deux mises en forme avec pour conditions opératoires une concentration d’entrée en caféine de 10 mg.L-1, un débit volumique de 5 ml.min-1 et différentes densités de flux. Concernant la suspension, le profil de la VVLAER qui intervient dans la loi cinétique (Équation 3-45) a simplement été ajusté pour correspondre aux nouvelles conditions opératoires. Les résultats sont fournis dans le
Tableau 3-17.
Mousse Suspension
Densité de flux incidente (W.m-2) 10 20 40 10 20 40
VVMAER (J.s-1) 0,039 0,079 0,158 0,050 0,099 0,198 Capacité de traitement instantanée
(×10-10 kg.s-1) 1,61 2,55 3,79 0,62 0,97 1,52
Efficacité photo-catalytique
(×10-13 kg.J-1) 20,04 8,09 3,01 6,22 2,46 0,96
Tableau 3-17Comparaison des efficacités photo-catalytiques des deux médias pour différentes densités
de flux incidentes une fois le régime permanent de dégradation établi.
On constate que pour une même consigne d’irradiation, quelle que soit celle-ci, la mousse a une efficacité photo-catalytique plus élevée que la suspension. Elle est près de trois fois plus élevée que celle de la suspension. Par exemple, pour une densité de flux élevée de 40 W.m-2, l’efficacité photo-catalytique de la mousse est de 3,01×10-13 kg.J-1 contre 0,96×10-13
kg.J-1 pour la suspension.
Les suspensions développent plus de surface que les matériaux supportés car en supportant le catalyseur, une partie des sites photo-catalytiques devient inaccessible (Chong et al., 2010). En revanche, dans notre cas, la suspension utilisée est de l’aeroperl filtré. La majorité des particules fines ont été retirées or ce sont celles qui assurent une surface développée élevée, ce qui peut en partie expliquer ce résultat.
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