Procédé de photocatalyse hétérogène en mode continu sous conditions d’irradiation dynamique
I. Matériel et méthode
I.3 Montages expérimentaux de photo-dégradation
Les montages de photo-dégradation ont été conçus de manière à pouvoir fonctionner en mode batch ou continu. Dans les deux cas (Figure 3-40), les conditions de fonctionnement ont été pensées de manière à pouvoir considérer les montages comme des réacteurs parfaitement agités. Le respect de ces contraintes, associé à la volonté de tester le photo-catalyseur sous la forme d’une suspension ou sous forme supportée, a imposé d’adapter le montage au type de média testé.
(a) Mode batch (b) Mode continu
Figure 3-40 Illustration du mode batch (a) et du mode continu (b) de fonctionnement d’un réacteur parfaitement agité. ; : densité de flux incidente ; =- : volume du photo-réacteur ; &- : surface irradiée du photo-réacteur ; ;¡ : débit volumique ; f : concentration d’entrée ; : concentration.
0 10 20 30 40 50 4:00 7:00 10:00 13:00 16:00 19:00 D e n si té d e f lu x i n ci d e n te ( W .m -2) Heures solaires Juillet moyenne Décembre moyenne Décembre nuageux Décembre ensoleillé V ; Sr Vr ; Sr ;Ã, Ä ;Ã,
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I.3.1 Photo-réacteur configuré pour la suspension
Le montage expérimental spécifique à la suspension est illustré en Figure 3-41. L’enjeu de ce montage est de permettre un fonctionnement en mode continu sans pertes du dioxyde de titane à la sortie du réacteur. L’objectif sous-jacent est de maintenir le media dans le montage, seule alternative pour envisager à terme un développement sur site d’un pilote à grande échelle travaillant en mode continu. La mise au point d’un système de séparation a fait l’objet de nombreux essais qui sont résumés dans un rapport technique en annexe A. Le fait de réutiliser constamment le média soulève également des interrogations sur son vieillissement comme il sera détaillé en section I.5.
Dans le cas d’un fonctionnement en mode continu, le réacteur comprend deux parties disposées en série : le photo-réacteur (et son système d’agitation) sur lequel est fixé le décanteur qui permet la séparation physique des particules de dioxyde de titane. Le réacteur est alimenté par le bas par une pompe péristaltique (Watson Marlow® 205U) qui permet de régler le débit d’entrée dans le système avec une plage de 0 à 10 mL.min-1.
Figure 3-41 (a) Photographie et (b) schéma du réacteur dans le cas de la suspension. 1 : pompe péristaltique, 2 : enceinte opaque contenant le photo-réacteur et système d’agitation, 3 : panneau de DEL, 4 : décanteur, 5 : vanne de prélèvement.
Le photo-réacteur, illustré sur les Figure 3-42 et 3-43, est un réacteur plan de 300 mL (15 cm de hauteur ; 10 cm de largeur et 2 cm de profondeur) positionné à la verticale et fixé dans une enceinte opaque contenant le panneau de DEL qui éclaire sa face avant. Sa structure est en inox et sa face incidente en PMMA de 7 mm d’épaisseur (dont les
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caractéristiques sont détaillées en section III.2 du chapitre 2). C’est la partie du système contenant le dioxyde de titane en suspension soumis à irradiation, donc où se produit la réaction de photocatalyse. L’agitation est assurée par un barreau aimanté entraîné par un aimant tournant extérieur au réacteur (Figure 3-42).
(a) Face avant (b) Face arrière
Figure 3-42 Photographies des faces avant (a) et arrière (b) du photo-réacteur vide et du système d’agitation : aimant tournant en face arrière du photo-réacteur et barreau aimanté dans le photo-réacteur.
La géométrie plane a été adoptée de manière à obtenir de manière naturelle une irradiation uniforme sur la totalité de la surface. Une géométrie cartésienne permet également de faciliter le traitement du couplage rayonnement - cinétique réactionnelle et tout particulièrement la résolution de l’équation de transfert radiatif. Cette géométrie est loin d’être une géométrie idéale pour obtenir un fonctionnement de type réacteur parfaitement agité. Néanmoins, le système d’agitation employé permet de travailler avec une concentration en photo-catalyseur qui apparaît comme homogène à l’échelle du réacteur. D’un point de vue hydrodynamique, comme démontré par les expériences préliminaires présentées par la suite, le photo-réacteur peut être assimilé à un réacteur parfaitement agité.
Le décanteur, illustré sur la Figure 3-43, d’une capacité de 50 mL, est placé en sortie du photo-réacteur. Sa fonction est d’assurer la décantation du media pour le maintenir dans le photo-réacteur. En pratique, et en raison des faibles débits testés, la très grande partie de la séparation se fait dès la sortie du photo-réacteur dans le tube qui sépare le réacteur du décanteur : la vitesse de fluide est suffisamment faible pour permettre aux particules présentes de décanter et de revenir vers le photo-réacteur. La solution de fluide sans la présence des
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particules, quitte alors le décanteur par débordement via le tuyau d’évacuation (Figure 3-43). Ce dispositif nécessaire pour pouvoir tester un fonctionnement en réacteur ouvert génère un volume supplémentaire qui n’est pas préjudiciable dans l’exploitation des résultats expérimentaux. En effet, le prélèvement des échantillons s’effectuant par la vanne positionnée en face arrière (Figure 3-41 n°5 ou Figure 3-42) du réacteur (et non pas en sortie de décanteur), le décanteur ne fait pas partie du volume réactionnel irradié.
Figure 3-43Photographies du photo-réacteur en vue de face rempli de dioxyde de titane à 3 kg.m-3 et du
décanteur avec le tuyau d’évacuation.
I.3.2 Photo-réacteur intégrant un matériau supporté
L’utilisation du média photo-catalytique sous la forme supportée permet de s’affranchir de la problématique de séparation du photo-catalyseur de l’effluent à traiter.
Le photo-catalyseur supporté a été présenté plus en détail en chapitre optique section II.1.2. Son épaisseur est de 16 mm au maximum, sa largeur de 5 cm et sa hauteur de 10 cm. Un support inerte a donc été réalisé par impression 3D (Roger Garcia, service CAO/DAO-PROMES) pour ajuster la zone d’écoulement de l’effluent à la zone occupée par la mousse dans le photo-réacteur (Figure 3-44).
La zone libre située en-dessous de la mousse (entrée de l’effluent) favorise une vitesse d’entrée uniforme sur toute la section d’écoulement. La zone située au-dessus de la mousse (sortie de l’effluent) contribue à homogénéiser la concentration par diffusion avant la sortie du réacteur.
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Figure 3-44 Photographie du photo-réacteur contenant le support et la mousse de 16mm et 20 PPI. Vue de face.
Afin de rendre le réacteur parfaitement agité, une boucle de recirculation est connectée en face arrière du photo-réacteur (Figure 3-45). Elle impose la recirculation en boucle fermée du fluide à fort débit grâce à une pompe péristaltique (débit d’environ 1 L.min-1) et assure la circulation du fluide dans le média poreux. Des connexions sur la boucle de recirculation (n°5 pour l’entrée et 6 pour la sortie, Figure 3-45) permettent le fonctionnement en mode continu du réacteur dont le débit d’alimentation est contrôlé par une seconde pompe péristaltique aux faibles débits (la même que sur le montage de la suspension).
Figure 3-45 Photographie du réacteur dans le cas du dioxyde de titane supporté. 1 : Pompe péristaltique d’alimentation ; 2 : Enceinte opaque et photo-réacteur ; 3 : panneau de DEL ; 4 : Pompe péristaltique d’agitation ; 5 : connexion d’entrée ; 6 : connexion de sortie.
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