Procédure expérimentale

a) Étape d’ensemencement :

L’ensemencement de la surface du tube cylindrique par une fine couche de glace est nécessaire pour que la croissance démarre dès le début de l’application de la rampe de refroidissement.

Shirai et coll (1999) ont mis en évidence l’importance de l’ensemencement préliminaire permettant une séparation par congélation des eaux usées plus efficace.

Système d'acquisition des données 1 7 2 3 1. Tube cylindrique 2. Cuve en double enveloppe 3. Solution salée 4. Couche de glace 5, 6. Bains thermostatés 7. Bouchon de vidange 8. Téflon 9. Caméra Vidéo 8 5 6 T2 4 9

Air (en mode agité)

Tde,1

Tde,2

Tdg,2

cristallisation. Expérimentalement, nous avons par exemple observé qu’en opérant nos rampes de refroidissement habituelles, la cristallisation n’avait toujours pas débuté avec un surrefroidissement de 2°C, c'est-à-dire à une température de l’ordre de grandeur de la température finale de la rampe. Pour un surrefroidissement de 3,5°C, le temps d’induction est encore d’environ 20 min. La nucléation est alors suivie par une croissance très rapide entraînant la formation de dendrites.

Par conséquent, durant tous nos essais, la procédure d’ensemencement suivante est suivie :

Le tube cylindrique, en contact avec l’air est refroidi à -6°C jusqu’au givrage de la surface, ensuite il est introduit quelques secondes dans une burette remplie d'eau distillée. On forme ainsi une couche d'ensemencement uniforme d’une masse d’environ 3g.

b) Étape de la congélation en mode statique

Des solutions synthétiques eau - NaCl de différentes concentrations sont préparées et introduites (300g) dans la cuve en verre et refroidies jusqu'à la température initiale. On règle ensuite la température du tube cylindrique à la température d'équilibre de la solution puis on l'introduit dans la cuve. On lance alors la rampe de refroidissement, l'acquisition des températures et l’acquisition vidéo.

Lorsque la température finale est atteinte, l'étape de congélation est achevée et la solution concentrée en sel est évacuée par la vanne de fond. Finalement, la couche de glace restante est fondue. La saumure évacuée et la solution obtenue par fusion de la glace sont systématiquement pesées et analysées.

c) Étape du ressuage

Le ressuage est une étape effectuée après la congélation et la séparation de la saumure. La couche de glace adhérente à la surface du doigt de gant subit un léger chauffage pour fondre les zones polluées à l’intérieure. Dans notre cas, la température du ressuage désirée est contrôlée par le réfrigérant qui circule dans le doigt de gant. Lors de la vidange de la saumure et de l’égouttage, la température du doigt de gant est maintenue à la température finale de la rampe de congélation. Pour le ressuage, la

de l’étape de ressuage, quel que soit le mode opératoire adopté. Le liquide qui draine au cours du ressuage est régulièrement prélevé et analysé. La couche finale de glace est enfin fondue totalement en élevant la température du doigt de gant. L’eau douce obtenue est alors recueillie et analysée.

La perte de masse durant le ressuage exprimée en pourcentage est donnée par la relation suivante : 100 M M M r g r _× ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +

Où Mg est la masse de glace obtenue après le ressuage et Mr est la masse du liquide de

ressuage.

d) Étape de la congélation en mode agité

Les essais en dynamique sont menés en injectant un flux d'air à travers une spirale en polyéthylène, placée en bas de la cuve dans l'espace annulaire (figure II.1). Le tuyau de 1,5 mm de diamètre intérieur est percé de 4 trous de 0,5 mm. Avant son entré dans la cuve, l'air est refroidi à travers un serpentin plongé dans un bain thermostaté. La procédure expérimentale est semblable à celle adoptée en mode statique, sauf sur deux points : l’alimentation d’air est ouverte avant le remplissage de la cuve par la solution initiale et la masse de solution initiale utilisée est réduite à 280g à cause de la rétention volumique des bulles d’air. Durant tous les essais en dynamique, des rampes de refroidissement parallèles sont appliquées dans le doigt de gant et dans la double enveloppe afin d’avoir un gradient thermique faible entre les deux.

e) Analyse chimique des échantillons

La concentration des échantillons est déterminée par la méthode gravimétrique. Elle consiste à évaporer un échantillon (environ 1ml) dans une étuve pendant 12h à 90°C. Les capsules vides et celles contenant l’échantillon et l’extrait sec sont pesées par une balance (Sartorius CP225D) de précision (à 0,01mg). La concentration en sel dans l’échantillon est alors donnéepar le rapport :

1000

m

m

m

m

)

kg

/

g

(

C

_×

−

−

=

Avec

m2 , la masse de l’ensemble capsule+extrait sec (g) ;

m1 , la masse de l’ensemble capsule+ échantillon initial (g) ;

m0 , la masse de la capsule vide (g).

Nous avons privilégié la gravimétrie plutôt que la mesure de la conductivité vu sa précision. En outre, les échantillons contiennent parfois une quantité de solution insuffisante pour permettre leur analyse par conductivité. C’est en particulier le cas lors de l’étude du ressuage.

f) Analyse en chambre froide

Des échantillons de glace sont coupés minutieusement de la couche adhérente sur le tube cylindrique et transportés dans une boite isolante vers une chambre froide maintenue à -10°C. La chambre froide est équipée d’un microtome (LEICA 2000R) pour le surfaçage de l’échantillon et d’un microscope (LEICA MZ12) Pour la visualisation (figure II.2). Le microscope optique est équipé d’une caméra vidéo et d’un système d’acquisition pour enregistrer les images dans un ordinateur.

Chaque échantillon est collé sur un support métallique par une colle spéciale (CellPath OCT) conçue pour une utilisation à basse température. Puis il est lissé à l’aide du microtome pour avoir une surface plate de l’intérieur de la glace (Nakagawa et coll., 2006).

II.2 Résultats