Protocole des tests photocatalytiques

Le photocatalyseur à tester (masse = 30 mg) est introduit dans le photoréacteur suivi d’un ajout d’un volume de 30 mL d’une solution aqueuse (le polluant). La concentration utilisée

est constamment fixée à 1 g de catalyseur par litre de solution. La suspension est agitée dans l’obscurité puis tout au long de l’irradiation dans le but d’homogénéiser en permanence la distribution de la poudre dans la solution et permettre ainsi un apport suffisant en oxygène pour l’oxydation photocatalytique.

Une étape d’adsorption des molécules du polluant en solution à la surface du catalyseur est réalisée. Elle consiste en une agitation du mélange à l’obscurité pendant le temps nécessaire pour atteindre l’équilibre d’adsorption du polluant. Dans notre étude, une durée de 30 min est suffisante pour atteindre cet équilibre.

Après atteinte de l’équilibre d’adsorption, un prélèvement est effectué, celui-ci représente la concentration du polluant à l’équilibre, Céq. A partir de ce moment (t=0), l’irradiation par les

lampes est enclenchée et le suivi de la dégradation photocatalytique est commencé en effectuant des prélèvements à des temps réguliers. Généralement, pour chaque mesure, un volume de 0,3 mL est prélevé, il est systématiquement filtré à travers des filtres Millipore PVDF dont la porosité est de 0,45 µm de manière à retenir les particules de TiO2 en

suspension. Un nombre de 10 prélèvements est effectué lors de chaque test afin de ne pas modifier le volume du milieu réactionnel. La solution aqueuse est ensuite analysée par chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC) ou par spectroscopie UV- Visible. La durée de la cinétique de dégradation photocatalytique peut varier selon le composé organique à dégrader ainsi que l’irradiation utilisée. En effet, pour un même polluant, la durée de dégradation peut aller de 60 minutes (1 heure) sous irradiation UV jusqu’à 180 ou 360 minutes (3 ou 6 heures) sous illumination visible.

Les composants du système photocatalytique en milieu aqueux sont présentés ci-dessous : II.4.1.1 Réacteur photocatalytique

Le réacteur photocatalytique utilisé est de forme cylindrique en pyrex avec une ouverture à son extrémité. Sa base a une surface de 12,5 cm² et son volume est de 80 ml. Ce réacteur est positionné à une distance d au dessus de la lampe d’irradiation, cette distance est adaptée en fonction de la puissance lumineuse désirée (figure II.16). Des filtres optiques sont placés entre la lampe et le réacteur afin d’obtenir les longueurs d’onde désirées, ces paramètres

seront détaillés ci-dessous. Enfin, un système de refroidissement est installé juste au-dessus de la lampe pour permettre à la fois de s’affranchir des radiations infra-rouges et refroidir la lampe.

Figure II.16 : Dispositif expérimental du test photocatalytique en milieux aqueux

II.4.1.2 Sources d’irradiation

Afin de réaliser les tests photocatalytiques, deux lampes ont été utilisées. Une lampe émettant dans l’ultra-violet avec un maximum d’émission situé à 365 nm ainsi qu’une autre pour le visible, avec une intensité maximale centrée à une longueur d’onde de 455 nm.

 La lampe visible

Une lampe LED visible couvrant la gamme spectrale (400-800 nm) a été utilisée pour les tests photocatalytiques dans le visible. Cette lampe n’est pas centrée sur une longueur d’onde donnée mais possède deux bandes larges avec des maxima d’émission situés à λ1= 455 nm et

longueurs d’onde en dessous de 400 nm. En se positionnant sur la valeur 10 du potentiostat, l’irradiance de travail est égale à 156 mW/cm². Le spectre d’émission de la LED visible est représenté sur la figure II.17. Entre 200 et 250 nm apparaissent des artéfacts dus au mauvais rendu du CCD.

Figure II.17 : Spectre d’émission de la lampe LED visible

 La lampe UV

La lampe produisant un rayonnement dans le domaine ultra-violet est une lampe Phillips HPK 125, elle émet des photons dans la gamme spectrale s’étendant de 200 à 600 nm. Afin d’isoler la longueur d’onde de travail désirée (365 nm), deux filtres optiques sont employés, le filtre 0,52 de chez Kopp Glass Inc. et le filtre 7-60 de chez Corning Inc., ces deux filtres sont insérés au-dessus de la lampe. La figure II.18 représente les spectres d’émission de la lampe HPK125 avant et après la mise en place des filtres optiques.

Figure II.18 : Spectre d’émission de la lampe HPK 125 avant (a) et après filtrage (b)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Irra d ia n c e (µW /c m ²) Longueur d'onde (nm)

(b)

 Le radiomètre

La puissance lumineuse de la lampe UV est régulièrement mesurée par un radiomètre VLX- 3W doté d’une sonde CX-365 au début de chaque test de photodégradation (figure II.19). Ainsi, la connaissance du flux lumineux ou l’irradiance (en mW/cm²) émis par une lampe à une distance d entre le réacteur et la lampe permet d’obtenir la puissance de travail souhaitée. L’irradiance a été fixée à 4,5 mW/cm². La sonde CX-365 mesure les photons centrés à 365 nm avec une bande passante de 20 nm.

Figure II.19 : Radiomètre VLX-3W (sonde CX-365)

 Le CCD (Charge Coupled Device)

La mesure des photons émis par les deux lampes UV et Visible a été faite à l’aide d’un spectromètre CCD de marque Avantes AvaSpec-2048. La quantification du flux lumineux s’effectue au moyen d’une fibre optique, munie d’un correcteur de cosinus, reliée au radiomètre. Le correcteur de cosinus a une aire de mesure de 12 mm². Le radiomètre est connecté via USB à un PC qui contient le logiciel AvaSpec 7.0. Avant les mesures, une calibration est effectuée grâce à une lampe de calibration Avantes AvaLight-D(H)S, qui combine une lampe deutérium et une lampe halogène. Les spectres sont mesurés sur la région spectrale comprise entre 200 et 800 nm.