Le réacteur et le circuit de gaz

Le réacteur se compose de trois parties distinctes. La partie centrale est un tube en quartz ou en pyrex de 1,9 cm de diamètre interne et de 45cm de long. Ce tube est connecté à chaque bout à deux pièces en pyrex qui comprennent les raccords verre/métal permettant les connections de gaz, ainsi que les électrodes. Une fois ces trois pièces montées, la distance inter électrode est de 51 cm. L’intérêt d’avoir divisé ainsi le réacteur en trois parties indépendantes est de pouvoir facilement changer la partie centrale pour y introduire différents matériaux

catalytiques. L’électrode portée à la haute tension est isolée du reste du circuit de gaz par un serpentin de verre de 1 m de long. Une vanne en amont permet de s’assurer qu’il n’y a aucune fuite des débitmètres vers le réacteur lorsque le flux de gaz doit être coupé. Une vanne en aval permet de réguler le taux de pompage afin d’ajuster la pression dans le réacteur à la valeur souhaitée. La pompe utilisée est une pompe à spirale qui autorise un bon débit de pompage tout en évitant les remontées d’huile. L’ensemble du circuit de gaz est alimenté par trois débitmètres massiques (10, 100 et 500 sccm) auxquels sont reliés des bouteilles air liquide d’air, C₂H₂ à 1% dans N2, O2, N2 ou Ar (moins de 3 ppm d’impuretés). Pour être tout à fait certain que lorsqu’une

des trois voies de gaz doit être coupée, aucun débitmètre ne peut être à l’origine d’une fuite, chaque débitmètre est équipé d’une vanne en amont et en aval.

L’étude des problématiques d’adsorption/désorption de molécules sur les surfaces poreuses s’est avérée requérir des mesures sans flux de gaz et avec toujours la même quantité de molécules de COV introduites dans le réacteur. Pour y parvenir, un volume tampon est nécessaire.

3.2

Spécificités du montage : le volume tampon, les lampes UV

Lorsque l’on veut travailler avec une quantité fixée de molécules de C2H2, le réacteur doit

être initialement vide puis être rempli avec un certain volume de gaz préalablement préparé avec la quantité de C2H2 souhaitée. Le mélange gazeux ne peut pas être fait directement dans le

réacteur car le temps d’obtenir les paramètres voulus dans la phase gaz, les surfaces du réacteur et du catalyseur se saturent en C2H2. D’une expérience à l’autre, la quantité absolue de molécules

présentes dans le réacteur (c'est-à-dire dans la phase gaz et sur la surface) n’est alors pas nécessairement identique. La solution est de préparer le mélange gazeux dans un autre volume qui doit pouvoir être mis en connexion avec le réacteur au moment du remplissage, mais qui ne doit pas empêcher le pompage du réacteur juste avant le remplissage. Pour cela le « volume tampon » doit être placé en parallèle du tube à décharge, isolé par des vannes, et muni d’une jauge de pression (Fig 18).

Lampes UV externes Générateur

HT pulsée

plasma

Volume tampon

Entrée de gaz Sortie de gaz

Réacteur en 3 parties

Vannes pneumatiques 1 et 2 (isolement du réacteur)

Vannes 3 et 4 (isolement du volume tampon)

1 2 3 4 Lampes UV externes Générateur HT pulsée Générateur HT pulsée plasma Volume tampon

Entrée de gaz Sortie de gaz

Réacteur en 3 parties

Vannes pneumatiques 1 et 2 (isolement du réacteur)

Vannes 3 et 4 (isolement du volume tampon)

1 1 22 3 3 4 4

Fig 18: schéma de principe du montage de la décharge basse pression avec ses particularités : alimentation pulsée, lampes UV externes et volume tampon parallèle au réacteur

La procédure de remplissage est la suivante :

1) pompage et nettoyage du réacteur et du volume tampon 2) fermeture des vannes 1 et 2 pour isoler le réacteur

3) remplissage du volume tampon avec le mélange adéquat (pression, concentrations) 4) fermeture des vannes 3 et 4 pour isoler le volume tampon

5) ouverture des vannes 1 et 2 de jonction entre le volume tampon et le réacteur juste le temps du remplissage, puis fermeture de 1 et 2.

Grâce à ce système, les conditions initiales de chaque expérience en statique peuvent être reproductibles. L’approche en statique permet d’accéder à des cinétiques qui évoluent sur quelques pulses plasmas seulement, ou même à des phénomènes intervenant simplement à l’amorçage du premier pulse plasma. Les informations recherchées sont très différentes des études avec flux de gaz, durant lesquelles le système est nécessairement dans un régime stationnaire dans lequel des équilibres s’établissent entre les concentrations moyennes d’espèces en surface et en phase gaz. Il était important de rendre possible expérimentalement ces deux approches qui sont très complémentaires. Les premiers montages n’étaient pas assez performants pour tirer pleinement profit des études en statique. Toutes les connexions de gaz ont du être modifiées au profit de jonction de type « ultravide », et de vannes pneumatiques pour isoler le réacteur avec des temps de réponse de l’ordre de la ms, afin d’éviter toute entrée de gaz extérieur

au réacteur à partir du moment précis où celui-ci est isolé. Ce dernier montage (Fig 19) devient dès lors un outil très puissant pour l’étude des cinétiques de surface.

Fig 19 : dispositif expérimental ultravide autorisant les études en statique sans fuite. Les flèches rouges correspondent aux parties relatives au réacteur lui-même, les vertes au volume tampon, et les bleues au

reste du circuit de gaz.

Outre le circuit de gaz dédié à l’étude de l’interaction plasma/surface poreuse, des lampes UV externes sont également placées de part et d’autre du réacteur pour tester le maximum d’activation du TiO2. Ce sont les mêmes lampes que celles utilisées sur la DBD (Philips PL-L

24W/10/4P), positionnées à la même distance du tube (5 cm environ) et faisant toute la longueur de la partie centrale du réacteur (cf. Fig 19)

La dernière spécificité du dispositif expérimental vient de l’alimentation électrique qui permet de faire varier la durée et la fréquence des pulses plasma.