Les sources lumineuses

Deux principaux paramètres déterminent le choix d’une source lumineuse :

la distribution spectrale de la lumière émise par cette source ; la puissance de cette source lumineuse.

Il existe différents types de sources lumineuses dont le spectre d’émission, la puissance et la géométrie sont variables. Ceci permet de choisir la source la mieux adaptée à la réaction considérée. Les sources lumineuses les plus utilisées en photocatalyse sont :

la lumière solaire (naturelle) ;

la lumière crée par des lampes (artificielles) .

I.2.4.1 La lumière solaire

comprise entre 200 nm et 50000 nm, mais réduit entre 280 nm et 4000 nm, lorsqu’elles atteignent la surface de la terre en raison de l'adsorption par les différentes composants de l’atmosphère (principalement l'ozone, l'oxygène, le dioxyde de carbone, les aérosols, les flux, les nuages). Le rayonnement solaire qui atteint le sol sans être absorbé, ou disséminé est appelé faisceau de radiation direct; le rayonnement qui atteint le sol, mais qui a été dispersé avant est appelé le rayonnement diffus. La somme des deux est appelé le rayonnement global.

I.2.4.1.1 Le spectre solaire

Le spectre solaire est la décomposition de la lumière solaire en longueurs d’onde ou « couleurs ». La lumière solaire est en effet composée de toutes sortes de rayonnements de couleurs différentes, caractérisées par leur gamme de longueur d’onde. Les photons, grains de lumière qui composent ce rayonnement ce rayonnement électromagnétique, sont porteurs d’une énergie qui est reliée à leur longueur d’onde par la relation :

  ^hC

h

E   I. 18

Où h est la constante de Planck, ν la fréquence, C la vitesse de la lumière et λ la longueur d’onde.

Figure I. 2 : Spectre solaire³¹

I.2.4.1.2 L’ensoleillement

La durée d’exposition d’un lieu au soleil (ensoleillement) est un paramètre important pour l’installation de plates formes solaires pour la photocatalyse. Les pays tropicaux ont généralement un ensoleillement annuel constant et élevé. Les données recueillies dans la

littérature³² nous ont permis de confirmer cette assertion. Ainsi, les situations géographiques de Paris (Latitude 48,8 Nord ; Longitude 2 Est) et d’Abidjan (Latitude 5 Nord ; Longitude 4 Ouest) permettent de comparer les données d’ensoleillement moyennes annuelles (Figure I. 3). 0 1 2 3 4 5 6 7 8

jan fev mar avr mai jun jui aoû sep oct nov dec

Mois R ay onn em ent gl o bal ho ri z o nt a l ( k W h /m ². jo ur ) ABIDJAN PARIS

Figure I. 3 : valeurs moyennes du rayonnement global horizontal annuel (kWh/m².j)

La région d'Abidjan est mieux ensoleillée que celle de Paris. On observe assez peu de variations au cours de l'année, malgré la baisse observée en juillet, qui est le pic de la grande saison des pluies en Côte d’ Ivoire, et le pic d’ensoleillement en période estivale en juillet en France. Ce qui représente un très grand avantage pour l'utilisation de réacteur solaire.

I.2.4.1.3 L’adsorption de l’énergie solaire

Le TiO₂est un très bon catalyseur pour l’application en photocatalyse ; cependant la largeur de sa bande interdite (3,2 eV) exige une excitation par une longueur d’onde inférieure à 380 nm. Ce domaine représente une faible partie (entre 3 et 4%) du spectre solaire comme présenté dans la

250 300 350 400 450 500

Spectre solaire

TiO

Unité

arbitraire

Zone de

Photocatalyse

- de 5%

Longueur d’onde (nm)

Spectre solaire

TiO

Unité

arbitraire

Zone de

Photocatalyse

- de 5%

Longueur d’onde (nm)

Figure I. 4 : Comparaison du spectre solaire et du spectre d’adsorption du TiO₂33

Plusieurs chercheurs ont axées leurs investigations sur l’amélioration de l’activité photocatalytique dans le visible. Bessekhouad et al.³⁴, on montré que les hétérojonctions CuO/TiO₂, Bi₂O₃/TiO₂ et ZnMn₂O₄/ TiO₂, sont capable d’absorber dans la lumière visible (respectivement, jusqu’à 650, 460 et 1000 nm) et d’avoir une bonne activité photocatalytique. Des études antérieures³⁵ ont montré que le système CdS/TiO2 est efficace dans le cas de la photodégradation des solutions aqueuses de phénols et chlorophénols. En effet, ces composés exposés aux irradiations de longueur d’onde λ= 320 nm, sont dégradés en présence de TiO₂ seul, CdS seul et de la jonction CdS/TiO₂. Mais dans la lumière visible (λ>406 nm), le TiO₂ est inactif et la vitesse de dégradation des composés phénoliques est doublée pour la jonction CdS/TiO₂. Ce dernier est plus efficace dans le visible.

I.2.4.2 La lumière artificielle

La source de lumière est un facteur très important dans le fonctionnement du réacteur photochimique. Les lampes permettent la génération de radiations dans des domaines de longueur d’onde différentes. Le choix d’une lampe se fait suivant l’énergie de réaction requise dans le processus. Il existe plusieurs types de source de radiation :

les lampes à vapeur de mercure haute pression dont le spectre d’émission présente un maximum à 365,5 nm. La double enveloppe centrale qui maintient la lampe, ne laisse passer que les longueurs d’onde supérieures à 290 nm³⁶.

les lampes à incandescence composée d’un mince filament d’alliage de tungstène qui est à l’intérieur d’une ampoule de verre, contenant un gaz chimiquement inerte sous une basse pression (azote, argon, krypton)³⁶.

Les lampes fluorescentes : un tube fluorescent est constitué d’un cylindre de verre dans lequel est introduite, après avoir dégazé, une petite quantité de gaz (néon, krypton, vapeur de mercure). La tension électrique appliquée entre les électrodes augmente la vitesse des atomes de vapeur et en se heurtant les uns aux autres à grande de vitesse, ils multiplient la création d’ions, pendant laquelle ils perdent une partie de leur énergie émise sous forme de lumière. Dans les tubes au néon, cette lumière est utilisée directement pour l’éclairage³⁶.