Utilisation des analyseurs des aérosols

Pour le calcul du coefficient de capture dans le réacteur à écoulement aux parois induites, nous connaissions la surface du dépôt de film de particules. Pour le réacteur à écoulement d’aérosols, ce sont les analyseurs d’aérosols, placés en aval du réacteur (figure II.11), qui nous donneront les informations nécessaires sur le nombre d’aérosols (CPC) ainsi que leur distribution en taille (SMPS). Ce système nous donnera finalement la surface des minéraux en interaction avec le gaz nous permettant ainsi de nous affranchir du coefficient BET.

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2.2.2.1 Fonctionnement du CPC

Figure II.18 : Schéma de fonctionnement de l’UCPC 3776.

Le CPC (Condensation Particle Counter) utilisé est l’UCPC 3776 (Ultrafine Condensation Particle counter). Ce compteur de noyaux de condensation est un analyseur qui compte en continu et en temps réel les

particules allant de 2,5 à 3000 nm de diamètre avec une efficacité supérieur à 90% pour des particules supérieur à 3 nm (cf. figure II. 19). Le principe d’un CPC est de faire condenser un liquide sur les particules d’aérosol afin d’obtenir des gouttes de même taille et suffisamment grosses pour être facilement prises en compte par le photo-détecteur. Le liquide utilisé est du 2-butanol pur car il permet d’obtenir de

Figure II.19 : Efficacité de différent modèle de

CPC de TSI sur des particules de chlorure de soduim [Hermann et al., 2007].

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très fortes sursaturations (jusqu’à RH=500%) pour de relativement faibles différences de températures.

Les gouttelettes de 2-butanol se forment par refroidissement dans le bloc condenseur amené à saturation par le bloc saturateur. Les gouttelettes traversent ensuite un faisceau laser qui collecte la lumière diffusée. Ces pics d’intensité de lumière diffusée sont comptés en continu et exprimés en nombre de particules.cm^-3. Les informations sont ensuite enregistrées et transmises à un système d’acquisition.

2.2.2.2 Fonctionnement du SMPS

Le SMPS (Scanning Mobility Particles Sizer) est l’association de deux instruments : - un CPC (cf ci-dessus) ;

- un DMA.

Le schéma suivant nous expose le Fonctionnement du DMA (Differential mobility analyser).

Figure II. 20 : Schéma de fonctionnement d’un DMA muni d’une colonne L (modèle 3081).

Le DMA permet l’échantillonnage des particules ayant des tailles allant de 10 à 1000 nm ou de 2 à 150 nm, suivant le type de colonne utilisée, pour des concentrations de 1 à 10⁸ particule.cm^-3. Pour ce faire, les aérosols sont chargés dès leur entrée dans l’appareil à l’aide d’un chargeur bipolaire Kr 85. Les particules subissent d’importantes collisions dues au

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mouvement aléatoire thermique des ions. Ces dernières vont rapidement atteindre un état d’équilibre dans lequel les particules porteront une distribution de charge bipolaire.

Les aérosols vont ensuite être conduits dans la colonne du DMA (cf.figure II.20). Cette colonne contient deux tubes cylindriques de métal. Les aérosols et le sheat air (débit de dilution) sont introduits du haut de la colonne vers le bas à travers l’espace entre les deux cylindres métalliques. Le débit d’aérosols entoure le flux du sheat air. Ces deux flux laminaires parcourront la colonne sans se mélanger. Le cylindre interne (barre collecteur) va être maintenu à une tension négative contrôlée alors que le cylindre externe est relié à la terre créant ainsi un champ électrique entre les deux cylindres. Ce champ électrique va accélérer les particules chargées positivement qui vont être attirées jusqu’à la barre collectrice en passant par le sheat air. Les particules vont ensuite précipitées le long de la colonne. Le lieu de précipitation de ces particules va dépendre de leur mobilité électrique Zp définit tel que :

Eq.II.20 où n est le nombre de charge élémentaire de la particule ;

e est la charge élémentaire (1,6 × 10^-19 Coulomb) ; C facteur de correction de Cunningham ;

Pla viscosité du gaz ;

Dp le diamètre des particules.

Les particules avec une haute mobilité électrique (les particules les plus petites) vont être collectées sur la partie supérieure de la barre collectrice et celles ayant une mobilité électrique plus basse (les plus grosses particules) vont être collectées sur la partie basse de la barre (cf.figure II.20). Les particules comprises dans la gamme étroite de mobilité, correspondant au champ électrique entre les deux cylindres, vont être conduites à la sortie de la colonne donnant un flux d’aérosol monodispersé. Les particules restantes seront retirées de la colonne en passant par le flux bypass puis excess.

Le SMPS (association d’un DMA et d’un CPC) forme un analyseur de spectre dimensionnel de particules. Il consiste à faire varier la tension au sein du DMA. A chaque tension du DMA, on récupère une taille d’aérosols monodispersés associés. Ces aérosols sont ensuite comptés au fur et à mesure par le CPC. Au final, nous accédons à une distribution en taille et en nombre des particules échantillonnées.

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2.2.2.3 Séparateur de gaz-particules

A la sortie du réacteur nous récupérons le mélange homogène des deux flux (le flux de gaz « traces » et le flux contenant les aérosols). Pour mesurer la concentration en gaz « traces » sans artéfact de mesure il est nécessaire de séparer les particules du gaz. De plus, les importantes concentrations d’aérosols générés par le précédent système risqueraient d’endommager les analyseurs de gaz. Pour éviter ce problème, un système de séparation gaz/particules est placé en amont des analyseurs de gaz. Pour ôter les aérosols du gaz, nous avons utilisé une colonne DMA, décrite dans le précédent paragraphe. L’application d’un voltage dans la colonne permet donc de faire une sélection en taille des aérosols. Dans notre cas, un débit de 300 mL.min^-1 du flux sortant du réacteur injecté dans le DMA, un sheat air de 2 L.min^-1 et un voltage de 100 Volt nous permettent de sélectionner une taille d’aérosol de 15 nm. De cette sorte, seules les particules de 15 nm sont susceptibles de sortir de la colonne DMA. Celles-ci n’étant pas présentes, nous récupérons à la sortie un gaz dénué de particules [D’Anna et al., 2009].