Etude du déplacement et de la séparation des particules micronisées avec la technique des ondes mobiles

MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE DJILLALI LIABES DE SIDI-BEL-ABBES Faculté de Génie Electrique

Département d'Électrotechnique

Thèse présentée par :

BELGACEM ABDELKADER

Pour l'obtention du diplôme de :

Doctorat 3

cycle en Électrotechnique

Option : Réseaux Electriques et Haute Tension Intitulé de la thèse :

Présentée devant le jury composé de :

Président : Pr. SAYAH Houari Prof. Université Djillali Liabes Directeur de thèse : Pr. TILMATINE Amar Prof. Université Djillali Liabes Co-encadreur :

Examinateurs :

Prof. FLAZI Samir Prof. USTO ORAN Prof. HENNAD Ali Prof. USTO ORAN

Dr. AKSA Wessim MCA Université Djillali Liabes

Soutenue en : 2020.

Etude du déplacement et de la séparation des

particules micronisées avec la technique des

Remerciements

Pour commencer, Je remercie le bon Dieu de m’avoir donné le courage, la

patience et d’avoir guidé mes pas vers le chemin du savoir, grâce à lui ce travail a

pu être réalisé, au sein du laboratoire APPELEC de l’université Djillali-Liabès

de Sidi Bel-Abbès.

Je tiens tout particulièrement à remercier le

directeur de thèse Pr. Amar

TILMATINE, Professeur à l’université de Sidi Bel-Abbés et Directeur du

Laboratoire APPELEC, d’avoir dirigé ce travail, pour son encouragement, sa

grande disponibilité, la qualité de ses conseils et son aide précieuse tout au long

de la réalisation de cette thèse, qui m’ont à chaque fois apportées la base et la

motivation nécessaires à l’avancement de mes travaux de recherche.

En outre, j’adresse mes remerciements les plus sincères à monsieur Pr.

SAYAH Houari

pour avoir accepté de présider le jury, tout comme j’adresse ma

profonde reconnaissance à messieurs : Prof. FLAZI, Prof. HENNAD Ali et Dr.

AKSA Wessim pour avoir accepté d’examiner et d’évaluer ce modeste travail.

Je tiens aussi à remercier, les membres du Laboratoire APELEC pour leurs

aides et soutien, sans oublier également tous les enseignants qui ont fait des

efforts pour la réussite de mes recherches.

Je remercie tous ceux que j’ai oublié de mentionner et qui ont contribué de

près ou de loin à l’élaboration de ma thèse.

Enfin je remercie mes connaissances : mes parents, ma femme, mon frère,

ma sœur et mes amis, pour leurs soutien et encouragements.

Sommaire

Introduction générale 01

Chapitre I : Etat de l’art et généralités

I.2. Quelques applications de la technique des ondes mobiles 04

I.2.1. Séparation avec la technique des ondes mobiles 04

I.2.2. Dépoussiérage électrostatique des panneaux solaires 05

I.3. Définition de la technique des ondes mobiles 06

I.4. Mécanismes de charge des particules 07

I.4.1. Charge « naturelle » par attachement des ions 08

I.4.2. Chargement triboélectrique 08

I.4.2.1. Charge par frottement 08

I.4.2.2. Charge par contact 09

I.4.2.3. Série triboélectrique 09

I.4.3. Chargement par charge d’espace ionique 10

I.4.3.1. Charge par champ électrique 10

I.4.3.2. Charge par diffusion 10

I.4.3.3. La charge mixte 11

I.5. Décharge couronne 12

I.5.1. Claquage des gaz 12

I.5.2. Effet couronne 12

I.5.3. Décharges à barrière diélectrique (DBD) 13

I.6. Champ électrique 14

I.6.1. Charge plane 15

I.6.2. Charge linéaire 16

I.7.1. Mode de glissement (Surfing mode) 21

I.7.2. Mode sauts (Hoping mode) 21

I.7.3. Mode cycloïdal (Curtain mode) 21

I.8. Principe des ondes mobiles 22

I.9. Influence de la distance entre électrodes voisines 25

I.10. Conclusion 26

Chapitre II : Processus de chargement des particules

II.2.1. Force diélectrophorétique 27 II.2.1.1. Polarisation électrostatique 28

II.2.1.2. Moment électrique d’un dipôle 29

II.2.1.3. Description de la polarisation 29

II.2.1.4. Caractéristiques de la force diélectrophorétique 30 II.2.2. Équation du mouvement 33

II.2.2.1. Forces électrostatiques 34

II.2.2.2. Force gravitationnelle 35

II.2.2.3. Forces d’adhérence ou de collage 36

II.2.2.4. Force capillaire 36

II.2.2.5. Force de Van Der Waals 36 II.2.2.6. Forces appliquées sur la particule 38

II.3. Processus 2 : Injection de charge à partir de la surface 39

II.4. Processus 3 : Chargement par micro-décharges filamentaires DBD 40

II.5. Formation de l’onde mobile 43

II.5.1. Convoyeur biphasé 43

II.5.3. Convoyeur à quatre phases 47

II.6. Conclusion 49

Chapitre III : Analyse expérimentale des différents facteurs affectant le

déplacement des particules

III.2 Convoyeurs 50

III.2.1. Convoyeur biphasé 51

III.2.2. Convoyeur triphasé 52

III.2.3. Convoyeur à quatre phases 53

III.3. Matériel utilisé 56

III.3.1. Amplificateur de haute tension 56

III.3.2. Générateur de fonction 57

III.3.3 Mesure de la charge électrique 57

III.3.3.1. Principe de la mesure de la charge électrique 58

III.3.4. Hygromètre 59

III.3.5. Balance digitale 59

III.3.6. Oscilloscope utilisé 60

III.3.7. Montage expérimental 60

III.4. Echantillons des particules utilisées 61

III.4.1 Tamiseur 63

III.5. Choix de la forme du signal 64

III.6. Procédure de déroulement des expériences 64

III.7. Types des collisions sur un convoyeur électrostatique 65

III.7.1. Collision des particules de même matière 66

III.7.2. Collision des particules de matières différentes 67

III.7.3. Collision entre les particules et le film isolant du convoyeur 67

III.8.1. Influence de la fréquence 70

III.8.2. Influence de la tension 71

III.8.3. Influence de l’humidité ambiante 73

III.8.4. Influence de la taille des particules 74

III.8.5. Influence de la charge électrique 75

III.9. Conclusion 77

Chapitre IV : Convoyeur vibrant. Application à la séparation des particules

IV.3. Sens du déplacement 83

IV.4. Interactions des particules 84

IV.5. Comparaison entre les convoyeurs 86

IV.5. Séparation des mélanges de particules «Cuivre/PVC» 92

IV.6. Conclusion 96

Conclusion générale

Références bibliographiques

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Introduction générale

La protection de la planète et des ressources naturelles pour les générations futures est un des principaux enjeux et challenges qui vont occuper la classe politique internationale dans les années à venir. Plusieurs organisations non gouvernementales spécialisées dans le développement durable et l’environnement tirent la sonnette d’alerte afin de changer le mode de développement actuel polluant et appellent à l’utilisation des procédés environnementaux et à la réduction de la consommation excessive des matières premières naturelles. Parmi les solutions envisagées pour préserver les ressources naturelles, il y a la réutilisation des matériaux usagés.

Parmi les procédés de récupération des déchets électroniques et des équipements électriques DEEE, les techniques électrostatiques utilisant la haute tension pour la séparation des mélanges granulaires de taille millimétrique et micronisée. Ces procédés sont utilisés pour la séparation des mélanges de particules « métal/métal », « métal/plastique » et « plastique/plastique », et ont déjà fait leurs preuves car ils offrent des produits récupérés avec de valeurs élevées de la pureté.

L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier le déplacement et la séparation des matériaux pulvérulents de particules micronisées qui a lieu dans un champ électrostatique non uniforme, avec des valeurs bien déterminées de la tension et de la fréquence. Ce mouvement des particules est causé par l'intermédiaire d'un convoyeur qui comporte des électrodes parallèles produisant une tension polyphasée. Nous avons étudié principalement le déplacement de particules micronisées de PVC de différentes tailles moyennes de l’ordre du dixième du millimètre. Trois convoyeurs biphasé, triphasé et à 4 phases, alimentées par des amplificateurs de haute tension contrôlés par des générateurs de fonction, ont fait l’objet d’une étude paramétrique pour étudier la faisabilité de séparation d’un mélange composé de particules micronisées « cuivre/PVC ».

Au niveau du laboratoire de recherche APELEC, Université Djillali liabes de Sidi Bel Abbes, spécialisé dans les applications électrostatiques, un projet de recherche intitulé « Utilisation d’un convoyeur à ondes mobiles à champ électrique polyphasé pour le transport et la séparation des matériaux pulvérulents » a été lancé. Ce projet consiste à utiliser une nouvelle technique pour la séparation des poudres micronisées, basée sur les ondes mobiles.

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La thèse est composée de 4 chapitres, commençant par l’état de l’art relatif à la technique des ondes mobiles. Une synthèse sur les travaux précédents des ondes mobiles, leurs domaines d’application, ainsi que des généralités sur l’électrostatique ont été présentées.

Dans le deuxième chapitre, nous avons présenté plus de détails sur la technique des ondes mobiles. Ce chapitre est une synthèse des différentes théories et processus qui tentent d’expliquer la technique des ondes mobiles, de la disposition du champ électrique sur un convoyeur, du principe de fonctionnement de convoyeurs à ondes mobiles. Nous avons également décrit le phénomène des ondes mobiles, les forces électriques appliquées aux particules, les interactions mises en jeu et les formules de mouvement.

Au troisième chapitre, nous avons décrit les différents matériels utilisés ainsi que la conception et la réalisation des convoyeurs. Une grande partie de ce chapitre a été consacrée à la réalisation des expériences et la discussion des résultats de transport des particules de PVC obtenus en fonction des facteurs influents.

Enfin, au quatrième chapitre, nous avons décrit le fonctionnement du convoyeur à vibration, en considérant des configurations à 2, 3 et à 4 phases. Une comparaison entre les différents convoyeurs utilisés a été effectuée en termes de rendement et de vitesse de déplacement des particules. Nous avons également montré la faisabilité de séparation des mélanges de particules de « PVC/cuivre » avec ce type de convoyeurs à ondes mobiles.

La thèse est achevée par une conclusion générale et des perspectives ont été recommandées.

CHAPITRE I

Etat de l’art et généralités

Dans ce chapitre nous allons aborder l’état de l’art

concernant la technologie des ondes mobiles, les travaux

antécédents et les domaines d’application. Nous donnerons

aussi un rappel des différents mécanismes de charge des

particules.

Ensuite, seront présentés les différents modes de

transport des granulés, ainsi que la distribution du champ

électrique et du potentiel créé par les électrodes parallèles.

Dans ce chapitre nous allons aborder l’état de l’art

concernant la technologie des ondes mobiles, les travaux

antécédents et les domaines d’application. Nous donnerons

aussi un rappel des différents mécanismes de charge des

particules.

Ensuite, seront présentés les différents modes de

transport des granulés, ainsi que la distribution du champ

électrique et du potentiel créé par les électrodes parallèles.

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I.1. Historique

La technique des ondes mobiles est une technologie bien établie qui a été proposée en premier lieu par F. B. Tatom et ses collaborateurs de l’Administration Nationale Aéronautique et Spatiale (NASA) en 1967 et le Professeur Senichi Masuda de l’université de Tokyo (Japon) dans les années 1970 [1]; Elle intègre deux parties distinctes, la première partie est le convoyeur lui-même et la deuxième réside dans la haute tension électrique.

Le convoyeur à ondes mobiles a eu plusieurs appellations différentes, appelé rideau électrique (electrical curtain) par Masuda ; lors de ses premières expériences, il a utilisé des électrodes spirales dans un tube pour créer une onde mobile qui a donné le nom de « effet des rideaux électriques » au phénomène des ondes mobiles [2-3]. Par ailleurs, Mazumder a appelé ce phénomène « Electrodynamic screens » EDS [4-8], d’autres ont défini le convoyeur comme un ensemble de trois peignes pour un convoyeur triphasé (deux peignes pour le Biphasé) [9].

La conception diffère selon les particules à étudier, mais en général la forme ressemble à des rails de chemin de fer, c.à.d. une série d’électrodes parallèles rectilignes avec un espacement régulier intégré dans une couche diélectrique plane et couvert par un mince revêtement isolant (Fig. I.1). La conception d’un convoyeur est l’étape la plus importante dans cette technique car le choix de la taille des électrodes, la longueur de l’espace inter-électrodes ainsi que l’absence des résidus qui favorise la formation d’arc électrique entre les électrodes est primordiale.

La partie haute tension électrique comporte l’amplitude et la fréquence de la tension électrique utilisée ainsi que le déphasage entre les électrodes voisines afin de créer une onde mobile. Il existe trois types de convoyeur : le biphasé, triphasé et à quatre phases; chaque type a son propre signal électrique, que nous allons voir plus tard.

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Figure I.1 : Représentation schématique d’un convoyeur biphasé sous forme de deux peignes

I.2. Quelques applications de la technique des ondes mobiles

La séparation électrostatique est un procédé qui permet de séparer des matériaux granulaires différents. C’est une étape du processus de recyclage des matériaux usagés, elle vient après l’étape de broyage qui fournit un matériau granulaire sous forme de particules. Une fois que les particules introduites dans le séparateur électrostatique, elles acquièrent une charge électrique et se comportent différemment selon leurs caractéristiques conductrices ou isolantes.

Pour les mélanges des particules granulaires de taille millimétrique, il y’a trois types de séparation. Le premier appelé séparateur à décharge couronne permet la séparation des mélanges granulaires « isolant-conducteur » (exemple PVC/cuivre). Le deuxième appelé séparateur électrostatique type plaque est utilisé pour le tri des particules « conductrices-conductrices », le troisième type appelé séparateur tribo-électrostatique est employé pour la séparation des particules « isolant-isolant » (exemple ABS et HIPS).

I.2.1. Séparation avec la technique des ondes mobiles

Concernant la séparation avec la technique des ondes mobiles, elle est utilisée pour le tri des particules micronisées dans un milieu liquide ou dans l’air, cette méthode a fait ces preuves avec des résultats satisfaisants dans plusieurs domaines d’application (biochimie, agriculture, dépoussiérage des panneaux solaires…..), elle se base sur l’impact qu’apporte la force diélectrophorétique.

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La force diélectrophorétique permet de manipuler des objets possédant des propriétés diélectriques, ce qui est le cas des cellules biologiques, des composants micro fabriqués inorganiques et ….. La génération de la force diélectrophorétique nécessite des électrodes et une source de tension alternative. La manipulation des microparticules par la force diélectrophorétique nécessite des électrodes micrométriques réalisables avec des moyens de micro-fabrications classiques et donc fortement intégrable en configuration micro fluidique. De plus, grâce au Facteur de Clausius-Mossotti, cette force devient duale, à la fois attractive ou répulsive, ce qui la rend particulièrement intéressante pour la manipulation d’objets micrométriques [10].

En biochimie, plusieurs travaux de recherche ont vu le jour comme la séparation des leucocytes des érythrocytes, ou la réponse de ces deux particules aux ondes mobiles fait que les leucocytes vont suivre l’onde mobile créée contrairement à l’érythrocyte, et comme cela il y a séparation [11].

D’autres chercheurs ont utilisé deux types de convoyeur afin de mouvoir un fluide en deux sens de déplacement opposé avec des fréquences différentes [12], il y a en effet deux sens de déplacement dans un fluide pour les basses et les hautes fréquences [13]. Des études de recherche ont montré que la force d’électrophorèse à une certaine fréquence influe sur les mouvements des particules suspendues dans un fluide [14]. Certain chercheurs ont créé un concentrateur pour la collecte des bio-agent à l’aide de la technologie des ondes mobiles [15]. Dans le domaine de la biologie, la force diélectrophorétique générée par la technique des ondes mobiles a une grande influence sur les cellules biologiques, car elle permet la manipulation et déplacement des cellules biologiques pour diverses applications telles que le comptage, le tri des cellules, la livraison des gènes et la création de nouvelles cellules hybrides par un champ électrique non uniforme [16-17]. Par exemple, des chercheurs ont réussi à créer un séparateur de bio-particules capable de séparer des cellules, virus et protéines [18]. D’autres ont pu séparer des cellules vivantes d’un mélange contenant des débris cellulaires ainsi que des cellules non vivantes en présence de la force diélectrophorétique [19].Dans d’autres travaux, cette technologie permet la séparation d’un mélange de cellules humaines et de bactéries [20].

I.2.2. Dépoussiérage électrostatique des panneaux solaires

Des systèmes de dépoussiérage électrostatique afin de nettoyer des panneaux solaires ont vu le jour, utilisant les propriétés de la force diélectrophorétique générée par un convoyeur

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ou l’aluminium, l’ITO est transparent, il laisse passer les photons de lumière ce qui n’affecte pas le rendement d’un panneau solaire. La NASA a adopté les convoyeurs électrostatiques à ondes mobiles comme sa technologie préférée pour éliminer la poussière sur la future mission spatiale vers la planète Mars et la Lune.

Plusieurs travaux ont été réalisés sur le sujet, parmi eux les travaux de Kawamoto qui a créé les conditions atmosphériques de la lune dans une chambre isolée pour enlever la poussière lunaire (Régolithe) déposée sur un panneau solaire, avec des bons résultats [21] [22]. Les mêmes travaux ont été réalisés par Gaofa [23]. D’autre travaux ont permis de réaliser un procédé pour déplacer six types de sable terrestre pour le nettoyage des panneaux solaire dans les régions désertiques où un system hydraulique n’est pas forcement envisageable à cause de la rareté de l’eau. Pour y arriver, une combinaison entre le convoyeur électrostatique et l’inclinaison du panneau est nécessaire, ce dispositif fonctionne bien malgré une grande déposition de sable [24]. D’autres chercheurs ont créé les conditions atmosphérique de la planète Mars dans un vide isolé, utilisant un simulant de la poussière de Mars (JSC Mars-1), puis une comparaison de comportement avec les conditions terrestres [25-26] [1] [9]. Le professeur M. Mazumder a expérimenté plusieurs travaux de recherche sur le dépoussiérage des systèmes photovoltaïques en utilisant des EDS (Electrodynamic screens) [1] [5-8].

Cette technique est aussi utilisée aussi dans le domaine d’agriculture pour séparer un produit agroalimentaire de ses sous-produits agroalimentaires (Dérivés des procédés agricoles), comme par exemple la farine de tournesol et les grains de coton séparés des produits indésirables tels que les coques [27-28]. Il y’a aussi d’autres travaux de recherche où cette technologie a été utilisé avec différentes formes géométriques des convoyeurs [29-37]. Par ailleurs, des travaux de simulation et de théorie sur le phénomène des ondes mobiles sont également effectués par d’autres chercheurs [03-04] [38-42].

I.3. Définition de la technique des ondes mobiles

Les ondes mobiles (traveling waves) est un mouvement unidirectionnel provoqué par les interactions entre plusieurs champs électriques qui sont produits par des électrodes. Cette définition est simple car le déphasage entre deux électrodes voisines est nécessaire selon la configuration du convoyeur biphasé, triphasé ou quatre phases.

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Électro-osmose c’est lorsqu’un fluide entre en contact avec les parois de deux convoyeurs superposés, une double couche électrique peut se former. Quand un champ électrique continu et perpendiculaire est appliqué aux parois, alors un flux électro-osmotique est produit. La première mise en évidence du flux osmotique revient à Reuss en 1809, Il remarque en effet que sous l’influence d’un champ électrique, l’eau migre à travers une cloison d’argile poreuse.

Ce phénomène résulte de l’interaction d’électrolyte (liquide contenant des ions dissous) et les parois des canaux, qui a pour conséquence d’induire des charges à l’interface solide/liquide. Cette couche électrique peut avoir pour origine différents événements : adsorption d’ions, dissociation de groupe d’ions, séparation de charges. Et la surface va se charger positivement ou négativement ce qui produira via la force coulombienne, l’attraction de contres-ions au niveau du liquide. Cette couche de contres-ions est divisée en deux parties : une qui est directement accolée à la surface, dite couche de Stern et une autre couche qui est diffuse et riche en contres-ions, résultant d’un équilibre entre l’agitation thermique et les forces électriques. Cette dernière ne mesure en général que quelques nanomètres. Cette double couche induit donc une inhomogénéité électrique au niveau de l’interface, générant un potentiel local. Le potentiel suit une loi de décroissance exponentielle suivant la distance x à la paroi [10].

Lorsque cette technique est utilisé avec un milieu fluide, elle a est appelé L’électro-osmose à ondes mobiles (Traveling Wave Electro-Osmoticfluid flow : TWEO), c’est l’écoulement d’un fluide produit par l'interaction entre un champ électrique et une charge induite, c’est un écoulement unidirectionnel induit par le champ électrique à onde mobile. Dans un fluide, les particules sont déplacées par une force de propulsion générée par le convoyeur à ondes mobiles [11].

Le déphasage entre deux électrodes voisines peut être égal à 90°, 120° ou 180° selon qu’il s’agit d’un convoyeur à quatre, à trois ou à deux phases, respectivement.

I.4. Mécanismes de charge des particules

Avant d’aborder les théories du principe de fonctionnement des ondes mobiles, il faut faire un rappel des mécanismes permettant aux particules fines de recueillir des charges électriques, qui sont [09] :

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frottement.

 Acquisition de charge par champ et par diffusion : les ions gazeux sont produits dans ce cas principalement à l’aide d’une source radioactive ou d’une décharge électrique. La densité d’ions peut être unipolaire (positive ou négative utilisée pour la charge des particules) ou bipolaire.

I.4.1. Charge « naturelle » par attachement des ions

Dans l’atmosphère terrestre, il existe des ions positifs et négatifs générés sans interruption par l’action des radiations cosmiques et des gaz radioactifs émanant du sol. Comme présenté par Hinds [43], l’air contient environ 1000 ions/cm3 avec en première approximation un nombre égal d’ions positifs et négatifs. Les particules fines qui sont initialement neutres, peuvent acquérir une charge par collision (due à leur mouvement thermique aléatoire) avec des ions. Les particules chargées vont avoir tendance à perdre leur charge lentement en attirant des ions de signe opposé. Donc, ce processus tend vers un état d’équilibre appelé « distribution de charge en équilibre de Boltzmann ». Cet équilibre de Boltzmann représente la distribution de charge d’une particule fine en présence d’ions bipolaires.

I.4.2. Chargement triboélectrique

La triboélectricité compte deux causes d’électrisation : le frottement et le contact. I.4.2.1. Charge par frottement

Quand deux particules (ou particule/substrat) différentes se frottent l’une contre l’autre, il y a un transfert d’électrons (charges) à partir de la surface d'une particule vers celle de l'autre.

a) Tous les corps frottés attirent les corps légers : les forces ainsi mises en jeu sont attribuées à l’électrisation, c'est-à-dire à l’apparition d’électricité à la surface du corps frotté. Cette électrisation est plus ou moins facile suivant le matériau dont le corps est constitué : les matériaux sont dits plus ou moins «électrophores».

b) Pour certaines substances (verre, plexiglas…) l’électrisation ne se manifeste que sur la partie frottée, autrement dit l’électricité reste localisé là où elle s’est développée ; pour cette raison, ces substances sont dites isolantes de l’électricité. Signalons encore que les

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corps constitués de ces substances peuvent être tenu à la main au cours de leurs électrisations : le phénomène n’est pas modifié.

Pour d’autres substances (cuivre, aluminium…), l’électrisation n’apparaît que si le corps frotté est tenu par l’intermédiaire d’un manche isolant; après électrisation, le pouvoir attractif se manifeste sur tout le corps et non plus seulement sur la région frottée: l’électricité se répond sur toute la surface du corps; pour cela, ces substances sont dites conductrices de l’électricité. Il existe deux espèces d’électricité et deux seulement. On leur a donné les noms de charge positive et de charge négative :

* Deux charges de mêmes noms se repoussent. * Deux charges de noms contraires s'attirent.

I.4.2.2 Charge par contact

La charge par contact se produit pendant la séparation des particules sèches et non conductrices de surfaces solides. Dans ce processus, quand une particule touche une surface, des charges sont transférées, si bien que la particule acquiert une charge nette positive ou négative quand elle se sépare de la surface. La polarité de la particule chargée et le nombre de charges sur celle-ci dépendent des matériaux et de leurs positions relatives dans les séries triboélectriques [44] [45]. Le frottement augmente le nombre de charges acquises. Parce qu’il requiert des surfaces sèches, le phénomène de charge par contact devient inefficace en conditions d’humidité relative plus grande que 65% environ.

I.4.2.3 Série triboélectrique

Deux corps frottés l’un sur l’autre s’électrisent l’un positivement et l’autre négativement [46]. On appelle série triboélectrique un classement des divers matières dans un ordre tel que, de deux matières qui se suivent, la première est positive. Plus les deux matériaux dont il s’agit sont éloignés l’un de l’autre sur la liste, plus la charge qu’ils vont engendrer sera élevée. Certains de telles séries sont proposées par des anciens auteurs. Wilcke (1759), Faraday (1840), Jamin et Bouty donnent à peu près la même série [47]. Une série beaucoup plus étendue a été donnée par Shaw (1917) qui a pris la peine de définir un peu mieux les échantillons employés [48]; il a aussi étudié l’influence de la température qui peut produire des inversions, etc. Les séries triboélectriques varient en tout cas d’un chercheur à l’autre et chaque série reflète la culture matérielle de son moment historique. En effet une différence dans le frottement, des facteurs externes peuvent inverser les signes obtenus, il

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peuvent s’inverser de manière si facile.

I.4.3 Chargement par charge d’espace ionique

P. Atten explique [09] que le mouvement des particules est provoqué par une forte densité d’ions due à une décharge couronne dans l’espace inter-électrodes ce qui va augmenter la charge des particules. Le processus de chargement dépend de plusieurs facteurs parmi lesquels les plus importants sont la densité de charge ionique, l’intensité du champ électrique local, ainsi que la taille des particules.

I.4.3.1 Charge par champ électrique

Comme le suggère son nom, ce mécanisme de chargement est relié à l’action du champ électrique. Une particule présente dans un gaz provoque une distorsion locale du champ électrique; les lignes de champ aboutissent à la surface de celle-ci. Cette distorsion locale du champ dépend de la nature de la particule: lorsque la particule est conductrice la distorsion du champ est maximale. Pour une particule non-conductrice (isolante), la perturbation du champ dépend de sa permittivité. Ainsi, l’intensité du champ électrique augmente à la surface de la particule. Dans ce cas, les ions présents dans le gaz qui se déplacent le long des lignes de champ électrique, peuvent atteindre la surface de la particule. Chaque ion qui atteint la particule change la distribution locale du champ électrique. Tant que le champ électrique créé par la charge de la particule est inférieur au champ électrique maximum qui existe à la surface de la particule lorsqu’elle n’est pas chargée, les ions continuent d’atteindre la surface de celle-ci. Lorsque la charge acquise est suffisante, les lignes de champ contournent la particule; on dit que la particule a acquis la charge de saturation par champ.

I.4.3.2 Charge par diffusion

Le processus de charge par diffusion a été imaginé pour expliquer la charge des particules lorsque le champ électrique appliqué est faible (ou même nul) et lorsque la taille des particules est suffisamment petite (quelques libres parcours moyens). Il est alors nécessaire de prendre en compte le phénomène de diffusion des ions dans le processus de charge [49-50]. Ce mécanisme met en jeu la probabilité de collision entre les particules et les ions animés d’un mouvement aléatoire d’agitation thermique. Dans une zone où le champ électrique appliqué est nul, les ions ont une répartition uniforme autour des particules. Dans

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ces conditions, tous les éléments de surface d’une particule ont la même probabilité de choc avec les ions et la particule peut accumuler une certaine charge électrique. Ce mécanisme de charge par diffusion a une importance plus grande pour les particules très fines, d’un diamètre inférieur à 0,5 µm [49] [51]. Dans la charge par diffusion, la quantité de charge accumulée dépend de la taille des particules, de la densité des ions, de la vitesse moyenne d’agitation thermique des ions, de la constante diélectrique de la particule, de la température absolue du gaz, du temps de présence des particules au sein du champ.

I.4.3.3 La charge mixte

Pratiquement, les deux mécanismes agissent ensemble pour les particules de taille comprise entre 0,5 et 1 µm dans l’air. Cependant, la charge totale acquise par une particule n’est pas simplement la somme de la charge par champ et de la charge par diffusion. Les deux mécanismes interagissent et plusieurs traitements approchés ont été proposés pour résoudre ce problème très complexe [52].

Smith & McDonald [53] ont développé un modèle de charge des particules basé sur la théorie cinétique et qui tient compte simultanément des mécanismes de charge par champ et de charge par diffusion. En considérant que la charge des particules est très largement due au mouvement d'agitation thermique des ions, le champ électrique externe ne représente qu'un facteur perturbateur du phénomène de charge par diffusion. Ces auteurs considèrent qu'au voisinage d'une particule chargée, la distribution des ions est modifiée par le champ électrique.

Des travaux plus récents sur le processus de charge ont été développés par Fjeld [54-55] en 1989. L'auteur considère qu'une particule peut accumuler une certaine charge sous l’effet du champ électrique ou par diffusion, suivant l'importance des deux mécanismes. Il établit des relations pour la charge par champ et par diffusion en tenant compte du couplage entre les deux mécanismes. Pour cela il distingue deux régimes de charge: un régime où la charge par champ et la charge par diffusion sont présente en même temps; un autre où la particule a atteint la charge limite par champ et où seule la charge par diffusion intervient. Les relations établies par Fjeld conduisent à des valeurs de charge cohérentes avec les résultats expérimentaux obtenues en 1957 par Hewitt [56] mais seulement dans le cas où le champ électrique extérieur est faible.

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I.5. Décharge couronne

La charge par champ et celle par diffusion présentées dans la section précédente requièrent une concentration élevée d’ions unipolaires. En conséquence, les ions doivent être produits sans interruption. Pour créer les ions, on utilise le plus souvent des décharges couronne. Avant de présenter l’effet couronne, il faut rappeler quelques phénomènes fondamentaux concernant les décharges dans les gaz [09].

I.5.1 Claquage des gaz

Les phénomènes fondamentaux de la décharge couronne sont variés et complexes et conduisent à des régimes distincts de décharge. Ces régimes dépendent de paramètres tels que la tension appliquée et le champ électrique qui en résulte, les espèces moléculaires présentes dans le gaz, la densité de molécules neutres à partir desquelles la décharge est produite, etc… Les modèles de décharge couronne basés sur la physique des plasmas montrent que les phénomènes peuvent être réduits aux interactions entre molécules et électrons et molécules et photons : ionisation par impact, attachement des électrons, photo-ionisation, recombinaison entre deux ou trois espèces. Dans l’air, il existe naturellement un certain nombre d’électrons libres et d’ions créés par l’action du rayonnement cosmique ou par des désintégrations de radioéléments. Dans ces conditions, l’application d’un champ électrique modéré ne déplace qu’un nombre réduit de porteurs de charge et l’air est assimilé à un isolant. A partir d’une valeur critique du champ électrique appelée « champ seuil », l’énergie acquise par les électrons devient suffisante pour provoquer, par choc, l’ionisation des molécules neutres de l’air. De nouveaux électrons sont ainsi créés qui, à leur tour, sont soumis au même champ et vont ioniser d’autres molécules et ainsi de suite. Ce processus prend une allure d’avalanche dite « avalanche de Townsend ». L’air devient alors conducteur et s’ionise fortement.

I.5.2 Effet couronne

Les précipitateurs électrostatiques utilisent un champ électrique pour épurer les gaz chargés des particules en suspension. Le principe est de charger électriquement les particules puis de les diriger sous l’effet du champ électrique vers les zones de collecte. La charge des particules est assurée par la présence d’une charge d’espace générée par une décharge couronne.

Dans le cas d’une décharge sur une cathode, du fait de la grande différence de rayon de courbure entre les électrodes des précipitateurs (classiquement des fils et des plaques), le

13

champ électrique est fortement inhomogène, l’avalanche électronique se développe dans ce cas jusqu’à une distance telle que l’intensité du champ électrique n’est plus suffisante pour assurer la multiplication électronique. Ces mécanismes sont à l’origine de la formation d’une charge d’espace ionique dans l’espace inter-électrodes. En dehors de cette région d’ionisation, les électrons libres s’attachent rapidement aux molécules neutres pour former des ions négatifs; à partir d’une certaine distance de l’électrode ionisante, tout se passe comme si l’électrode à faible rayon de courbure émettait des ions de la même polarité qu’elle [57-58]. Les phénomènes d’ionisation qui ont lieu dans la couronne lumineuse et qui génèrent les électrons libres, donnent aussi naissance à une forte densité d’ions positifs. Sous l’action du champ électrique, ces ions se déplacent vers le fil et en raison de leur mobilité bien plus petite que celle des électrons, une charge d’espace ionique se forme dans cette zone.

Dans le cas d’une décharge positive sur le fil, la zone de champ intense n’est plus au voisinage immédiat de la cathode et le phénomène est plus complexe. Un électron qui se trouve près du fil produit une avalanche, mais quand les électrons arrivent sur le fil, ils ne produisent rien qui puisse entretenir le phénomène. La cathode est située trop loin de la zone de champ intense et ne joue plus le rôle de source d’électrons. Si le champ est assez fort, les électrons germes produits sous l’action du rayonnement ultraviolet émis par une avalanche créent des nouvelles avalanches [57]. Pour le même gaz et les mêmes conditions extérieures, la valeur de la tension de claquage est nettement inférieure en polarité positive. Pour cette raison, dans la majorité des électro filtres, les électrodes émissives sont alimentées par une tension négative afin d’assurer une bonne charge des particules, un champ électrique suffisamment intense ainsi que pour limiter autant que possible les claquages.

I.5.3. Décharges à barrière diélectrique (DBD)

Les décharges électriques contrôlées par barrière diélectrique (les électrodes ne sont pas nues mais noyées dans un isolant solide « barrière ») jouent un rôle de plus en plus important sur le plan industriel. Généralement utilisées à la pression atmosphérique, leurs domaines d’applications s’étendent de la production d’ozone aux traitements de surface polymère en passant par les sources incohérentes de rayonnement UV et le contrôle de pollution [59]. Suivant le type d’applications envisagées, plusieurs formes et dispositions du couple électrodes-diélectrique sont utilisées. Les électrodes cylindriques sont plus adaptées au traitement des gaz, alors que les structures avec électrodes planes sont plutôt utilisées pour les problèmes de traitement de surface.

14

présentent la caractéristique fondamentale de limiter le courant de la décharge par suite de l’accumulation des charges sur la surface du diélectrique. La tension de décharge dépend de la nature et de la densité du gaz, de la largeur d’espace de décharge.

A la pression atmosphérique, la décharge électrique du gaz dans l’espace des électrodes isolées et parallèles produit normalement un grand nombre de canaux de décharge individuels, appelés micro-décharges. Le nombre de micro-décharges est proportionnel à la différence entre la tension appliquée Vappl et la tension de décharge Vd sur les électrodes.

U.Kogelschatz et B.Eliasson [60-65] ont étudié les propriétés des DBDs dans l’air à la pression atmosphérique. Les filaments obtenus ont des diamètres d’environ une centaine de microns et une durée de vie d’environ 100 ns. Ainsi U.Kogelschatz a montré que la décharge à barrière diélectrique limite la quantité de charge et l’énergie déposées sur une micro-décharge individuelle et distribue les micro-micro-décharges sur toute la surface de l’électrode.

I.6. Champ électrique

Le champ électrique compris dans l’expression de la force de Coulomb est constitué du champ des ondes mobiles E0 généré par l’alimentation et le champ électrostatique Eq créé

par les particules chargées :

Φ : potentiel électrique

Champ des particules Eq :

∑

Np : le nombre des particules.

r : rayon de la particule.

qN : charge de la particule.

ɛ0 : permittivité du vide.

15

∑

Le calcul du champ électrique non uniforme produit par les électrodes d’un convoyeur a ondes mobiles en configuration triphasée a été donné par Masuda et al [3], le calcul approximatif en dehors des électrodes a été fait pour deux configurations, à savoir charge plane et charge linéaire.

I.6.1. Charge plane

Une série d'un nombre infini de charges linéaires parallèles dans un plan (y, z) (Fig. I.2), constituée de groupes de charges linéaires de N-phases avec un espace inter groupes de λ=3L (soit trois électrodes), un espace inter-électrodes de λ/N (L=λ/3). La densité de leurs charges linéaires est (λσ/N) cos (ɷt-2πn/N) ou n est un entier, l’intensité du champ est donnée par : ( ) ⁄ ∑ . / * . / + (I.5)

Mettre N tend vers l’infini avec λ constant, la densité de charge devient σcos(ωt-ky)dy, qui corresponde à une charge plane avec un pic de densité de surface σ, un nombre k=2π/λ, avec une manipulation mathématique on obtient de l’équation I.5 :

( )

∫

( ) *

( )

+

( )

( | |) ( )

A partir de l’équation I.7 on constate que le potentielle correspond à une onde mobile dans la direction de l’axe y avec une vitesse et une amplitude qui se désintègre de manière exponentielle suivant l’axe des x.

L’intensité du champ dans la direction the l’axe des x et des y devient :

( )

( | |) ( )

16

une vitesse angulaire dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Figure I.2 : Charge plane

I.6.2. Charge linéaire

Une série d’un nombre infini de charges linéaires parallèles le long des axes d’électrodes cylindriques (Fig. I.3), ayant des densités de charge linéaire , . /, . /. L’équation du champ en dehors des électrodes pour une disposition de trois phases est donnée par :

Figure I.3 : Charge linéaire

( )

∑, { ( ) (

)}

17

( ( ) * ( )(

)+)- (

)

L’intensité du champ électrique dans la direction de l’axe des x et des y devient :

( ) ∑, { ( ) . /}

* ( )(

)+- (

)

* ( )(

)+-

L’expansion en séries de Fourier des deux équations précédentes pour X > 0, donne les relations suivantes :

∑

( | |

) (

)

∑

( | |

) (

)

Par conséquent les équations I.11 et I.12 peuvent être écrite comme suit :

( )

( | |) ∑ ,* * ( )

( )+ * ( ) ( )+-

⁄

⁄

(

)

( )

∑ ( | |

) * (

⁄ )

√ (

⁄ ) + (

)

18

( )

{

∑

(- | |) ( - )

∑

(- | |) ( )

}

( ) -

{

∑

(- | |) ( - )

-

∑

(- | |) ( )

}

Un convoyeur triphasé offre un nombre infini des modes de champ rotatif en mouvement. Les modes correspondant à m = 1, 4, 7, ..., se font dans le sens positif de y, en tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, tandis que ceux correspondant à m = 2, 5, 8, ..., défilés dans le sens négatif de y, en tournant dans le sens des aiguilles d'une montre. La vitesse angulaire de n’importe quel m-mode et ⁄ ⁄ , étant la vitesse synchrone de l’onde fondamentale. Puisque les modes les plus élevés se désintègrent rapidement, seulement les modes correspondant à m =1 et 2 joueront un rôle primordial.

I.6.3. Distribution du potentiel électrique

Dans un convoyeur à ondes mobiles de configuration triphasée, il est nécessaire de connaitre la distribution du potentiel électrique au-dessus des électrodes, cela va permettre de prouver que la première et la seconde harmonique sont les plus importantes pour créer une onde mobile.

Figure I.4 : Section coupée d’un convoyeur triphasé suivant la direction z

La Fig. I.4 représente une coupe suivant la direction de l’axe z d’un ensemble de six électrodes d’un convoyeur triphasé, cela pour que le calcul du potentiel soit fait à deux dimensions. Les électrodes 1, 2, 3 représentent les trois phases d’alimentation qui sont

19

déphasées de 120°, respectivement 0°, 120° et 240°. Le potentiel dans l'espace au-dessus des électrodes peut être représenté comme une superposition de trois phases en utilisant l’équation suivante [1-2] [34] :

( )

, ( ) ( ) ( -

⁄ ) ( -

⁄ )

( -

⁄ ) ( -

⁄ )-

Vp : Tension alternative d'application.

f : la fréquence,

ϕ(x, y) : est le potentiel lorsque la tension est appliqué à la première électrode uniquement. λ = 3L : est le période du potentiel spatial.

L : la distance entre le centre de deux électrodes voisines.

Pour une configuration triphasée d’un convoyeur plat, la valeur de ϕ(x, y) est donnée explicitement sur la surface des électrodes.

Pour y>0, ϕ(x, y) doit être calculé à partir des conditions aux limites connues. Le ϕ(x,y) peut être représenté en utilisant les séries de Fourier comme suit [1] [34]:

( )

( ) ∑ [

( ) ( )

⁄

( ) ( )

⁄

]

Les coefficients harmoniques ao (y), an (y) et bn (y) (pour n = 1, 2, 3, ....) doivent être

calculés à partir de la forme de distribution du champ électrique à une hauteur y donnée au-dessus de la surface du convoyeur.

Il a été montré que le spectre de ϕ(x, y) contient principalement le premier et le secondes harmoniques spatiales pour la configuration de la Fig. I.5. Le potentiel U(x, y, t) peut donc être décrit par deux composants associés avec les premier (a1) et second

harmoniques (a2) qui se propagent dans des directions opposées. La deuxième harmonique est

dominante au voisinage immédiat de la surface du convoyeur tandis que la première harmonique devient dominante au-dessus d'une certaine hauteur Yneutre, qui peut être estimée à

20

.

/

Figure I.5 : Direction des ondes crée par la première et la deuxième harmonique

Les particules les plus chargées sont transportées par la première harmonique et les moins chargées par la deuxième harmonique, car avec une charge élevée elles arrivent à léviter dessus de la hauteur de Yneutre, tandis qu’avec une charge faible elles lévitent au-dessous de Yneutre.

Cette analyse n’est valable que pour le convoyeur triphasé, parce que dans la configuration à quatre phases, le développement de la formule du potentiel avec les séries de Fourier ne donne que la première harmonique car a2 est nulle.

I.7. Les modes de transport

Plusieurs différents modes de transport ont était décrits, Machowski a proposé deux modes [34], Masuda quant à lui parle de cinq diffèrent modes [2] mais en général il y a trois modes distinct [66]. Plusieurs facteurs influencent cela comme la fréquence, la forme d'onde, la tension, la forme et configuration des électrodes, ainsi que les propriétés physiques des particules et leurs positions initiales.

I.7.1. Mode de glissement (Surfing mode)

Les particules roulent ou glissent sur le convoyeur en un mouvement synchrone (vitesse particule = vitesse onde) (Fig. I.6).

21

Figure I.6 : Représentation schématique du mode glissement

I.7.2. Mode sauts (Hoping mode)

Les particules sont transportées à travers des sauts successifs, entre lesquels elles restent fixées à la surface. La distance de transport de chaque saut peut varier en fonction de conditions particulières ainsi qu'entre les différents sauts de la particule. Dans certains cas, une particule peut effectuer plusieurs petits sauts, ou même un saut en arrière, avant de reprendre un grand saut en avant (Fig. I.7).

Figure I.7 : Représentation schématique du mode sauts

I.7.3. Mode cycloïdal (Curtain mode)

Les particules sont en permanence suspendant au-dessus de la plaque (restent en lévitation). Leur mouvement est cycloïdal périodique avec une vitesse beaucoup plus faible que la vitesse de l'onde (Fig. I.8).

22

Figure I.8 : Représentation schématique du mode cycloïdal

Les trois modes de mouvement donnent une simple explication, alors qu’en réalité le mouvement d’une particule individuelle est généralement plus complexe et irrégulier que décrit précédemment, en partie à cause des effets de l'interaction entre les particules et les particules avec le convoyeur.

I.8. Principe des ondes mobiles

Il y’a plusieurs processus qui pourraient contribuer ou expliquer comment les ondes mobiles crées par le convoyeur affectent les particules. Tout le phénomène est question du chargement électrostatique des particules. Les explications données par des travaux de recherche antérieurs montrent qu’il y’a deux façons d’interpréter le processus, dont les auteurs font référence dans leurs articles. Cependant au total il y’a trois explications :

 Processus 1 : Chargement triboélectrique provoqué par la force de Coulomb et force diélectrophorétique (Fd), les particules mouvantes et roulantes sont responsables de

leur propre chargement par frottement (particules chargées négativement).



surface du film diélectrique aidée par l'injection de charge depuis la surface.

 Processus 3 : Chargement par micro-décharges filamentaires DBD (Décharge à Barrière Diélectrique) au sein du film diélectrique qui va charger les particules sur la surface du convoyeur avec une polarité positive.

Le premier processus présente une explication rationnelle et cohérente, la force de coulomb et diélectrophorétique sont utilisées dans la plupart des travaux, quoique d’autres chercheurs [1] [8] optent plus pour un autre processus en se basant sur des résultats expérimentaux ainsi que le travail d’Atten et al [9].

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Pour expliquer le principe de transport des ondes progressives, seuls des électrodes longues, minces et parallèles avec un espace constant formant le squelette du convoyeur électrique, seront considérés dans l'interprétation suivante.

Une illustration statique de cette situation est illustrée sur la Fig. I.9, où deux électrodes sont représentées en vue de côté. Leurs potentiels opposés à amplitude égale produisent un champ électrique qui passe à travers la couche isolante et exerce une force sur la particule chargée.

Pour une particule conductrice, l’acquisition de la charge induite réside à la surface de la particule et est presque instantanée. La charge totale q est l’intégration de la charge de surface, donnée par [33]:

E : Champ électrique d : Diamètre de la particule.

Figure I.9 : Représentation schématique du principe de fonctionnement.

Le phénomène électrostatique de rassemblement des particules pour former une macro-particule est plus facilement reconnu dans le cas idéal où n particules chargées de diamètre d, initialement séparées les uns des autres, sont rassemblés en une macro-particule de diamètre D, comme illustré surla Fig. I.10.

24

Fig. I.10 : Effet électrostatique de la formation d’une macro-particule

Si les particules individuelles sont déjà chargées au maximum autorisé par la rigidité diélectrique de l'air, le conglomérat de particules génère un champ électrique autour de lui-même dépassant la limite de claquage. Ainsi se produit une ionisation de l’air qui est neutralisée dans une certaine mesure par les ions de l’air et se charge au-dessus des électrodes du film. La charge excédentaire Q libérée de la macro-particule est formulée par l'expression [67] :

qd : la charge de la macro-particule de rayon D.

q : la charge d’une particule individuel.

n : nombre des particules qui forment la macro-particule.

Outre le mécanisme de chargement, un deuxième aspect important à considérer, à savoir le mécanisme par lequel les matériaux des particules concernés retiennent la charge habituellement; La charge conférée à une particule disparaît après un certain temps τ, ce temps de relaxation de la charge τ est défini comme le temps nécessaire pour décharger une particule à un niveau de charge de 37% de la charge initiale q0. Il est calculé à partir de [68] :

( )

25

Où ε et ρ sont la permittivité relative et la résistivité électrique (en Ωm) du milieu environnant, respectivement.

Pour une particule non conductrice, les principales formes de contacts triboélectriques dynamiques sont les suivantes : glissement, roulement, vibrations à la surface et chargement par impact [69]. La charge totale acquise dépend de divers paramètres tels que la force de contact et la vitesse du mouvement de friction.

L'explication la plus probable de ce phénomène est que la température du point de contact affecte le transfert de charge. La charge maximale qu'une particule tribo-électrifiée peut contenir à sa surface est égale à [33] :

(I.26)

Où Ec est l'intensité du champ de claquage (V/m) de l'air qui atteint environ 3 MV/m.

Même aujourd'hui, il n'est pas possible de prédire avec certitude si un matériau spécifique donnera une charge négative ou positive, ou faire une estimation très approximative de l'amplitude de la charge qui sera générée.

Par exemple, le chargement des particules fines peut atteindre des rapports de charge massique de l'ordre de 10-4 C/kg [70]. Pendant le processus de charge par friction, une charge par contact peut également être présente, ce qui entraîne une redistribution de charge.

Lorsque deux surfaces de nature chimique différente sont réunies, il est possible d’obtenir un gain de potentielle, stimulant ainsi la charge par contact. La redistribution de la charge actuelle est généralement décrite comme une quantique mécanique à effet tunnel à travers la barrière de potentiel. Le potentiel de barrière d’une particule métallique peut être provoquée par une fine couche d’oxyde recouvrant la surface [33].

I.9. Influence de la distance entre électrodes voisines

Des expériences ont été réalisées pour mieux comprendre l’influence de l’espace inter-électrodes « de » sur le transport des particules, dans deux milieux différents, à savoir l’air et

le CO2 [09]. Sous une pression variant de 5 à 10 mbar, la tension seuil de décharge pour de=1

mm est caractérisée par une valeur crête très peu supérieure à la tension minimum de Paschen. Les champs plus élevés dans le gaz peuvent donc seulement être réalisés en prenant de plus petites distances entre les électrodes.

26

d’électrodes de = 0,75 mm

 Rideau II avec le = 0,4 mm et de = 1,5 mm

La barrière diélectrique est composée d’une feuille de mylar (e = 100 µm). Un essai conduisant à l’enlèvement total de la poudre simulant la poussière de Mars pour les deux convoyeurs de ce dispositif a d’abord été réalisé dans l’air atmosphérique. Ce comportement est dû au champ plutôt élevé (> ~ 3 kV/mm) donnant une force plutôt élevée sur des particules chargées. Mais à une pression de 7 mbar, dans l’air, les expériences ont montré que la couche de poudre n’est pas perturbée et reste au-dessus du rideau II (d = 1,5 mm); elle est par contre presque complètement enlevée du rideau I (d = 0,75 mm).

Les essais dans le CO2 à même pression ont donné des résultats analogues. Ceci donne

une illustration claire de l’influence de la distance entre électrodes de: le champ électrique et

la force électrique sur les particules chargées par DBD, est deux fois plus élevé sur le rideau I que sur le rideau II. Cette force qui n’est pas assez élevée pour soulever les particules au-dessus du rideau II apparaît suffisante au-au-dessus du rideau I.

I.10. Conclusion

Nous avons présenté dans ce chapitre les notions élémentaires et essentielles des rideaux électriques, en décrivant leurs paramètres ainsi que les différentes applications. Les mécanismes de chargement des particules micronisées qui agissent sur la technologie des ondes mobiles successives, sont complexes, jusqu’à présent les chercheurs ne sont pas d’accord sur le processus. Chaque processus cité se base sur des certains phénomènes électrostatiques tout en niant les autres, dans le chapitre suivant nous allons mettre la lumière sur ces derniers.

CHAPITRE II

Processus de chargement des particules

Dans ce chapitre, nous allons expliquer les

différents processus ou théories qui entrent dans les

mécanismes des ondes mobiles.

Nous allons également décrire les principes de

formation des ondes mobiles, pour le trois dispositifs, à

savoir : 2 phases, 3 phases et 4 phases.

27

II.1 Introduction

Les interprétations des chercheurs sur les phénomènes électrostatiques ainsi que sur les forces qui s’exercent sur une particule sur les convoyeurs à ondes mobiles sont différentes. Généralement la théorie la plus répandue est basée sur la force diélectrophorétique et de la force de Coulomb, qui sont plus détaillées que les autres. Nous allons présenter dans le présent chapitre une synthèse de ces différentes théories.

II.2. Processus 1 : Force diélectrophorétique et de Coulomb

La théorie la plus répandue est celle basée sur le principe de chargement par la force diélectrophorétique et de Coulomb; les particules chargées négativement sont attirées par des électrodes positives et repoussées par d’autres négatives par les deux forces précédentes. Dans cette explication les particules ont une charge négative car la mesure de la charge massique donne des valeurs négatives.

Avant d’aborder l’équation de mouvement ainsi que les différentes forces en action, il est nécessaire de connaitre en détails la force diélectrophorétique.

II.2.1. Force diélectrophorétique

La force diélectrophorétique a été décrite pour la première fois par Herbert Pohl en 1979, qui a défini les bases de la théorie pour différentes formes géométriques telles qu’une sphère, cylindre et plan. Voici quelques définitions :

Lorsqu'un objet neutre est soumis à un champ électrique non uniforme E, une force de translation F sera produite qui est proportionnelle à E2. Le mouvement de translation des objets soumis à cette force survenant dans un champ électrique non uniforme est connu sous le nom de force diélectrophorétique [71].

La force diélectrophorétique est le résultat d’une différence de pression électrostatique exercée sur une particule polarisable suspendue dans un milieu polarisable par un champ électrique alternatif non-uniforme, E [10].

Lorsqu'une particule dans un milieu est placée dans un champ électrique E, un moment dipolaire électrique P est induit dans la particule par le champ électrique. D’autre part, dans un champ électrique non uniforme, la force nette n'est pas égale à zéro en raison des composants additifs, c’est le principe de la force diélectrophorétique [11].

28

La diélectrophorétique est définie en tant que mouvement de translation de la matière neutre causé par des effets de polarisation dans un champ électrique non uniforme [29].

La force diélectrophorétique est une force de gradient de champ électrique. Ainsi, l’accès à de forts gradients peut être rendu possible par la diminution d’échelle des électrodes et des espaces inter-électrodes.

Par exemple, des électrodes séparées de 10 µm ayant une différence de potentiel électrique de 1 V produiront un champ électrique global de E = 105 V/m. De plus, un potentiel alternatif évite les problèmes liés à l’utilisation de potentiels continus dont les normes seraient trop importantes. En effet, des effets parasites et destructeurs peuvent intervenir lorsque de tels champs continus sont créés dans un liquide, comme l’électrolyse de l’eau sur les électrodes, produisant du dihydrogène et une destruction irréversible des électrodes.

Toutefois, un champ électrique alternatif créé au sein d’un liquide induit des mouvements du liquide lui-même [10].

Afin de mieux comprendre la force diélectrophorétique, il faut savoir comment un moment dipolaire se forme; il y’a une relation entre les deux. Pour cela, il faut étudier le comportement d’une particule isolante, en particulier plastique, exposée à un champ électrique.

II.2.1.1. Polarisation électrostatique

N’importe quelle particule comporte des charges électriques négatives et positives. Lorsqu’elle est exposée à un champ électrique, elle aura un comportement selon sa nature. La particule conductrice va se polariser, c.à.d. les charges positives seront regroupées à l’opposé des charges négatives; il y aura un léger déplacement du nuage d’électrons par rapport au noyau, ce qui va créer un moment dipolaire, c’est la polarisation (Fig. II.1).

29

créer un moment dipolaire qui est à l’origine de la force diélectrophorétique.

II.2.1.2. Moment électrique d’un dipôle

Un dipôle est formé de deux charges égales et de signes opposés. La valeur du moment électrique d’un dipôle est où q est la charge positive (ou la valeur absolue de la charge négative) et dp la longueur du dipôle. Il va de soi que pour les molécules où dp =

0, le moment dipolaire est nul (Fig. II.2).

Figure II.2 : Moment dipolaire

II.2.1.3. Description de la polarisation

La propriété la plus importante d’un diélectrique est la polarisation sous l’action d’un champ électrique externe. A l’échelle atomique: en l’absence d’un champ électrique, le moment électrique est nul car la somme algébrique des charges dans toutes les molécules dans un volume donné est nulle, du fait que les centres de gravité des charges positives et négatives coïncident (Fig. II.3 (a)). Lors de l’application d’un champ électrique, les centres de gravité ne coïncident plus et les particules (atomes et molécules) sont alignées suivant la direction de E et acquièrent un moment (Fig. II.3 (b)).

Figure II.3 : Polarisation électronique

(a) Pas de champ extérieur P0= q*dp =0

(b) Présence de champ extérieur P0 = q dp

q+ q-dp