:: Travail de fin d'études 1997 ::.
:: Ingénieur industriel Chimie (Meurice) ::.
- Sonochimie d'une bulle unique :
Etude du flux acoustique au voisinage d'une bulle en lévitation - Remerciements
- Introduction
- Sonoluminescence
- Sonochimie
- But du travail
- Conclusion
Sonochimie d'une bulle unique :
Etude du flux acoustique au voisinage d'une bulle en lévitation
Single bubble sonochemistry :
Acoustical flood study in the neighborhood of a single bubble in levitation
Travail de fin d'Etudes (Final Paper) présenté par : Tanguy (Sang-Hoon) VERRAES
en vue de l'obtention du diplôme d'ingénieur industriel.
Juin 1997
Directeurs de Mémoire : Professeur Thierry LEPOINT et Dr. Sc. Françoise MULLIE-LEPOINT.
Institut MEURICE - 1,avenue Emile Gryson. B-1070 Brussels. Belgium.
Laboratoire de Sonochimie. Etude de la cavitation acoustique (LASEC).
Rapporteur : Stéphane Verstraete.
Remerciements
Je tiens à remercier le Professeur Thierry Lepoint, le Dr. Sc. Françoise Mullie, responsables du laboratoire de Sonochimie et d'étude de la cavitation (LASEC) ainsi que N. Voglet, Ing., pour l'aide précieuse qu'ils m'ont apportée tout au long de ce travail mais également de m'avoir donné la chance de rencontrer les Professeurs A. Prosperetti; W. Lauterborn, et M.S. Longuet-Higgins et ainsi de m'initier à la recherche fondamentale.
Mes remerciements s'adressent aussi à tous les services de l'Institut Meurice qui ont, de près ou de loin, contribué à la finalisation de ce T.F.E. et plus spécialement au service de Microbiologie dirigé par le Dr. Sc. M. Laurent pour leur accueil chaleureux. Merci également à Mr. R. Coomans.
Que Monsieur Derijck de la société Van Hopplynus qui a mis gracieusement à ma disposition du matériel de haute précision trouve ici l'expression de ma gratitude.
Je dédie ce travail à mes parents qui m'ont soutenu tout au long de ces années d'études.
Un grand merci à mes amis ...
Avertissements : Du à un espace mémoire restreint, cette page ne comporte que des courts extraits du TFE.Pour plus d'informations sur le sujet, visitez les sites spécialisés en la matière.
Merci.
Introduction
La cavitation
La cavitation consiste en la formation de bulles de gaz ou de vapeur dans un liquide en mouvement
lorsque la pression du liquide devient inférieure à la tension de vapeur.
Ce phénomène a été décrit scientifiquement pour la première fois par Isaac Newton en 1704 et se rencontre
dans des circonstances très variées : tuyaux de Venturi, hélices de bateaux, chutes d'eau,
bains à ultrasons, ...
La cavitation peut être induite (i) thermiquement (par ébullition), (ii) optiquement (par application d'un
faisceau laser de forte intensité), (iii) hydrodynamiquement (par une chute brusque de pression dans un
écoulement) ou encore (iv) acoustiquement (par application d'une onde de pression au sein d'un liquide).
Dans le cadre du travail qui nous occupe, nous nous intéresserons exculsivement à la cavitation acoustique.
La cavitation acoustique
La cavitation acoustique est obtenue suite à la propagation d'ondes sonores (dites également ondes de pression) dans un liquide au repos. Si la variation de pression est assez grande pour amener localement la pression du
liquide en dessous de la pression de vapeur, une bulle apparaît et croît. Au sein d'un champ
acoustique, la bulle subit une succession d'expansion et de compression. La cavitation acoustique regroupe un ensemble de processus non-linéaire (par exemple la variation du rayon de la bulle n'est pas proportionnelle à la variation de pression). La haute compressibilité d'une bulle
de gaz signifie que lors du collapse de la bulle, celle-ci concentre fortement l'énergie de l'onde sonore et peut (i) initier des réactions chimiques (la sonochimie), (ii) produire de la lumière (la sonoluminescence)
ou (iii) exercer une action mécanique sur les surfaces solides (érosion). Par exemple, l'énergie d'une
onde acoustique peut être de 10E-11 eV par atome constitutif du liquide de propagation, alors que les photons émis par l'intérieur d'une bulle comprimée ont des énergies de l'ordre d'un électronvolt (1 eV = 1.602 x 10E-19 J).
Les effets de la cavitation sont donc : physique (érosion, émulsification, ...); chimique (formation de radicaux, transfert d'électrons, ...); luminescent (la sonoluminescence se déroule
exclusivement dans la phase vapeur de la bulle). ...
Sonoluminescence
La sonoluminescence (SL) consiste en l'émission de flashs de lumière provenant des bulles de cavitation. Cette lumière émet principalement dans le domaine du visible et l'ultraviolet. L'émission de cette lumière est très brève (<=50 picosecondes). La partie visible peut être observée dans certains liquides (tel que l'eau) et ce, après un temps d'adaptation de l'oeil à l'obscurité.
Single bubble sonoluminescing
Sonochimie
La sonochimie (SC) s'emploie à utiliser les actions mécaniques et chimiques de la cavitation acoustique pour réaliser des transformations chimiques. Les ondes acoustiques n'ont pas d'action directe sur les liaisons chimiques. Nous distinguons principalement deux types de chimie : (i) la SC en milieu homogène et (ii) la SC en milieu hétérogène. (i) La SC en milieu homogène étudie l'activité en phase liquide, des radicaux et espèces excitées formées dans les bulles (OH°, H°, X°, OH*, C2*, ...) durant le collapse, et l'éventuel relargage de ces espèces au sein du liquide. (ii) La SC en milieu hétérogène concerne plutô les effets mécaniques de la cavitation. Ces acitons mécaniques sont (a) l'érosion de surfaces par la formation de microjets durant le collapse asymétrique de la bulle au voisinage de l'interface solide-liquide ou liquide-liquide, (b) le microstreaming intense, dû à la présence d'obstacles dans le champ acoustique et qui augmente les échanges de matières.
Sonochimie d'une bulle unique en
régime dansant. (Lepoint-Mullie et al.)
Réaction de Weissler : Le filament bleu provenant du centre de la cellule indique une réaction de complexation entre l'amidon et l'iode produit par oxydation de l'anion I- par les radicaux Cl° dû à la décomposition du CCl4 dans la bulle.
But du travail
Etude du flux acoustique au voisinage d'une bulle unique maintenue en lévitation par cavitation acoustique via trois méthodes :
1. par injection de colorant (Fuschsine);
2. par observation des poussières naturellement présentes dans l'eau;
3. par observation de la chimie émise au niveau de la bulle.
Cette étude fait suite à l'article de Lepoint et al. sur la SC d'une bulle unique (vide supra). Lepoint et al. observent que l'activité chimique d'une bulle unique en lévitation est anisotrope. La formation d'un fin filament bleu (complexe iode/amidon issu de la réaction de Weissler au niveau de la bulle), et non d'un halo au voisinage immédiat de la bulle peut résulter de plusieurs scénarii : (i) le global streaming, (ii) l'acoustic streaming, (iii) le microstreaming et (iv) la formation d'un ou plusieurs jets intracavité.
Conclusion
Ce travail apporte des données qualitatives et quantitatives sur les flux acoustiques d'une bulle maintenue en lévitation.
L'application d'un champ acoustique dans un liquide génère le global streaming et se manifeste, dans nos expériences, par le ralentissement de la vitesse de chute du colorant et/ou des traceurs.
La présence d'une bulle stable (avant tous les autres régimes), nous a montré l'effet d'attraction des particules dans son voisinage immédiat. Remarquons qu'en régime SL, certaines poussières sont capturées à la surface de la bulle. Une fois capturée, la bulle SL change de comportement (tournoie autour de son axe, émission de microbulles, ...). Lorsqu'on arrête la tension et que la bulle SL disparaît, on voit à sa place un petit amas de poussières qui 'flotte'.
Une bulle en régime shuttlecock ou en régime sonoluminescent génère des flux de liquide supplémentaires d'une intensité considérable. Ce flux est orienté. Ni le global streaming , ni l'acoustic streaming ne parviennent à expliquer que de telles vitesses soient développées au voisinage immédiat de la bulle.
Une approche, très récente menée par Longuet-Higgins, basée sur l'existence d'un dipôle suite à la collapse asymétrique de la bulle semble apporter un élément de réponse (voire la réponse complète) aux observations que nous avons faites.
Nous n'avons pas pu lever l'ambiguïté sur la formation et l'éjection de la chimie par la bulle (réaction intracavité ou à l'interface gaz-liquide? éjection via un ou plusieurs jets? dépôt de la chimie à la surface de la bulle?).
D'après nos observations, la chimie émise par la bulle suit le flux des particules au voisinage immédiat de la bulle.
Par le biais de cette étude, nous espérons avoir contribué à apporter de nouveaux éléments permettant de mieux comprendre le comportement d'une bulle unique en cavitation.
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