:: Travail de fin d'?tudes 1997 ::.
:: Ing?nieur industriel Chimie (Meurice) ::.
- Sonochimie d'une bulle unique :
Etude du flux acoustique au voisinage d'une bulle en l?vitation - Remerciements
- Introduction
- Sonoluminescence
- Sonochimie
- But du travail
- Conclusion
Sonochimie d'une bulle unique :
Etude du flux acoustique au voisinage d'une bulle en l?vitation
Single bubble sonochemistry :
Acoustical flood study in the neighborhood of a single bubble in levitation
Travail de fin d'Etudes (Final Paper) pr?sent? par : Tanguy (Sang-Hoon) VERRAES
en vue de l'obtention du dipl?me d'ing?nieur industriel.
Juin 1997
Directeurs de M?moire : Professeur Thierry LEPOINT et Dr. Sc. Fran?oise MULLIE-LEPOINT.
Institut MEURICE - 1,avenue Emile Gryson. B-1070 Brussels. Belgium.
Laboratoire de Sonochimie. Etude de la cavitation acoustique (LASEC).
Rapporteur : St?phane Verstraete.
Remerciements
Je tiens ? remercier le Professeur Thierry Lepoint, le Dr. Sc. Fran?oise Mullie, responsables du laboratoire de Sonochimie et d'?tude de la cavitation (LASEC) ainsi que N. Voglet, Ing., pour l'aide pr?cieuse qu'ils m'ont apport?e tout au long de ce travail mais ?galement de m'avoir donn? la chance de rencontrer les Professeurs A. Prosperetti; W. Lauterborn, et M.S. Longuet-Higgins et ainsi de m'initier ? la recherche fondamentale.
Mes remerciements s'adressent aussi ? tous les services de l'Institut Meurice qui ont, de pr?s ou de loin, contribu? ? la finalisation de ce T.F.E. et plus sp?cialement au service de Microbiologie dirig? par le Dr. Sc. M. Laurent pour leur accueil chaleureux. Merci ?galement ? Mr. R. Coomans.
Que Monsieur Derijck de la soci?t? Van Hopplynus qui a mis gracieusement ? ma disposition du mat?riel de haute pr?cision trouve ici l'expression de ma gratitude.
Je d?die ce travail ? mes parents qui m'ont soutenu tout au long de ces ann?es d'?tudes.
Un grand merci ? mes amis ...
Avertissements : Du ? un espace m?moire restreint, cette page ne comporte que des courts extraits du TFE.Pour plus d'informations sur le sujet, visitez les sites sp?cialis?s en la mati?re.
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 inf?rieure ? la tension de vapeur.
Ce ph?nom?ne a ?t? d?crit scientifiquement pour la premi?re fois par Isaac Newton en 1704 et se rencontre
dans des circonstances tr?s vari?es : tuyaux de Venturi, h?lices de bateaux, chutes d'eau,
bains ? ultrasons, ...
La cavitation peut ?tre induite (i) thermiquement (par ?bullition), (ii) optiquement (par application d'un
faisceau laser de forte intensit?), (iii) hydrodynamiquement (par une chute brusque de pression dans un
?coulement) 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 int?resserons exculsivement ? la cavitation acoustique.
La cavitation acoustique
La cavitation acoustique est obtenue suite ? la propagation d'ondes sonores (dites ?galement 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 appara?t et cro?t. 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-lin?aire (par exemple la variation du rayon de la bulle n'est pas proportionnelle ? la variation de pression). La haute compressibilit? d'une bulle
de gaz signifie que lors du collapse de la bulle, celle-ci concentre fortement l'?nergie de l'onde sonore et peut (i) initier des r?actions chimiques (la sonochimie), (ii) produire de la lumi?re (la sonoluminescence)
ou (iii) exercer une action m?canique sur les surfaces solides (?rosion). Par exemple, l'?nergie d'une
onde acoustique peut ?tre de 10E-11 eV par atome constitutif du liquide de propagation, alors que les photons ?mis par l'int?rieur d'une bulle comprim?e ont des ?nergies de l'ordre d'un ?lectronvolt (1 eV = 1.602 x 10E-19 J).
Les effets de la cavitation sont donc : physique (?rosion, ?mulsification, ...); chimique (formation de radicaux, transfert d'?lectrons, ...); luminescent (la sonoluminescence se d?roule
exclusivement dans la phase vapeur de la bulle). ...
Sonoluminescence
La sonoluminescence (SL) consiste en l'?mission de flashs de lumi?re provenant des bulles de cavitation. Cette lumi?re ?met principalement dans le domaine du visible et l'ultraviolet. L'?mission de cette lumi?re est tr?s br?ve (<=50 picosecondes). La partie visible peut ?tre observ?e dans certains liquides (tel que l'eau) et ce, apr?s un temps d'adaptation de l'oeil ? l'obscurit?.
Single bubble sonoluminescing
Sonochimie
La sonochimie (SC) s'emploie ? utiliser les actions m?caniques et chimiques de la cavitation acoustique pour r?aliser 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 homog?ne et (ii) la SC en milieu h?t?rog?ne. (i) La SC en milieu homog?ne ?tudie l'activit? en phase liquide, des radicaux et esp?ces excit?es form?es dans les bulles (OH?, H?, X?, OH*, C2*, ...) durant le collapse, et l'?ventuel relargage de ces esp?ces au sein du liquide. (ii) La SC en milieu h?t?rog?ne concerne plut? les effets m?caniques de la cavitation. Ces acitons m?caniques sont (a) l'?rosion de surfaces par la formation de microjets durant le collapse asym?trique de la bulle au voisinage de l'interface solide-liquide ou liquide-liquide, (b) le microstreaming intense, d? ? la pr?sence d'obstacles dans le champ acoustique et qui augmente les ?changes de mati?res.
Sonochimie d'une bulle unique en
r?gime dansant. (Lepoint-Mullie et al.)
R?action de Weissler : Le filament bleu provenant du centre de la cellule indique une r?action de complexation entre l'amidon et l'iode produit par oxydation de l'anion I- par les radicaux Cl? d? ? la d?composition du CCl4 dans la bulle.
But du travail
Etude du flux acoustique au voisinage d'une bulle unique maintenue en l?vitation par cavitation acoustique via trois m?thodes :
1. par injection de colorant (Fuschsine);
2. par observation des poussi?res naturellement pr?sentes dans l'eau;
3. par observation de la chimie ?mise au niveau de la bulle.
Cette ?tude fait suite ? l'article de Lepoint et al. sur la SC d'une bulle unique (vide supra). Lepoint et al. observent que l'activit? chimique d'une bulle unique en l?vitation est anisotrope. La formation d'un fin filament bleu (complexe iode/amidon issu de la r?action de Weissler au niveau de la bulle), et non d'un halo au voisinage imm?diat de la bulle peut r?sulter de plusieurs sc?narii : (i) le global streaming, (ii) l'acoustic streaming, (iii) le microstreaming et (iv) la formation d'un ou plusieurs jets intracavit?.
Conclusion
Ce travail apporte des donn?es qualitatives et quantitatives sur les flux acoustiques d'une bulle maintenue en l?vitation.
L'application d'un champ acoustique dans un liquide g?n?re le global streaming et se manifeste, dans nos exp?riences, par le ralentissement de la vitesse de chute du colorant et/ou des traceurs.
La pr?sence d'une bulle stable (avant tous les autres r?gimes), nous a montr? l'effet d'attraction des particules dans son voisinage imm?diat. Remarquons qu'en r?gime SL, certaines poussi?res sont captur?es ? la surface de la bulle. Une fois captur?e, la bulle SL change de comportement (tournoie autour de son axe, ?mission de microbulles, ...). Lorsqu'on arr?te la tension et que la bulle SL dispara?t, on voit ? sa place un petit amas de poussi?res qui 'flotte'.
Une bulle en r?gime shuttlecock ou en r?gime sonoluminescent g?n?re des flux de liquide suppl?mentaires d'une intensit? consid?rable. Ce flux est orient?. Ni le global streaming , ni l'acoustic streaming ne parviennent ? expliquer que de telles vitesses soient d?velopp?es au voisinage imm?diat de la bulle.
Une approche, tr?s r?cente men?e par Longuet-Higgins, bas?e sur l'existence d'un dip?le suite ? la collapse asym?trique de la bulle semble apporter un ?l?ment de r?ponse (voire la r?ponse compl?te) aux observations que nous avons faites.
Nous n'avons pas pu lever l'ambigu?t? sur la formation et l'?jection de la chimie par la bulle (r?action intracavit? ou ? l'interface gaz-liquide? ?jection via un ou plusieurs jets? d?p?t de la chimie ? la surface de la bulle?).
D'apr?s nos observations, la chimie ?mise par la bulle suit le flux des particules au voisinage imm?diat de la bulle.
Par le biais de cette ?tude, nous esp?rons avoir contribu? ? apporter de nouveaux ?l?ments permettant de mieux comprendre le comportement d'une bulle unique en cavitation.
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