Avantages de la photocatalyse par rapport au traitement biologique

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Les sources lumineuses

La vitesse de réaction photocatalytique dépend de l’intensité du flux de photon. L’intensité du flux lumineux est régie principalement par deux principaux paramètres :
• La puissance du rayonnement lumineux,
• La distance entre la source d’émission lumineuse et le photocatalyseur.
Il existe différents types de sources lumineuses dont le spectre d’émission, la puissance et la géométrie sont variables. Cela permet de choisir la source là 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).

La lumière solaire

Le soleil est un énorme réacteur qui envoie en moyenne à la surface de la Terre 1,5.1018 kWh par ans, ce qui représente approximativement 28000 fois la consommation mondiale annuelle [12]. Les radiations hors de l’atmosphère ont une intensité de 1367 Wm² et une longueur d’onde comprise entre 0,2 et 50 μm, qui est réduit entre 0,3 et 3 μm lorsqu’ils atteignent la surface à cause de l’absorption par les différents composés atmosphériques (principalement l’ozone, l’oxygène, le dioxyde de carbone, les aérosols, les flux, les nuages …). Les radiations qui atteignent la terre sans être absorbées ou dispersées sont appelées radiations directes. Les radiations qui atteignent la terre en étant dispersées sont appelées radiations diffuses, et la somme des deux représente la radiation globale.

Le spectre solaire

Le spectre solaire de la figure 5 est la décomposition de la lumière solaire en longueurs d’onde correspondant à des couleurs.
Le spectre solaire AM 1.5, la condition standard d’irradiation solaire, est représenté sur la figure 5 : il s’agit du spectre de la lumière solaire après qu’elle ait traversé une épaisseur d’air sans nuages correspondant à 1.5 fois l’épaisseur de l’atmosphère. Cette situation se présente en pratique lorsque le ciel est très clair et que le Soleil se trouve à une hauteur de 41.8° au-dessus de l’horizon [I].
La photocatalyse hétérogène repose sur l’irradiation d’un semi-conducteur par un rayonnement UV.
La lumière ultra-violette est généralement divisée en 3 parties suivant les effets qu’elle produit [12].
• La région UV-C ; (315 – 400 nm), qui est le type de rayonnement le moins nuisible. On l’appelle souvent lumière noire, elle est utilisée pour exciter des matériaux fluorescents pour émettre une lumière visible, qui apparaît dans le noir. C’est le domaine de rayonnement le plus utilisé en photocatalyse. En effet, c’est dans ce domaine qu’absorbe le semi-conducteur (TiO2). Quand les photons UV-C entrent en collision avec de l’oxygène de l’air, le transfert d’énergie est suffisant pour former de l’ozone. Les lampes UV-C sont utilisées pour le traitement de l’eau, car le rayonnement permet de tuer les bactéries.
• La région UV-B ; (280 – 315 nm) est typiquement la plus destructrice, parce que l’énergie du rayonnement est suffisante pour créer des dommages aux tissus biologiques. Ce domaine de rayonnement est connu pour provoquer des cancers. Il peut être complètement absorbé par l’atmosphère.
• La région UV-A ; (100 – 280 nm) est complètement absorbée par l’air.

L’ensoleillement

La durée d’exposition d’un lieu au soleil (ensoleillement) est un paramètre important pour l’installation de plateformes solaires pour la photocatalyse. Dans notre cas, nos expériences ont été réalisées pendant 100 min entre 11h et 12h40, lorsque le flux de lumière soleil est au maximum.

L’absorption de l’énergie solaire

Le TiO2 (anatase) est 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 388 nm. Ce domaine représente une faible partie (6%) du spectre solaire comme présenté dans la figure 6. Ceci limite significativement l’utilisation de la lumière solaire comme source d’irradiation (ou d’activation) en photocatalyse.

La lumière artificielle

La source de lumière est un facteur très important dans l’élaboration de réacteur photochimique. Différentes lampes permettent la génération de radiations pour différents domaines de longueurs d’onde. Le choix d’une lampe se fait suivant l’énergie de réaction requise dans le processus. Il existe plusieurs types de sources de radiation [7].
• Les lampes à arc ;
• Les lampes à incandescence ;
• Les lampes fluorescentes ;
• Les lasers.
En photocatalyse, les lampes à arc ainsi que les lampes fluorescentes sont fréquemment utilisées pour différentes raisons : en utilisant le mercure ou le xénon, le spectre d’émission est très proche du spectre solaire. De plus, ces lampes émettent peu de chaleur par rapport aux autres lampes (incandescence et laser). Le choix d’un type de source lumineuse sera donc dicté par :
• la bonne coïncidence entre le spectre d’absorption du réactif et le spectre d’émission de la source;
• le flux photonique émis par la source dans le domaine spectral utilisé ;
• la géométrie de la source qui est étroitement liée à la géométrie du réacteur.

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1-Généralités sur la photocatalyse
I.2-Principe de la Photocatalyse
I.2.1- Excitation du photocatalyseur
I.2.2-Mécanismes réactionnels généraux
I.2.3-Paramètres influençant l’activité photocatalytique
I.3-Les sources lumineuses
I.3.1-La lumière solaire
I.3.2-La lumière artificielle
I.4-Choix du matériau photocatalytique
I.4.1- Matériau semi-conducteur
I.4.2- Stabilité chimique dans l’eau
I.4.3-Le photocatalyseur TiO2
I.5 – Avantages de la photocatalyse par rapport au traitement biologique
CHAPITRE II : ÉTUDES EXPÉRIMENTALES
II.1-Introduction
II.2-Produits utilisés
II.2.1-Colorant
II.2.2-Semi-conducteur
II.2.3-Réactifs
II.3-Matériels utilisés
II.3.1-Agitateur
II.3.2-Balance électronique
II.3.3-pH-mètre
II.3.4-Diffractomètre
II.3.5-Lampe UV
II.3.6-Spectrophotomètre
II.3.7-Chronomètre
II.4-Méthodes expérimentales
II.4.1-Préparation de TiO2
II.4.2-Caractérisation par diffraction des rayons X (DRX) du TiO2
II.4.3-Détermination de la taille des cristallites (grains)
II.4.4-Spectroscopie UV /visible des solutions aqueuses de rhodamine B
II.4.5-Dispositif photochimique avec rayonnement UV
CHAPITRE III : RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
III.1-Introduction
III.2-Analyse des diffractogrammes des rayons X
III.2.1-Caractérisations du TiO2
III.2.2-Calcules de la taille des grains
III.3-Etudes de la dégradation de la rhodamine B
III.3.1-Etudes de la dégradation photocatalytique du polluant organique en phase liquide sous irradiation dans l’UV-C (λ= 315 à 400 nm)
III.3.2-Etudes de la dégradation photocatalytique du polluant organique en phase liquide sous irradiation solaire.
III.4-Discussions
Conclusions et perspectives
Références bibliographiques
Webographie
Annexes

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