Ozone et générateur d’ozone à décharge à barrière diélectrique

Alimentation électriques pour les DBD

   A présent, nous introduisons un ensemble d’alimentations destinées aux DBDs, toutes se caractérisent par des formes d’onde (tension et courant) alternatives, à cause du comportement capacitif inhérent à ce type de décharges.
Source de tension sinusoïdale La façon la plus facilement réalisable et peut être la plus ancienne, d’alimenter une DBD est d’utiliser un generateur de tension sinusoïdale. Dans ce type de configuration, il est nécessaire de placer un transformateur élévateur en sortie du generateur, quand la tension du generateur n’est pas suffisante pour faire claquer le gaz ; les alimentations sinusoïdales permettent un réglage de la fréquence et de l’amplitude de la tension [15].
Alimentation impulsionnelle Les alimentations impulsionnelles pour les DBD présentent généralement une tension carrée, avec une amplitude de l’ordre de 10KV, des temps de montée de l’ordre de la centaine de ns et une fréquence de fonctionnement de l’ordre de plusieurs dizaines de KHz [15].

Production d’Ozone

   L’ozone est produit en soumettant cet air sec à une décharge électrique ou à une irradiation UV. Par ce dernier procédé, l’ozone est produit en concentration plus faible (inferieur à 0.1% en poids) que par décharge électrique (1 à 4.5% en poids). Lorsque le gaz de départ est de l’oxygène, cette concentration peut atteindre 14 à 18% en poids. Une haute tension est appliquée entre deux électrodes disposées concentriquement. Les électrodes sont séparés l’une de l’autre par un diélectrique et par deux chambres de décharge traversées par le gaz. Certaines des molécules d’oxygène présentes dans le gaz injecté se fractionnent dans le champ électrique et se combinent immédiatement aux molécules d’oxygène libre, formant ainsi de l’ozone [17].

L’ozone et ses applications

   La forme d’ozone est une forme allotropique de l’oxygène formée de trois atomes de cet élément, Dans son état fondamental, la molécule d’ozone présente deux liaisons oxygèneoxygène d’une longueur de 1,278 ± 0,003 Â et un angle de 116 ,45°. Elle possède un faible moment dipolaire de 0,53 Debye dont la fonction la plus connue est la protection contre les dangereuses radiations ultraviolettes du soleil mais c’est aussi un puissant oxydant et un puissant désinfectant ayant une grande variété d’utilisation, la plus remarquable est la désinfection des eaux. Dans les conditions normales de température et de pression, l’ozone est treize fois plus soluble dans l’eau que le dioxygène. Il est, après le fluor, le composé le plus oxydant grâce à sa faculté de capter des électrons, de décomposition rapide et, dans les mêmes conditions, il est plus stable dans l’eau que dans l’air. Il s’agit d’un gaz bleu pâle et instable qui, à la température ambiante, se caractérise par une odeur piquante

Avantages et inconvénients de l’ozone

  L’ozone se produit aussi bien dans la haute atmosphère et au niveau du sol. Il peut être bon ou mauvais, selon l’endroit où il se trouve.
 Avantages L’ozone est en quelque sorte le grand frère de l’oxygène. Il se produit naturellementdans la haute atmosphère terrestre où il forme une couche protectrice qui nous protège desrayons ultraviolets nocifs. Les produits chimiques d’origine humaine sont connus pour détruire ce bénéfique ozone. De nos jours, le bon ozone est généré avec des générateurs d’ozone .Bien que l’ozone soit un composé puissant, son cycle de vie est très court. Lorsque celui-ci entre en contact avec desbactéries, virus ou odeurs, ceux-ci sont oxydés par un des 3 atomes d’oxygène qu’il possède. Pas de dérivés dangereux, contrairement au chlore La courte durée de vie le retour à l’oxygène ne laisse pas de résidu. Pas de stockage de produits dangereux Oxydation très complète Se décompose ou s’enlève facilement Efficace contre toute substance organique – la bactérie, les virus, les mycètes, les spores, le protozoaire, les pathogènes fongiques, les ferments, les kystes, les algues [20].
 Inconvénients Dans la basse atmosphère terrestre, près du niveau du sol, l’ozone se forme lorsque les polluants émis par les voitures, des centrales électriques, des chaudières industrielles, des raffineries, des usines chimiques et d’autres sources réagissent chimiquement en présence de la lumière solaire. L’ozone au niveau du sol est un polluant atmosphérique nocif.

Domaine agro-alimentaire

   L’Ozone est utilisé de plus en plus dans les domaines agro-alimentaires notamment lavage des fruits et productions de glace ozoné [24].
Lavage de légumes, fruits, poissons et des œufs et les produits alimentaires. Stériliser l’extérieur des fruits et des légumes avec de l’eau ozonisée peut éliminer les engrais et les bactéries extérieurs et  d’autres pathogènes et prolonger la durée de conservation de 3 à 10 fois. Des scientifiques recommandent aussi de nettoyer la surface de la viande, du poisson et crevettes avec de l’eau ozonisée, pour décomposer les restes d’antibiotiques et d’hormones,pour se débarrasser des bactéries et des vers. Ce processus rend la viande sûre et fraîche. Rincer et cuire du riz avec de l’eau ozonisée peut lui enlever l’odeur de moisi et rendre le riz beaucoup plus savoureux [25].
Production de glace ozonée employée pour la conservation d’aliments La conservation de la pêche par exemple avec la glace ozonée et la réfrigération basée sur la technologie de la glace liquide et de son action avec l´ozone évalue la qualitébiochimique, physicochimique, sensorielle et microbiologique des sardines conservées dans la glace liquide ozonisée, dans le but d´allonger la vie utile et augmenter le rendement de la pêche.Cette technique augmente la vie utile des sardines de 15 jours pour celles traitées avec de la glace liquide ozonisée [23].

Générateur d’ozone à décharge à barrière diélectrique

  L’utilisation d’une décharge à barrière diélectrique pour la production d’ozone a été considérée et étudiée durant ces dernières années, en se basant sur l’influence de paramètres électriques sur la production d’ozone et la puissance consommée, cependant, peu d’études ont examiné l’influence de la forme du signal de la tension appliquée au  générateur d’ozone en cherchant la forme adéquate pour que la production d’ozone soit maximale et la puissance consommée soit minimale.
Présentation du générateur d’ozone à DBD volumique développé Le générateur d’ozone utilisé dans cette étude, est un réacteur à décharge à barrière diélectrique de la forme cylindrique dont l’électrode haute tension interne est une bande adhésif en aluminium insérée et collée à l’intérieur d’un tube en verre ; celui-ci, agissant comme une barrière diélectrique d’une épaisseur de 2,5 mm, a un diamètre extérieur de 50 mm. L’électrode cylindrique reliée à la terre est un tube en acier inoxydable de 250 mm delongueur et une électrode en grille métallique L= 50 mm collée au tube en acier carl’amplificateur de puissance (TREK) est conçu pour fonctionner avec une capacité plus faible.
Matériels et méthodes Le but de cette partie est de mieux examiner l’influence de la forme des signaux de la tension appliquée au réacteur à DBD sur la concentration d’ozone et l’efficacité énergétique. Les signaux utilisés sont : sinusoïdal, triangulaire et rectangulaire. Le matériel utilisé dans cette étude est présenté comme suivant :
Amplificateur de puissance:  TREK (30/20A) : est l’élément principal de l’alimentation électrique. Les caractéristiques de l’amplificateur de puissance sont les suivantes :
Tension de sortie : 0 à ± 30 kV CC ou CA crête
Courant de sortie : 0 à ± 20 mA DC ou AC crête
Rapport de multiplication : 3000 V
Générateur de fonctions : Générateur de fonctions DDS de haute performance de type Aim-TTi TG2511 qui comprend des fonctionnalités complètes de générateur d’impulsions et de générateur arbitraire de 25 MHz Concentrateur d’oxygène: Le Nuvo lite est un concentrateur d‘oxygène compact et léger qui utilise la technologie PSA pour approvisionner en oxygène. Le Nuvo lite possède un capteur d‘oxygène pour contrôler le niveau d‘oxygène et une alarme d‘absence de débit pour alerter le patient du non fonctionnement de l‘appareil.
Analyseur ozone O3 portable :C’est un analyseur portable permet une mesure précise et fiable de la concentration d’ozone dans l’air ambiant sur une large gamme de quelques ppb jusqu’à 100.000 ppb (0-100 ppm). Il est basé sur la technique reconnue d’absorption à une longueur d’onde 254 nm.
Pico Scope Le Pico Scope 3204B permet de mesurer et visualiser des signaux qui peuvent produire jusqu’à 60 Mhz pour compensation oscilloscope sondes, et examine rapidement la bande passante de filtres et amplificateurs.
Capteur de courant: C’est un Capteur à boucle ouverte du fait de leur bande passante limitée à 25kHz (Les capteurs à boucle ouverte exploitent l’effet Hall) (Pearson electronic). Il sert à mesurer et visualiser le courant.

Description du dispositif expérimental

  L’alimentation électrique utilisée comprend deux éléments principaux, un amplificateur de puissance (TREK 30/20A) et un générateur de signaux électrique (Toellenertoe 7301) qui délivre des signaux alternatifs avec une gamme de fréquence réglable de 0 à 5.5 kHz, pour alimenter le générateur d’ozone. Le générateur d’ozone a été alimenté par un concentrateur d’oxygène (NIDEK médicalNuvo Lite Mark), avec un débit constant de 1 l/min. La tension V délivrée par l’amplificateur de puissance appliquée au générateur d’ozone estmesurée à l’aide d’un PICOSCOPE numérique, tandis que le courant I a été mesuré en utilisant un capteur du courant à effet hall (Pearson electronic). Les signaux (courant et tension) sont stockés et transférées à un ordinateur pour calculer la puissance consommée dans le réacteur, en calculant la valeur moyenne du produit V * I sur 1,5 million points de mesure enregistrés. La concentration d’ozone produit par le réacteur est mesurée à l’aide du moniteur d’ozone (Ozone-solution-106H).

Modélisation expérimentale du procédé de génération d’ozone

   L’objective principal de ces études est de trouver les valeurs optimales électriques de la décharge à barrière diélectrique volumique qui donnent un taux de génération d’ozone maximal avec une puissance consommée minimale et cela pour différents signaux d’alimentation. Il n’est pas simple de réaliser de telle relation entre la réponse et les facteursconsidérés et surtout, si on sait qu’il existe bel et bien interactions entre ces derniers. A partirde ces considérations, la méthodologie des plans d’expériences s’est avérée être très adaptée pour les études expérimentales car elle sert à optimiser l’organisation des essais. Cette organisation nous a permet non seulement d’obtenir le maximum de renseignements mais aussi d’arriver à une meilleure précision possible sur la modélisation des résultats et par la suite l’optimisation de l’efficacité de generateur d’ozone. Nous présenterons les principes de base de la modélisation expérimentale avec le logiciel MODDE 5. 0 [46] que nous avons utilisé pour modéliser l’efficacité du procédé. Ce programme nous a permis d’effectuer les taches suivantes :
 Calcul des effets et les interactions entre les facteurs
 Analyses statistiques des modèles :
 Test de signification des coefficients
 Analyses statistique du modèle
 Qualité du modèle
Le logiciel MODDE n’a été utilisé que pour tracer les graphiques et courbes et donc vérifier nos calculs.

Etude de l’influence de paramètres électriques sur les caractéristiques de DBD

   La tension V délivrée par l’amplificateur de puissance appliquée au générateur d’ozone et le courant I ont étés mesurées à l’aide d’un oscilloscope numérique (GWINSTEK GDS3153). Pour que le générateur d’ozone soit compatible avec la source haute tension et dont le but d’éviter la déformation des signaux. Le générateur d’ozone utilisé dans cette étude, est un réacteur à décharge à barrière diélectrique de  la forme cylindrique dont l’électrode haute tension interne est une bande en adhésif aluminium insérée et collée à l’intérieur d’un tube en verre ; celui-ci, agissant comme une barrière diélectrique d’une épaisseur de 2,5 mm, a un diamètre extérieur de 50 mm. On provoque des différentes allures de courant selon l’application de divers types de signaux de tension sur le generateur d’ozone. On peut voir que le courant est formé d’impulsions très brèves. En effet à chaque étincelle, celle-ci est stoppée par la barrière diélectrique et une nouvelle étincelle se produit. Pour cette raison le courant de la DBD est impulsionnel.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Généralité sur la décharge à barrière diélectrique(DBD)
I.1 Introduction
I.2 Aspect historique
I.3 Définition d’une décharge électrique
I.4 Type des décharges
I.4.1 Décharges pointe-pointe
I.4.2 Décharges pointe-plan
1.4.3 Décharges plan-plan
I.5 Décharges électriques dans les gaz
I.5.1 Généralités sur les plasmas
I.5.2 Paramètres physiques des plasmas
I.5.3 Méthodes pour qu’un gaz se transforme en plasma
I.6 Décharges à barrières diélectriques
I.6.1 Définitions
I.6.2 Principe de fonctionnement d’une DBD
I.6.3 Classification typiques de DBD
I.6.3.1 Décharge à barrière diélectrique surfacique
I.6.3.2 Décharge à barrière diélectrique volumique
I.7 Alimentation électriques pour les DBD
I.7.1 Source de tension sinusoïdale
I.7.2 Alimentation impulsionnelles
I.8 Caractérisation électrique de la DBD
I.8.1 Etude de courant
I.8.2 Etude de la tension
I.8.3 Etude de la fréquence
I.9 Applications des DBDs
I.9.1 Production d’Ozone
I.9.2 Traitement des gaz
I.9.3 Traitement de surfaces
I.9.4 Eclairage et Lampe à DBD
I.10 Conclusion
Chapitre II : Ozone et générateur d’ozone à décharge à barrière diélectrique
II.1 Introduction
II.2 L’ozone et ses applications
II.2.1 Avantages et inconvénients de l’ozone
II.2.2 Efficacité de l’ozone
II.2.3 Production d’ozone
II.2.3.1 Production naturelle
II.2. 3.2 Production artificiellement
II.2.4 Applications de l’ozone
II.2.4.1. Traitement des eaux
II.2.4.1.1. Motifs et principe
II.2.4.2 Désinfection des eaux
II.2.4.2.1 Eau potable
II.2.4.2.2 Eaux usées
II.2.4.3 Domaine agro-alimentaire 6
II.2.4.3.1 Lavage de légumes, fruits, poissons et des œufs et les produits alimentaires
II.2.4.3.2 Production de glace ozonée employée pour la conservation d’aliments
II.2.4.4. Domaine industriels
II.2.4.4.1 Blanchisseries industrielles
II.2.4.5 Traitement de l’air par l’ozone
II.3 Générateur d’ozone à décharge à barrière diélectrique
II.3.1 Présentation du générateur d’ozone à DBD volumique développé
II.3.2. Matériels et méthodes
II.3.3 Description du dispositif expérimental
II.4 Conclusion
Chapitre III : Modélisation et optimisation expérimentale du générateur d’ozone à DBD
III.1 Introduction
III.2 Modélisation expérimentale du procédé de génération d’ozone
III.2.1 Rappels sur la méthode des plans d’expériences
III.2.1.1 Concepts fondamentaux : réponses, facteurs effets, interactions
III.2.1.2 Détermination de la réponse et des facteurs d’étude
III.2.1.3 Choix d’un modèle
III.2.2 Plans d’expériences appliqués à la DBD pour génération d’ozone
III.2.2.1 Détermination des facteurs contrôlables
III.2.2.2 Etude de l’influence de paramètres électriques sur les caractéristiques de DBD
III.2.2.2.1 L’influence de la tension et de la fréquence sur la concentration d’ozone
III.2.2.2.2 L’influence du débit d’oxygène sur la concentration d’ozone
III.2.3 Modélisation et optimisation
III.3 Conclusion
Conclusion générale
Références
Annexe

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