Décontamination par rayonnement d’arc électrique

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE

POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO

MENTION : GENIE ELECTRIQUE

PARCOURS : RESEAUX D’ENERGIE ET ENERGIE RENOUVELABLE

Mémoire en vue de l’obtention du Diplôme d’Ingéniorat en Génie électrique

Présenté par Mademoiselle RAFALIMANANA Sonia Jeanne

Directeur de mémoire : Docteur RAMAROZATOVO A. Vonjy, Maitre de conférence

Enseignant chercheur à l’ESPA

Promotion : 2018

CONTRIBUTION A L’ETUDE DE LA

DECONTAMINATION D’EAU PAR

RAYONNEMENT D’ARC ELECTRIQUE

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE

POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO

MENTION : GENIE ELECTRIQUE

PARCOURS : RESEAUX D’ENERGIE ET ENERGIE RENOUVELABLE

Mémoire en vue de l’obtention du Diplôme d’Ingéniorat en Génie électrique

Présenté par Mademoiselle RAFALIMANANA Sonia Jeanne

Présidé par : Docteur RAKOTONIAINA Solofo Hery, Maitre de conférences

Directeur de mémoire : Docteur RAMAROZATOVO Vonjy, Maitre de conférences

Membre de jury :

Docteur RANDRINARIVAO Dannet, Maitre de conférences

Docteur RABENJARIVELO Patrice, Maitre de conférences

Monsieur ANDRIAMAHATANA Tanjona Landry, Directeur technique adjoint de la

société GUILMANN

Soutenu le 25 Septembre 2020 à l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo

Promotion : 2018

CONTRIBUTION A L’ETUDE DE LA

DECONTAMINATION D’EAU PAR

RAYONNEMENT D’ARC ELECTRIQUE

i

REMERCIEMENTS

Ce travail représente l'aboutissement de mes études d'Ingénieur en Génie Electrique. Il

est à la fois le fruit d'une démarche personnelle et d'une collaboration fructueuse avec d'autres

collaborateurs.

Ainsi, il est de mon devoir de citer quelques remerciements.

Tout d’abord je voudrai remercier Le DIEU TOUT PUISSANT pour tous les bienfaits,

la miséricorde, la santé, le soutien et la protection qu’Il m’a soumis tout au long de mes études

et pendant la préparation et la réalisation de ce mémoire.

Ma profonde gratitude s’adresse aussi aux personnes suivantes :

Monsieur RAKOTOSAONA Rijalalaina, Professeur et Directeur de l’ESPA grâce à qui

j'ai pu mener à terme mes études au sein cette école ;

Docteur RAKOTONIAINA Solofo Hery, qui nous fait l’honneur de présider le jury de

soutenance de ce mémoire.

Docteur RANDRINARIVAO Dannet ainsi que Docteur RABENJARIVELO Patrice qui

ont consenti à être parmi le Jury pour examiner notre travail.

Mais aussi à Monsieur ANDRIAMAHATANA Tanjona Landry, Directeur technique

adjoint de la société GUILMANN, qui daigne être membre du jury

Mes vifs remerciements à Monsieur RAMAROZATOVO A. Vonjy, Docteur et Maître

de Conférences mais aussi chef de la mention génie électrique, qui, malgré la

responsabilité qui l’incombe, a accepté de m’encadrer.

Je remercie également Monsieur RAKOTOARIVELONANAHARY Bruno, chef de

service contrôle qualité Physico-chimique Eau de la JIRAMA, qui m’a accueilli au sein

de leur laboratoire d’analyse pour mon stage chez la JIRAMA

Enfin et non le moindre, j’adresse mes sincères remerciements à toute ma famille, à mes amis

et à mes proches qui m’ont soutenu tout au long de mon parcours.

Je suis particulièrement redevable envers tous ceux qui m’ont prêté main forte, de près ou de

loin, pour l’aboutissement ce travail.

Je ne saurai vous témoigner suffisamment ma gratitude, mais que la grâce de Dieu vous illumine

davantage.

ii

TABLES DES MATIERES

REMERCIEMENTS ................................................................................................................. i

TABLE DES FIGURES .......................................................................................................... iv

LISTE DES PHOTOS .............................................................................................................. v

LISTE DES TABLEAUX ........................................................................................................ v

LISTE DES ABREVIATIONS .............................................................................................. vi

LISTE DES SYMBOLES ....................................................................................................... vi

INTRODUCTION ...................................................................................................................... 1

Chapitre 1. .................................................................................................................................. 3

ETAT DE L’ART DE LA DECONTAMINATION .................................................................. 3

I. Décontamination de l’eau ................................................................................................ 4

I.1. Type de décontamination vulgarisé ......................................................................... 4

I.2. Avantages et inconvénients des différents types de désinfection .......................... 13

II. Traitement de l’eau à Madagascar ............................................................................. 14

II.1. Analyse physico-chimique ..................................................................................... 14

II.2. Analyse microbiologique ....................................................................................... 15

II.3. Mode de désinfection ............................................................................................. 16

III. Les applications de l’arc électrique dans la décontamination ................................... 17

III.1. Décontamination par électroporation [4] ........................................................... 17

III.2. Décontamination par onde de choc [16]............................................................. 18

III.3. Désinfection par décharge électrique accompagnée de bulle de gaz [4] ........... 19

Chapitre 2. ................................................................................................................................ 20

GENERALITE SUR L’ARC ELECTRIQUE ET LE PLASMA ............................................. 20

I. L’arc électrique ............................................................................................................. 21

I.1. Amorçage de l’arc électrique ................................................................................. 22

I.2. Phénomène aux électrodes ..................................................................................... 25

I.3. L’arc électrique dans l’eau ..................................................................................... 28

II. Le plasma d’arc ......................................................................................................... 31

II.1. Formation du plasma .............................................................................................. 31

II.2. Classification des plasmas ..................................................................................... 33

II.3. Les lois de l’équilibre dans un milieu plasma ........................................................ 33

II.4. Population d’un plasma .......................................................................................... 35

III. Rayonnement d’un arc ............................................................................................... 37

iii

III.1. Source des rayonnements ................................................................................... 37

III.2. Emission des rayonnements ............................................................................... 40

III.3. Transfert thermique de l’arc ............................................................................... 42

Chapitre 3. ................................................................................................................................ 44

ETUDES EXPERIMENTALES ET RESULTATS ................................................................. 44

I. Dispositifs expérimentales ............................................................................................ 45

I.1. Mécanisme du support physique ............................................................................ 45

I.2. Génération de l’arc électrique ................................................................................ 48

I.3. Mesure électrique ................................................................................................... 51

II. Démarche opératoire .................................................................................................. 52

II.1. Choix du mode de génération d’arc ....................................................................... 52

II.2. Expérimentation de différente alimentation ........................................................... 54

II.3. Dispositif pour l’application aux désinfections ..................................................... 57

II.4. Méthode utilisée pour tester la désinfection de l’eau ............................................. 57

III. Résultats et discussion ............................................................................................... 58

III.1. Résultats des essais selon la dimension des électrodes et la longueur de l’arc .. 59

III.2. Résultats des essais selon le type d’électrodes ................................................... 65

III.3. Résultats des essais selon la durée d’enclenchement ......................................... 66

III.4. Estimation de l’émissivité par méthode inverse ................................................. 68

III.5. Résultats de l’analyse microbienne .................................................................... 73

IV. Interprétation ............................................................................................................. 73

CONCLUSION ........................................................................................................................ 76

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUE ET WEBOGRAPHIQUE .......................................... 77

ANNEXES .................................................................................................................................. I

Annexe A ................................................................................................................................. I

Annexe B ............................................................................................................................... II

iv

TABLE DES FIGURES

Figure 1: Tailles de particules et types de filtrations correspondants. [6] .................................. 8

Figure 2 : Effet de l'UV sur l'ADN ............................................................................................. 9

Figure 3: Principe de l'électroporation [3]................................................................................ 18

Figure 4 : Principe du circulation de courant dans un arc électrique ....................................... 21

Figure 5: Caractéristique courant-tension des décharges électriques ....................................... 22

Figure 6 : Courbe de Paschen dans l’air à 20deg C ................................................................. 24

Figure 7: Illustration de l’élévation de densité de courant dans la petite surface de contacte [4]

.................................................................................................................................................. 25

Figure 8: Illustration du choc inélastique entre un électron et une molécule [4] ..................... 32

Figure 9 : Composition d'équilibre pour un plasma d'air pur [4] ............................................. 35

Figure 10: Illustration du phénomène de désexcitation spontanée........................................... 38

Figure 11: Illustration du phénomène désexcitation stimulée .................................................. 39

Figure 12: Coefficient d'émission nette total pour un plasma Air-Cu [4] ................................ 40

Figure 13: Illustration du phénomène d'excitation par absorption de photon .......................... 42

Figure 14 : Constitution d’un moteur unipolaire ...................................................................... 47

Figure 15 : Câblage entre L293D et Arduino UNO ................................................................. 48

Figure 16 : Principe d'un Fly Back ........................................................................................... 49

Figure 17 : Circuit d'un oscillateur ZVS pour commander un Flyback ................................... 50

Figure 18 : Comparaison entre impulsion PWM et celle d'un ZVS [30] ................................. 51

Figure 19: Fluke Ti450 ............................................................................................................. 52

Figure 20 : Schéma de principe de génération d'arc via un transformateur 220V -2000V ...... 53

Figure 21: Principe de la production de puissance pulsée [4] .................................................. 53

Figure 22 : Schéma de principe de la génération d'arc par décharge de condensateur ............ 53

Figure 23: Montage du ZVS de l'expérimentation ................................................................... 54

Figure 24 : Vue d'ensemble du montage .................................................................................. 56

Figure 25 : Disposition du récipient d’eau à désinfecter .......................................................... 57

Figure 26 : Image sous IR de l'arc entre tige de cuivre 1.5mm2 et 2.5mm2 sur différents écarte

.................................................................................................................................................. 60

Figure 27 : Image sous IR de l'arc entre tige de cuivre 1.5mm2 et 4mm2 sur différents écart 62

Figure 28 : Image sous IR de l'arc entre tige de cuivre 2.5mm2 et 4mm2 sur différents écart

.................................................................................................................................................. 63

Figure 29 : Image sous IR de l'arc entre deux tiges de cuivre 4mm2 sur différents écart ...... 64

Figure 30 : Image sous IR de l'arc entre deux tiges de Cu 2.5 et deux tiges d’Al 2. 5 ............ 65

Figure 31 : Image sous IR de l'arc entre des tiges Cu 2.5 – Cu 4 et Al 2.5 – Cu 4 .................. 65

Figure 32 : Evolution de la densité électronique selon le durée de l'éclatement ...................... 66

Figure 33 : Evolution de l'émissivité selon le durée de l'éclatement ........................................ 67

Figure 34 : Température moyenne de diffèrent couplage d'électrode ...................................... 68

Figure 35: Discrétisation du radiation thermique de l'arc entre Cu2.5 et Cu4 ......................... 69

Figure 36 : Densité de particule excité estimé pour l'arc de Cu2.5mm2 – Cu4mm2 ............... 70

Figure 37: Densité électronique estimé pour l'arc de Cu2.5mm2 – Cu4mm2 ......................... 71

Figure 38: Emissivité estimé pour l'arc de Cu2.5mm2 – Cu4mm2 ......................................... 71

Figure 39 : Allure du répartition de champ électrique selon l'éloignement de l'arc ................. 72

v

LISTE DES PHOTOS

Photo 1: A gauche l’ozonisation et à droite l’ozoneur chez Lyonnaise des eaux [7]................. 8

Photo 2: Réacteur à lampe UV [6] .......................................................................................... 10

Photo 3: Décharge du corona [21] ............................................................................................ 28

Photo 4: Images prises par caméra rapide de l’évolution d’une phase gazeuse contenant l’arc

électrique de 0 ms à 19 ms pour une énergie délivrée de 3.6 kJ environ sur 11.5 ms

(K = cathode, A = anode) et d’une distance inter-électrode d = 3 mm [3] .............................. 29

Photo 5 : Support du dispositif (unité en cm) ........................................................................... 46

Photo 6 : Eléments de la carte arduino ..................................................................................... 47

Photo 7: Transformateur THT ................................................................................................. 48

Photo 8 : Enroulement primaire [29] ........................................................................................ 49

Photo 9 : Pince Ampérométrique ............................................................................................. 51

Photo 10 : Arc électrique obtenue avec l’alimentation 144W.................................................. 55

Photo 11: Arc électrique obtenue avec phénomène de résonnance.......................................... 55

Photo 12: Méthode d’analyse par filtration membranaire ........................................................ 58

Photo 13: (a) Image réel de l’arc électrique entre deux tiges de cuivre 1.5mm2 de diamètre et

(b) Etat de l’anode après éclatement de l’arc ........................................................................... 59

LISTE DES TABLEAUX

Tableau I : Efficacités du SODIS sur quelque micro-organisme pathogène [9] ........................ 6

Tableau II: Performance de la désinfection par filtration membranaire .................................... 9

Tableau III: Dose de UV, relatif à celle de l’Escherichia coli, a appliquer pour la destruction

du micro-organisme [6] ............................................................................................................ 12

Tableau IV: Consommation de l'arc entre deux tiges cuivre 1.5mm2 de diamètre ................. 59

Tableau V: Consommation électrique et rayonnement moyenne de l'arc entre deux tiges

cuivre 1.5mm2 et 2.5mm2 de diamètre .................................................................................... 60

Tableau VI: Consommation de l'arc entre deux tiges cuivre 1.5mm2 et 4mm2 de diamètre .. 62

Tableau VII: consommation de l'arc entre deux tiges cuivre 2.5mm2 et 4mm2 de diamètre .. 63

Tableau VIII: Consommation de l'arc entre deux tiges cuivre 4mm2 de diamètre .................. 65

Tableau IX : Comparaison de l’arc de Cu 2.5 - Cu 2.5 et celle de Al 2.5 – Al 2.5 .................. 66

Tableau X: Mesure paramétrique de l’expérimentation d'arc selon le temps .......................... 67

Tableau XI : Estimation selon l'écartement vis à vis de l'arc ................................................... 70

Tableau XII : Discrétisation du champ électrique induit dans le milieu .................................. 72

Tableau XIII : Résultats de l'analyse physique de l'eau avant et après traitement ................... 73

vi

LISTE DES ABREVIATIONS

JIRAMA JIro sy RAno Malagasy

OMS Organisation Mondial de la Sante

ASR anaérobie sulfito réducteur

TA Titre alcalimetrique

TAC Titre alcalimetrique total

THMg Titre hydrométrique

THCa Titre hydrométrique calcique

NFU Néphélométrique Formazine Unité ou Formazine Nephelometric Unit (FNU)

ZVS

PWM

THT

Zero Volt Switching

Pulse Width Modulation (ou modulation de largeur d'impulsions)

Transformateur haute tension

E.Coli Escherichia Coli

EAWAG Institut fédéral Suisse pour l’aménagement, l’épuration et la protection des eaux

SANDEC Département eau et assainissement des pays en développement

LISTE DES SYMBOLES

Longueur d’onde

Degré d’ionisation

1er coefficient de Townsend

En Energie de l’orbite « n »

Ei Energie d’ionisation

Ec Energie cinétique

Ep Energie de photon

Eh Energie de l’orbite au niveau haut

Eb Energie de l’orbite au niveau bas

h Constant de Planck (6.62607E-34 J.K)

k Constante de Boltzman (1.38E-23 J.s)

ν Fréquence

uS Micro Siemens

ppm Partie par million

Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.

1

INTRODUCTION

Pour l’humanité, l’eau c’est la vie. L’eau est une matière liquide qui est nécessaire dans notre

vie quotidienne que cela soit pour la nutrition, pour des usages physiques ou pour des cultures

et des élevages. Néanmoins elle est facilement contaminée par divers corps étrangers que ce

soit des substances chimique, minéral ou organique. A une certaine quantité, quelques-uns de

ses contaminants sont utiles à l’Homme tel les sels minéraux (calcium, magnésium, etc.) et les

oligo-éléments (fer, zinc, etc.) [1]. Cependant beaucoup ne le sont pas, à l’instar des germes

pathogènes et des métaux lourds [1]. Il est alors capitale de traiter l’eau que nous consommons.

Le traitement d’eau existe sous différentes formes dans le monde entier. Il a pour but de

décontaminer l’eau afin d’éliminer ou de réduire un ou des composants déterminés. Le

traitement des eaux brutes est généralement réalisé pour la consommation et l’usage

domestique. Concernant celle des eaux usées, il est souvent réalisé dans le but de la protection

de l’environnement.

Parmi les traitements existants, deux méthodes nous ont attirés : celle par arc électrique et celle

utilisée par le projet SODIS ou « Solar disinfection ». Leurs principes sont respectivement de

générer un arc électrique dans l’eau et d’exposer des bouteilles d’eau au soleil durant quelques

heures pour tirer avantage du rayonnement solaire.

L’arc électrique, c’est du courant électrique visible à l’œil nu. Il est éclaté entre des électrodes

où s’effectue un transport d’énergie. On l’exploite entre autre pour des décontamination d’eau

usée. Selon la société Effitech, l’arc électrique pulsé dans l’eau peut pré-conditionner des

déchets solides [2]. « Advanced Oxidation technology » ou AOT a démontré que l’émission

d’ultraviolet par une décharge électrique dans l’eau permettait la réduction de micro-organisme

[3]. Des études menées par des ingénieurs ont révélés qu’on peut éliminer des éléments cibles

tel le bleu de méthylène, l’atrazine, la levure, l’Escherichia Coli, etc. via différente

caractéristique et type de génération d’arc dans l’eau [4] [5].

L’arc électrique est utilisé en tant que procédé de décontamination d’eau. Toutefois, on doit le

mettre en contact avec l’eau à traiter. Sur ce, en s’inspirant du projet SODIS, une

décontamination d’eau via le rayonnement d’un arc serait-il envisageable ?


2

Cela nous a incité à effectuer une étude expérimentale concernant la « décontamination d’eau

de consommation par rayonnement d’arc électrique ». Il a pour objectif d’éliminer

l’Escherichia Coli afin d’améliorer la qualité bactériologique de l’eau et diminuer ainsi le

risque sanitaire dans sa consommation sans contaminant dérivé.

Pour y parvenir trois chapitre sont abordées dans cette ouvrage. Tout d’abord le premier

chapitre reflétant l’état de l’art de la décontamination d’eau. Nous y verrons les différents

procédés de décontamination déjà existants, ceux employés à Madagascar ainsi que ceux qui

sont relatifs aux arcs électriques.

Puis le second chapitre qui concerne la généralité sur l’arc électrique. Nous y verrons ce qu’est

l’arc électrique et le plasma qui l’entoure ainsi que le transfert radiatif qui s’y produit.

Apes cela, le troisième chapitre qui présente les études expérimentales et résultats obtenu. Nous

y verrons en détail le dispositif expérimental utilisé, les méthodes de diagnostic ainsi que les

résultats et interprétations apportés.

Finalement, nous terminerons avec une conclusion générale et des prospectives.


3

Chapitre 1.

ETAT DE L’ART DE LA

DECONTAMINATION


4

I. Décontamination de l’eau

La décontamination c’est le fait d’éliminer un ou des contaminant indésirables. Dans notre

étude, on se focalise plus précisément au désinfection des matières organiques pathogène telles

les bactéries, les microbes et les spores.

Avant cette opération, une vérification de la clarté de l’eau est primordiale. Cette clarification

est établie par coagulation, floculation, décantation et filtrage. « Depuis 1994, l’OMS

(Organisation Mondial de la Sante) considère qu’il n’est pas possible de garantir la désinfection

d’une eau des lors que sa turbidité dépasse 1NFU » [6]

En outre, des autres paramètres peuvent influencer la qualité d’un traitement : la température,

le pH, la turbidité, sa demande en oxydant, la concentration en oxydant actif (résiduel), et le

temps réel de contact durant la décontamination. [7]

I.1. Type de décontamination vulgarisé

Il existe deux grandes familles de mode de décontamination d’eau : ceux par procède chimique

(chloration ou ozonation) et ceux par procède physique (filtration, UV).

I.1.1. La désinfection solaire de l’eau (SODIS) [8]

La désinfection solaire est un procédé initié par Aftim Acra en 1984, expérimenté par

l’EAWAG/SANDEC en 1991 et diffusé mondialement depuis 1999. Il est divulgué sous le

nom de SODIS et est réalisé afin de promouvoir cette méthode dans des régions où de l’eau

potable n’est pas disponible. Il a pour principe d’exposée au soleil une bouteille d’eau pour

annihiler des organismes pathogènes causant la diarrhée.

I.1.1.1. Le rayonnement Solaire

Le rayonnement solaire est constitué par : le rayonnement ultraviolet (UV), la lumière visible

et l’infrarouge.

Le rayonnement UV est caractérisé par des longueurs d'onde comprises entre 100 nm

et 400 nm. Elle se divise en UV-A, en UV-B et en UV-C, (entre 320nm et 400nm). Les deux

première sont absorbés dans l’atmosphère et seul l’UV- C qui est la plus élevée dans le spectre

atteint la surface de la terre. A contact de l’eau, il interagit avec le métabolisme des micro-

organismes mais aussi avec l’oxygène dissout dans l’eau et forme des molécules réactives

(radicaux libres et peroxydes d’hydrogène). De ces faits, des interférences avec des structures

cellulaires détruisant les pathogènes apparaissent. Le rayon UV-A possède donc un effet

germicide.


5

La lumière visible de longueur d’onde entre 400nm et 700nm forme la lumière blanche

L’infrarouge est le responsable de la sensation de chaleur. Il est caractérisé par la

lumière de longueur d’onde entre 700nm à 500um. Selon le temps d’exposition au soleil, il

peut augmenter la température de l’eau et produire un effet connu sous le nom de pasteurisation

lorsque cette dernière atteint 70 à 75°C.

I.1.1.2. Méthode de désinfection Solaire

Le procédé consiste à étaler des bouteille d’eau sur une tôle ondulée, de l’aluminium ou une

surface réfléchissante exposée au soleil. La profondeur de l’eau ne doit pas excédée 10 cm, de

turbidité inferieur à 26NFU et le récipient doit être transparente pour que la désinfection soit

efficace. C’est pourquoi, on doit avoir une eau claire et entreposer le récipient horizontalement.

Une bouteille en PTE est plus recommandée mais l’eau peut aussi être mis dans une bouteille

de verre.

Photo 1 : Principe du méthode SODIS

Au-delà d’une température 45°C, la combinaison du radiation UV et de la production de

chaleur produit un effet synergique augmentant l’efficacité du processus de désinfection de

l’eau.

En effet, à 30°C, il faut de 555 Wh/m2 (dose de rayonnement solaire correspondant à environ

6 heures de soleil d’été à une latitude moyenne) pour réduire 3log de coliforme fécaux. Dans

ces conditions, seul l’effet du rayonnement UV-A est présent. Alors qu’à une température d’eau

de 50°C, pour ces mêmes taux de mortalité, seulement 140 Wh/m2 est nécessaire (équivaut à

un temps d’exposition d’une heure de soleil). [9]

Le temps d’exposition est en général égal à 6 heures de soleil mais cela dépend de la condition

météorologique. De plus, la chaleur tolérée par chaque micro-organisme diffère donc la durée

de la désinfection est changeante selon le cible (tableau I).


6

D’après le tableau I, on constate que l’eau n’a pas besoin d’atteindre le point d’ébullition pour

que 99,9% des microorganismes soient détruits. Une eau qui a atteint 50-60°C pendant une

heure de rayonnement aura le même effet.

Tableau I : Efficacités du SODIS sur quelque micro-organisme pathogène [9]

Eléments

pathogènes

Maladie

engendré

Réduction par

SODIS en 6 heures

d’exposition a

40°C

Température et temps

d’exposition pour 100 %

destruction

1min 6min 60min

BACTERIE

Escherichia coli* Entérite 3 - 4 log 80°C

Vibrio cholera Cholera 3 - 4 log 45°C

Salmonella Typhus 3 - 4 log 62°C 58°C

Sighella Dysenterie 3 - 4 log 61°C 54°C

VIRUS

Rotavirus Gastroentérite 3 - 4 log 63°C pour 30 min

PROTOZOAIRE

Giardia lambia Giardiase 3 - 4 log 57°C 54°C 50°C

*E.Coli : représentant les coliformes fécaux ou coliformes thermorésistants. Indicateur de

qualité d’eau

I.1.2. La désinfection par chloration

Le chlore (Cl) possède un pouvoir microbicide qui s’explique par la destruction des diastases

indispensables à la vie des germes microbiens. Il est aussi doté d’un pouvoir oxydant important

qui est favorable à la destruction des matières organiques. La quantité de micro-organisme et

de chlore s’annule entre eux au fil de la réaction donc si on détecte encore du chlore c’est qu’il

n’y a plus de contaminant ciblée. [10]

Le procède de désinfection se fait en deux temps : l’injection de chlore actif ou acide

hypochloreux (HOCl) et l’injection de chlore libre (ClO−) qui se fait après break point pour un

effet rémanent de la désinfection.

Le réactif peut se présenter sous différente forme [11] :

Chlore gazeux Cl2 : qui est un gaz liquéfié injecté dans l’eau directement ou sous forme

d'eau de chlore en barbotage.

Hypochlorite de calcium Ca(ClO)2 : qui est un poudre blanche tachetée fabriquée à

partir du chlore gazeux et de la chaux. Il est introduit à partir d'une solution préparée

dans un bac de réactif (concentration en chlore actif à 5 à 10 mg/l).


7

Hypochlorite de sodium NaClO : qui est un liquide jaune concentré fabriqué à partir du

chlore gazeux et de la soude commercialisée sous le nom de « Eau de Javel » et

introduite dans l'eau sous forme diluée de 5 à 10 mg/l de chlore.

Le dioxyde de chlore ClO2 : qui est un gaz toxique piquant fabriqué à partir du chlore

gazeux et de l’hypochlorite de sodium. Il est principalement utilisé que pour la première

injection. Le dioxyde de chlore est recommandé pour des eaux hypermétropes et pour

prévenir la formation de chlorophénols

Ces trois réactifs peuvent générer de l'acide hypochloreux (HOCI) dans l’eau, selon la valeur

du pH. Le taux de chlore à utiliser dans le procède est à déterminer via la demande en chlore

de l’eau à traiter. Une jar test est à réaliser en se basant sur la formule Q × t = C × d.

Avec Q la quantité d’eau à traiter [m3/h] ; t le taux de chlore à injecter [g/m3] ; C la

concentration de la solution de chlore utilisé [g/l] ; et d la quantité de soluté a versé [l/h]

On introduit dans l’eau une dose de chlore légèrement supérieure au « test » si la température

est inférieure à 10°C et légèrement inférieur au « test » si la température est supérieure à 15°C.

Pour une bonne désinfection, il faut que l’eau possède un pH entre 6 à 8 et que le taux de chlore

libre soit encore supérieur à 0.5mg/l après 30 minute de temps à compter de la pré-oxydation.

Il est à noter que les mono-chloramine, le di-chloramine ou le tri-chloramine sont des dérivées

dangereuses pour la consommation mais seront détruits si on le dope suffisamment avec du

chlore.

I.1.3. La désinfection par ozonation

Depuis des décennies, l’ozonation est une technique utilisée pour éliminer les microorganismes

et les composés organiques dans la production de l’eau potable et le traitement des eaux de

piscine ou des effluents industriels. [12]

L’ozone est un gaz très réactif composé de trois atomes d’oxygène. Elle possède un pouvoir de

désinfectant efficace. Mais aussi, il peut éliminer le fer et le manganèse, oxyder le nitrite et

diminuer la toxicité des micropolluant organique tel les pesticides, le phénol, les résidus

pharmaceutique, etc…

En effet, étant un puissant oxydant, il forme de radicaux d’hydroxyle dès qu’il entre en contact

avec l’eau. Alors même si l’ozone n’oxyde que certaines substances, les radicaux libres

engendrés s’attaquent à de très nombreux composés. Autrement dit, l’ozonation provoque la

rupture des molécules complexes, donnant naissance à des substances qui pourraient être

éliminées par dégradation biologique plus facilement. [12]


8

Selon la nature de l’eau a traité, le taux d’ozonation à appliquer est changeant. Pour le

traitement est de 3 à 5g O3/m3 d’effluent et 2g O3/m3 d’eau de surface. [6]

L’ozone est généré par l’intermédiaire d’une décharge électrique à haute tension. Sa formation

est à réaliser sur place en utilisant l’air sec ou de l’oxygène comme gaz plasmagène. Le procédé

nécessite 0,05 – 0,1 kWh/m3 sur le plan énergétique [12].

Photo 1: A gauche l’ozonisation et à droite l’ozoneur chez Lyonnaise des eaux [7]

I.1.4. La désinfection par filtration

Les micro-organismes sont insolubles mais non visible à l’œil nue. C’est pourquoi il est tout à

fait possible de les filtrer. Elle permet de clarifier et de désinfecter l’eau en une seule étape.

Figure 1: Tailles de particules et types de filtrations correspondants. [6]

La technique de séparation membranaire est un procède de séparation physique qui se déroule

en phase liquide. La membrane est caractérisée par sa porosité, son seuil de coupure (masse

molaire critique ou 90% des solutés sont retenu), sa sélectivité, sa perméabilité. Selon le

matériau utiliser il existe deux types de membrane que l’on peut citer : les membranes

organiques (cellulosique, sulfatées, polyamides et polyamides, acrylique, fluores, …), les

membranes minérales formée principalement par des céramiques. [13]


9

La filtration membranaire se fait par microfiltration, utilisé pour purifier de l’eau et traiter les

effluents, ou par ultrafiltration, utilisé dans le domaine de l’agroalimentaire, dans la

pétrochimie, etc. Ce procède consomme de l’énergie lors du pompage de l’eau. Comme les

pores sont infime, des préfiltrations sont nécessaire pour éviter le colmatage de la membrane.

Et un retro nettoyage et nettoyage chimique de ce dernier doit être faite en cas de diminution

de 40% du débit d’eau traitée. Ces produits de nettoyage diffèrent d’une installation a un autre

mais on peut citer : la soude, l’acide nitrique ou citrique, les oxydants (chlore principalement

ou peroxyde d'hydrogène), des complexant et détergents divers.

Selon la méthode de filtration, il y a 2 types de filtrations : le frontal, qui met l’eau et la

membrane en position perpendiculaire ; et la tangentielle, ou il y a écoulement en parallèle, il

permet une plus lente saturation des pores.

Tableau II: Performance de la désinfection par filtration membranaire

Procédé Turbidité Micro-organismes

Cryptosporidium Giardia Bactéries* Virus

MF < 0.1 NFU > 5 ou 6 log > 5 ou 6 log > 6 log 1 à 3 log

UF < 0.05 NFU >5 ou 6 log > 5 ou 6 log > 6 log > 4 log

*Coliformes, streptocoque et bactéries anaérobies sulfito-réductrices

I.1.5. La désinfection par rayon Ultra-Violet

La photolyse UV de la double hélice d’ADN et de l'ARN des cellules de micro-organisme

conduit à la modification de leurs informations génétiques. Elle déforme la thymine (et

secondairement de la cytosine) empêchant ainsi la division cellulaire (effet bactériostatique)

Figure 2 : Effet de l'UV sur l'ADN

Des études ont montré que le rayonnement UV possède un pouvoir germicide sur le micro-

organisme. La gamme UV-C, de 200 à 280 nm, renferme la longueur d'onde les plus efficaces


10

pour la désinfection. Plus précisément, l'efficacité maximale dépend de l'énergie émise de

253,7 nm, qui est le pic d'absorption du rayonnement UV par les micro-organismes.

L’efficacité de ce traitement dépend beaucoup de la turbidité et/ou de la couleur de l’eau vue

qu’ils ont des influences sur l’absorbance et donc de la transmittance de l’eau. Une lame d’eau

de 15 mm d’épaisseur est conseillée avec un temps de séjour hydraulique de 5 secondes. [14]

Photo 2: Réacteur à lampe UV [6]

I.1.5.1. Transmittance et absorbance d’une eau

On entend par transmittance T, le pourcentage d’énergie transmise par une épaisseur d’eau

donnée. Rappelons que l’irradiation émise ou incident 𝐼0 est égale à la somme de l’irradiation

absorbée 𝐼𝑎 et l’irradiante 𝐼𝑡 (intensité résiduelle reçue par une surface élémentaire. Elle est

mesure par un radiomètre, elle est exprimée en [W/m2] ou [J/s.m2])

𝑇 =𝐼𝑡

𝐼0× 100 ( 1- 1)

On entend par absorbance A la densité optique de l’eau considéré, tel que :

𝐴 = 𝑙𝑜𝑔(𝐼0

𝐼𝑡) donc 𝑇 = 102−𝐴

D’après la loi de LAMBERT-BEER, l’absorbance peut aussi être représentée en fonction du

coefficient d’extinction molaire du soluté absorbant ε, c’est-à-dire extinction de la bactérie en

l/mol m, de l’épaisseur traversée e, et de la concentration en substance absorbante C exprimée

en mol/l.

𝐴 = 𝜀 × 𝑒 × C ( 1- 2)

Et vue que : 𝐼0 = 𝐼𝑎 + 𝐼𝑡


11

On a, 𝐼0 = 𝐼𝑎 + (𝐼0 × 10−𝐴)

𝐼0 = 𝐼𝑎 × (1 − 10−𝐴)

Alors, l’énergie qu’un milieu d’épaisseur e absorbe est fonction de l’absorbance de cette

épaisseur.

I.1.5.2. La dose d’irradiation de désinfection UV

Cinétiquement parlant, la réaction d’irradiation a intensité constante et homogène, sur une

monocouche de bactérie sur une surface plane est définit par l’équation de Busen-Roscoe. Cette

équation permet de savoir la quantité de micro-organisme présent dans un milieu en fonction

de la puissance radiative reçu.

𝑁𝑡

𝑁0= 𝑒−𝑘∗𝐼∗𝑡 ( 1- 3)

Avec Nt le nombre de micro-organisme au temps t ; N0 : nombre de micro-organisme à t = 0 ;

k la constante de vitesse dépendant notamment des bactéries et de la longueur d’onde en m2/J

; I l’intensité ou irradiation ou puissance par unité de surface en J/(s.m2) ; et t le temps

d’irradiation en seconde.

Concernant le dosage de radiation UV, il est influencé par la puissance rayonnée et le

temps d’expositions de l’eau. La dose d’irradiation par unité de surface est notée D.

𝐷 = 𝐼 × 𝑡 ( 1- 4)

Donc le modelé de Busen-Roscoe peut s’écrire

𝑙𝑛 (𝑁0

𝑁𝑡) = 𝑘 × 𝐷 ( 1- 5)

La dose D doit être supérieure à 250 J/m2 en tout point du réacteur pour avoirs un pouvoir de

désinfection. La dose d'UV-C est exprimée en mJ/cm2. Elle correspond au flux UV-C, en

W/cm2, multiplié par la durée d'exposition (s), durée qui dépend du débit d'eau à traiter et de la

taille du réacteur. [15]


12

Tableau III: Dose de UV, relatif à celle de l’Escherichia coli, a appliquer pour la destruction

du micro-organisme [6]

MICRO-ORGANISME DOSE

Escherichia coli 1

Virus de l’hépatite A 3

Virus de la polyomélite 3,5

Bactériophage MS2 8

Streptocoque fécales 2

Vibrio cholera 2,2

Cryptosporidium 1,5

I.1.5.3. Débit d’eau à appliquer

Pour effectuer une désinfection d’eau par radiation, l’écoulement de l’eau dans le réacteur doit

être turbulent et proche de l’écoulement piston. Concernant son débit, les calcule doivent se

basée selon l’intensité de radiation reçu par le point le plus éloigné du source d’éclairage.

𝑞𝑣 =𝐼𝑡×𝑉

𝐷 ( 1- 6)

Avec qv le débit volumique de l’eau ; It l’intensité transmise ; V le volume du réacteur ; D la

dose d’irradiation.

En temps réel, c’est-à-dire en écoulement continu, les microorganismes ont ciblé, transportés

par l’eau, sont en mouvement. Leurs doses d’irradiations ne sont pas les mêmes, vue que

chacun a sa distance et son temps d’exposition. En effet le réacteur n’est jamais de type piston

parfaite, le séjour hydraulique réel varie pour chaque micro-organisme. D’où l’introduction du

paramètre τ tel que :

𝜏 =𝑉

𝑞𝑣 ( 1- 7)

Avec τ le temps de contact ou temps de séjour hydraulique moyenne.

Donc

𝐷 = 𝐼𝑡 × 𝜏 ≅ 𝐼𝑡 × 𝑡

Avec t le temps d’irradiation

Il est a noté que le produit 𝐼𝑡 × 𝑡 détermine l’efficacité de la désinfection. Plus It*t

diminue, plus l’efficacité est bonne. Et des expériences ont montré que plus la température

d’opération augmente, plus ce produit décroit


13

I.2. Avantages et inconvénients des différents types de désinfection

TYPE DE

DESINFECTION AVANTAGES INCONVENIENTS

Désinfection

solaire (SOLAR)

-Bactéricide

-A la portée de tous (gratuit et

facile à réaliser)

-Dépend de la condition

climatique

-Quantité d’eau traité limiter

Chloration

-Virulicide

-Bactéricide

-Effet rémanente

-Simple et peu couteux

-Inefficace contre l’oocyste de

Cryptospridium et le gardia

-Résidu de certain dérivée

dangereux (chloramine)

-Laisse un gout de chlore dans

l’eau

-Transport et stockage

règlementée

-Efficacité dépendant du pH de

l’eau

Microfiltration Très efficace pour retenir les

cryptospridium

Inefficace contre les virus

Ultrafiltration

-Système simple et automatisable

-Pas de consommable à renouveler

-Pas de résidus dans l’eau

-Investissement de départ

importante

- Maintenance nécessaire par des

équipes spécialisées

Ozonation

-Virulicide et algicide

-Amélioration de gout et de

l’odeur

-Se décompose en oxygène et ne

laisse pas de dérivée dans l’eau

-Production sur place (à partir de

molécule de dioxygène O2)

-Investissement de départ

importante

-Système complexe

-Très énergivore

-Certain matériaux ne résiste pas à

l’ozone

-Formation de dérivée bromate

Ultra-Violet

-Bactériostatique et bactéricide

-Système économique

-Pas de stockage de produit

chimique

-Pas de dérivée dans l’eau

-Efficace contre les protozoaires

-Pas de risque de surdosage

-Faible encombrement

-L’eau ne peut être stocker, l’effet

n’est pas rémanent

-Sensible aux variations de la

turbidité de l’eau


14

II. Traitement de l’eau à Madagascar

A Madagascar le réseau de distribution d’eau recouvre 58% des demandes. La population qui

n’y en pas recours s’approvisionnée dans la nappe phréatique ou directement aux eaux de

sources. Dans ces cas, une décontamination par filtration est adoptée. Différentes couches

composées de petit pierre, de gravier, de sable, de cendre et de charbon servent de filtre naturel.

Concernant le réseau de distribution, un stage chez la JIRAMA Mandroseza a permis

de connaitre un peu plus sur le traitement de l’eau potable à Madagascar. Avant distribution

toute type d’eau doit être traiter et suivi. L’eau de consommation doit respecter la norme de

potabilité (cf annexe). Les traitements apportés à l’eau au sein de la Jirama Mandroseza sont :

La coagulation, la floculation, et la décantation : qui vise à décanter l’eau pour

le séparer des matières solides et des colloïdes. Pour favoriser la floculation, on use de la sulfate

d’alumine Al2(SO4)3 concentrée a 10g/l (clarification) et de la chaux Ca(OH)2 concentrée, en

amont à 2g/l (clarification) et en aval à 10 g/l (déferrisation). La quantité est à déterminer par

jar test.

La filtration : qui vise à récupérer l’eau clarifiée par filtration

La désinfection : qui vise à éliminer les microorganismes pathogènes présent

dans l’eau destinée à être consommer. On procède par chloration avec de l’hypochlorite de

calcium Ca(ClO)2 de concentration 1g/l. La demande en chlore de l’eau est aussi à déterminer

par jar test. Et vue que le pH est un facteur troublant dans la désinfectant d’eau, une

neutralisation par chaux est aussi à réaliser.

Afin de connaitre et de faire le suivi des caractéristiques et qualités d’une eau à traiter des

analyses physico-chimiques sont à réaliser. Puis, une étude microbiologique est nécessaire pour

la conformité du traitement.

II.1. Analyse physico-chimique

Concernant les analyses physico-chimiques, il s’agit de cerner les propriétés standard de l’eau

II.1.1. Propriétés organoleptiques

Ce sont des propriétés que l’on peut généralement percevoir à l’aspect externe de l’eau. Elle

est constituée par la turbidité, le couleur, le gout, la température et l’odeur de l’eau.

II.1.2. Propriété physique

Ce sont les spécificités physiques d’une eau. Elle est constituée de son pH, sa conductivité

électrique à 20C, sa minéralisation, sa température, sa quantité de matière en suspension

(MES).


15

II.1.3. Propriété chimique

Ce sont les caractéristiques chimiques de l’eau. L’eau devrait contenir des apports nutritionnels

à l’homme. Cependant, certain composant chimique, ou l’excède de quelques-uns ne sont pas

conseiller. On doit alors contrôler :

la quantité de matières organiques qui favorisent le développement des

microorganismes d’origine animale ou végétale ;

la contenance de l’eau en dérivées azotées c’est-à-dire l’ammonium (NH4+), le

nitrites (NO2−), et le nitrates (NO3

−) ;

la quantité en cation alcalinoterreux qui sont les sels incrustant de l’eau c’est-à-dire la

dureté calcique ou dureté THCa correspondant au teneur en sel de calcium (Ca2+) et la

dureté en magnésien ou dureté THMg correspondant au teneur en sel magnésien

(Mg2+) ;

la quantité en anion faible qui sont l’hydroxyde (OH−), le carbonate (HCO3−), le

bicarbonate (CO32−) et le silicate (SiO3

2−)

la quantité des autres principaux anions et cations qui peuvent influencer la qualité de

l’eau. Ces anions sont le sulfate (SO42−), le chlorures (Cl−), la fluorure (F−) , le

phosphate (PO43−) et les cation sont le sodium (Na+), le potassium (K+), l’aluminium

(Al3+),et l’ion ferreux (Fe2+). L’ammonium ainsi que les chlorures sauf si leur

présence à un taux relativement élevé est explicable.

La demande en oxygène qui a pour but de déterminer la quantité de matière organique

biodégradable (Demande Biochimique en Oxygène) et non biodégradable (Demande

Chimique en Oxygène) dans l’eau. On le pratique surtout lors des contrôle pollution.

II.2. Analyse microbiologique

Chez la JIRAMA des analyses de l’eau avant et après traitement sont réaliser. On dénombre

dans l’échantillon d’eau à analyser les germes tests dont la présence permet de croire à une

contamination de l’eau.

Selon l’OMS quatre microbes sont susceptibles d’être présent dans l’eau de consommation. La

présence d’un de ces microbes qualifie l’eau de non potable. Ce sont :

Les coliformes totaux ou bactéries coliformes (en forme de bacille) : on le détecte en

filtrant 100ml d’eau traitée à analyser avec un filtre membranaire de 0,45m. Si on a de l’eau

brute, on réalise une prise de 50ml que l’on ramené à 100ml. Après cela on cultive le filtre dans


16

une boite de pétri contenant des nutriments pour le microbe. Puis on le tient à 37C pendant

24heures.

Les coliformes thermorésistants ou coliformes fécaux ou Escherichia coli (en forme de

Cocci) : sa détection est la même que celle du précédente, sauf que pour celle-ci la préservation

se fait à 44C. Son analyse permet d’observer si oui ou non, la bactérie résiste à la hausse de

température.

Les streptocoques fécaux ou Entérocoques intestinaux : sa détection se fait avec la

même démarche qu’avec les coliformes. Mais les nutriments à préparer diffèrent et la

conservation se fait à 37C.

L’anaérobie sulfito réducteur ou ASR : sa culture se fait dans un tube contenant de

l’ASR. Contrairement aux analyses susmentionnées, on ne procède pas à un filtrage, on

mélange directement 20ml d’eau à traiter dans le nutriment avant de le conserver à 37C

II.3. Mode de désinfection

Avant tous désinfection de l’eau la clarté de l’eau est paramètre primordial à vérifier. La

turbidité de l’eau doit être inférieure à 5 et pour cela une clarification par coagulation,

floculation puis filtration est entrepris.

La floculation se fait par ajout de sulfate. La quantité à versée ou son taux est déterminer par

jar test mais avant cela le pH de l’eau doit être ramener à une valeur entre 6.4 à 7.2 pour une

bonne performance de la floculation. Les floques se forme au bas du réservoir alors en récupère

l’eau qui se trouve dans le niveau haut.

Le chlore, par sa grande efficacité à l’état de traces, et par sa facilité d’emploi, est le réactif le

plus utilisé pour assurer la stérilisation de l’eau. Dans la station, le chlore injecté est sous forme

d’hypochlorite de calcium

Pour dimensionner la dose à verser, on réalise une expérience sur 7 ou 10 échantillon d’eau

clarifiée. Soit x le taux de sulfate qui a permis d’avoir la meilleur clarté d’eau, alors le test de

la demande en chlore vas se procède comme suit :

Numéro d’échantillon de 100ml 1 2 3 4 5 6 7

Quantité de chlore verser [ml] x-1,5 x-1 x-0,5 X x+0.5 x+1 x+1,5

On vérifie par hydrocuté la quantité de chlore restante dans la solution. Vue que cette quantité

est le résultat de la différence entre la quantité de microorganisme et celle du chlore, s’il y a


17

trop de résidu de chlore, c’est qu’il y a un excès de dosage, sinon, c’est que c’est insuffisant.

En cas d’incertitude en recommence le teste avec un dosage plus précise jusqu’à obtention de

la valeur satisfaisante. Le principe des calculs est que :

Q × t = C × d ( 1- 8)

Avec Q la quantité d’eau a traitée en m3/h ; t le taux en g/m3 ; C la concentration en g/l ; d la

quantité de soluté a versé en l/h.

On introduit dans l’eau une dose de chlore légèrement supérieure au ‘’test’’, si la température

est inférieure à 10°C et, légèrement inférieur au ‘’test’’ si la température est supérieure à 15°C.

III. Les applications de l’arc électrique dans la décontamination

D’un point de vue tout à fait général, l’injection très brutale d’énergie électrique dans des

milieux crée des phases de déséquilibre des propriétés physiques, biologiques ou chimiques

qui peuvent présenter des caractéristiques très intéressantes. En effet, les décharges électriques

peuvent produire, très soudainement, des effets thermiques, des effets photoniques, des effets

de chocs ou faire apparaître des radicaux libres qui rendent les milieux très réactifs.

III.1. Décontamination par électroporation [4]

L’électroporation est une technique appliquée dans le domaine de l’agronomie. Les cellules

biologiques sont constituées d’un cytoplasme, conducteur électrique, et sont entourées d’une

membrane formée d’une double couche lipidique isolant. En cas d’injection d’énergie

électrique une polarisation de la membrane surgie, menant à la formation d’un condensateur

naturel. Lorsque le champ électrique appliquée au milieu croit, la pression électrostatique

augmente, la membrane s’amincie et peut faire apparaitre des pores.

L’électroporation est réversible tant que le champ électrique appliqué n’atteint pas de valeurs

trop élevées, ou n’est pas appliqué trop longtemps. Sinon, il peut entraîner la mort de la cellule.

C’est pour cela que ce phénomène présente une application en décontamination. Elle sert aussi

à extraire de métabolites ou de composés cellulaires (pigments, jus, …) et la réduction de la

contamination bactérienne pour augmenter la durée de vie des denrées alimentaires.


18

Figure 3: Principe de l'électroporation [3]

Le champ électrique pulsés ou PEF (Pulsed Electric Fields) est le plus adéquat pour cette

technique. Avec des impulsions, l’énergie requise pour réduire d’une unité logarithmique la

concentration en Escherichia coli d’un milieu donné est de 10J/cm3.

Outre le domaine agronomique, le PEF est aussi exploitée dans le traitement des eaux usée.

Des études ont montré qu’elle peut être utilisée pour diminuer l’apparition de biofilm. En tant

que traitement curatif, à raison d’une décharge par heure, sur une canalisation en acier

inoxydable colonisée pendant trois jours par l’eau et en tant que traitement préventif, à raison

d’une décharge par heure pendant trois jours sur le circuit rempli avec l’eau. Ce procédé permet

une diminution d’environ 1log/cm2 de la densité bactérienne totale, un décrochage de 50% à

70% de la matière organique du biofilm et du carbone organique fixé sur le matériau. La

technologie permet, en même temps, de retarder le dépôt de vase et de réduire le biofilm.

III.2. Décontamination par onde de choc [16]

Concernant le traitement des eaux par ondes de choc, il consiste à tirer profit de l’apparition de

bulles de vapeur, d’onde de choc intense et d’ultraviolette dans l’eau. La décharge étant libérer

dans l’eau, i y a accroissement de la température et création de de bulle de vapeur. Ces derniers


19

peuvent mener à une phase d’eau supercritique (T > 374°C, P > 221bar). Une réaction d’oxydo-

réduction se manifester alors au niveau des substances organiques menant à la destruction des

microbes et des bactéries.

Le principe de ce système a été développer industriellement par la société « Spartek

Environmental » (Ontario). Le résultat est satisfaisant, des éléments pathogènes spécifiques et

nocifs dans de l’eau ont réellement été éliminer. Avec des tensions d’arc et une distance inter-

électrodes importantes, il est même parvenu à décontaminée des organismes encore plus

résistants tels que les spores Clostridium perfringens ou les Cryptosporidium parvum oocysts.

Cette même société l’exploite aussi afin de réduire la population de moules Zébra adultes déjà

accrochées dans des pipelines.

III.3. Désinfection par décharge électrique accompagnée de bulle de gaz [4]

Chaque différente technique de traitement de l’eau présente ses propriétés antimicrobiennes.

Cependant, tous les micro-organismes réagissent différemment à ces traitements. En

considérant ses faits, Espie et al on établit un nouveau procédé exploitant les propriétés de

l’UV, de l’ozone, de l’arc pulsé, et de l’onde de choc. Ils ont eu, entre autres, pour but

d’optimiser l’efficacité de désinfection dans les liquides.

L’idée est d’injecter des impulsions haute tension dans un liquide toute en y introduisant du

gaz (oxygène, dioxyde de carbone, ou air). Des décharges partielles apparaissent alors

directement à l’intérieur des bulles de gaz, engendrant de la lumière UV qui est transmis au

liquide, des électrons se libèrent, des radicaux et de l’ozone se forment. Une rupture

diélectrique du liquide peut même surgir, un arc se forme dans l’eau, une onde de choc est

générée pour inactiver les micro-organismes présents dans le liquide. Ce système de traitement

a été testé sur des liquides contenant des micro-organismes Saccharomyces cerevisiae

(industrie de la levure et de la fermentation), des Bacillus cereus (bactérie Gram positive

omniprésente dans la nature qui peut provoquer des empoisonnements des aliments tels que le

riz, le lait ou les céréales) et Escherichia coli (bactérie Gram négative).


20

Chapitre 2.

GENERALITE SUR L’ARC

ELECTRIQUE ET LE

PLASMA


21

I. L’arc électrique

L’arc électrique est un courant électrique de forte intensité, visible à l’œil nu, qui se produit

entre des électrodes à travers un gaz naturellement isolant. A petite échelle, on dit qu’on a un

« étincelle ». Les exemples d’arc électrique les plus banal sont : la foudre et le court-circuit.

Une décharge électrique est une circulation, une libération de courant électrique dans un champ

électrique. Scientifiquement parlant, un arc électrique peut être définit comme « une décharge

électrique lumineuse à fort courant traversant un gaz entre deux conducteurs qui présentent une

différence de potentiel suffisante par rapport à l’énergie d’ionisation des gaz, la décharge étant

stable et autoentretenue. » [17]

L’arc électrique peut être amorcer par diverses méthodes mais le fait est qu’il engendre la

transformation du gaz initialement isolant en plasma. Puis à son tour, le milieu plasma sert de

conducteur et de support pour l’arc jusqu’à défaillance ou extinction de la source de courant.

Deux genre de particule sont responsable du courant électrique dans un arc : les particules

négatives (électrons) et les particules positives (les ions).

Figure 4 : Principe du circulation de courant dans un arc électrique

« L’arc électrique se comporte sensiblement comme une résistance » [18], il est caractérisé par

son intensité, son tension, mais aussi de la distance inter-électrode. Selon Vacquié S. dans

CNRS Editions, on peut généralement considérer que la puissance transmise aux électrodes est

égale au produit de l’intensité par la chute de tension totale aux électrodes si les matériaux des


22

deux contacts sont les mêmes. Des travaux expérimentaux ont montré que cette approche n’est

pas loin de la réalité. [19]

I.1. Amorçage de l’arc électrique

L’amorçage d’un arc électrique nécessite un couple 𝑈 × 𝐼 suffisant, c’est-à-dire, une tension

suffisante et une intensité suffisante. Des phénomènes aptes à favoriser l’ionisation du milieu

gazeux où se propagera l’arc (colonne gazeux) tel le chauffage de la cathode, l’emploi d’une

décharge auxiliaire de haute fréquence et de haute tension (étincelle pilote), etc… serai aussi

un atout pour l’amorçage.

De ce fait, il existe trois types d’amorçage de l’arc électrique : l’amorçage par transition

continu, l’amorçage par surtension, l’amorçage par contact.

I.1.1. L’amorçage par transition continu

Cet amorçage est aussi appelé « passage continu des décharges non autonome aux décharges

auto-entretenues ». Ce procède consiste a créé une décharge à courant faible, puis à le faire

accroitre progressivement jusqu’à obtention d’un arc.

Une décharge peut être caractérise expérimentalement. L’application d’une tension continue

entre deux électrodes (à une pression comprise 0,13 et 13 mbar) permet de décrire différents

régimes de décharge continue. Ces différents régimes de fonctionnement sont présentés sur la

figure ci-dessous. Le courbe de tension a été obtenu en variant le courant via une résistance de

charge à laquelle on applique une force électromotrice du générateur. [20]

Figure 5: Caractéristique courant-tension des décharges électriques


23

Dans l’étape I, la tension et le courant appliquée est extrêmement faible d’où un champ

électrique faible. L’ionisation n’est pas possible sans excitations externes, on dit que la

décharge est non-autonome. Dans l’étape II, le courant de saturation Io est atteinte, des

multiplications électroniques commence à surgir. Dans l’étape III, la différence de potentiel

entre électrode est constante et est égale à la tension d’amorçage statique ou tension disruptive

Vd, qui est donnée par la loi de Paschen pour différant pour chaque milieu est atteinte. La

production d’électron est devenue suffisante. La décharge ne dépend plus d’une excitation

externe, elle est autonome et auto-entretenue. On dit qu’on a une décharge de Townsend.

Dans l’étape IV, la tension diminue même si on augmente le courant. Cette étape est une phase

de transition entre décharge sombre et décharge lumineuse. On dit qu’on a une décharge

luminescente subnormale. Arriver à l’étape V la décharge se stabilise. La tension inter électrode

devient constante en Vl (tension limite), mais le courant reste variable. On a une apparition de

plusieurs zones lumineuses diffuse. A l’étape VI, la décharge passe en régime autonome et est

auto-entretenu mais fixée en un point de fonctionnement stable, on dit qu’on a un décharge

corona ou décharge couronne (effet couronne).

Dans l’étape VII on retrouve une décharge lumineux anormal. L’émission de particule

secondaire occupe la totalité de surface de la cathode. Cela entraine l’augmentation de la

densité de charges au voisinage de la cathode. Le champ électrique est plus élevé, donc la

tension « V » augmente et l’accroissement du courant de la décharge s’accompagne d’une

diminution de la surface de la gaine cathodique (frontière entre le corps de la cathode et l’arc).

Comme la gaine cathodique diminue, les ions perdent moins d’énergie par collisions, et ils

chauffent davantage la cathode d’où une augmentation de thermo émission.

Quand l’émission thermoélectronique de la cathode devient notable, la pente de la courbe V =

f(I) redevient négative jusqu’à atteindre l’étape VII. L’émission cathodique est caractérisée par

une diminution de la surface de gaine cathodique, un chauffage local et une émission localisée

mais souvent très mobile (spot cathodique).

I.1.2. L’amorçage par surtension

Ce type d’amorçage consiste à crée une tension supérieure ou égale aux tensions de claquage

entre deux contacts. Le gaz environnent devient plasma. Elle peut être réaliser à l’air libre car

des électrons germes sont créés en permanence dans l’air atmosphérique par les rayons

cosmiques ou par la radioactivité naturelle au nombre de 10 à 20 par 𝑐𝑚3 et par seconde [17].


24

La tension de claquage, appelé aussi tension disruptive peut être déterminer à partir du courbe

de Paschen. Cette courbe représente le champ électrique de claquage en fonction du produit de

la pression et de la distance entre les électrodes.

Figure 6 : Courbe de Paschen dans l’air à 20deg C

Selon, la surtension vis-à-vis de la tension disruptive, le comportement mécanique de l’arc

engendré peut-être différente. S’il y a une forte élévation, on a apparition d’un arc de forte

intensité de courant et de brève délai (de l’ordre de centaine de nanoseconde après apparition

du charge d’espace) tel la foudre. Tandis qu’à faible surtension, l’effet avalanche s’accroit par

effet thermoélectrique mais le courant est stable.

I.1.3. L’amorçage par contact

Ce type d’amorçage se produit lors de l’ouverture d’un contact parcouru par un courant

électrique considérable. En effet, lors de la dissociation de deux électrodes, a un moment

donné, les aspérités et irrégularités de la surface de contacte demeurent les seuls liens des

électrodes. Or ces imperfections sont souvent inferieur à 1mm2 ou même de l’ordre de 10-6

mm2 pour les microcontacts à faible pression d’écrasement. D’où la forte élévation de la

résistance et de la densité de courant. L’énergie dissipée par effet de joule RI2 s’accroit

considérablement avec la température locale.


25

Figure 7: Illustration de l’élévation de densité de courant dans la petite surface de contacte

[4]

Le point d’ébullition du métal est atteint, un « pont fondu » métallique se crée entre les

contacts. Cela rend possible une émission thermo-ionique tout en créant un milieu plasma entre

les électrodes. L’allongement du pont fondu par l’écartement du contact provoque sa coupure

qui se traduit par une explosion. Il y a apparition d’arc électrique en vapeur métallique et

possibilité de projection de métal sous forme de microgouttelette. Au bout d’une vingtaine de

nanosecondes après la rupture, la pression du plasma de vapeur métallique est au voisinage d’1

atmosphère puis rapidement remplacé par un plasma formé à partir du gaz environnant. L’arc

ainsi créé se maintient si la source d’alimentation est suffisante.

Ce cas d’amorçage se présente dans l’ouverture des sectionnaires et disjoncteurs (BT, MT, HT)

I.2. Phénomène aux électrodes

1.2.1. Erosion des électrodes

Au niveau de la cathode, l’arc électrique s‘y accroche à travers des spots qui, à la pression

atmosphérique, ont tendance à se regrouper en un spot apparemment unique que l’on nomme

le pied d’arc. Et comme c’est au niveau de ces derniers que se fait la continuité du courant

cathode-arc, un intense échange d’énergie se produit et une ablation du matériau est engendrée.

Au niveau de l’anode, c’est la livraison d’énergie thermique venant de la colonne d’arc qui y

provoque un cratère. Il est très exploité dans les arcs transfère (soudure et découpage à l’arc)

L’érosion des électrodes dépendent de plusieurs paramètres : la nature du matériau, l’état de la

surface (point ou plane), mobilité du pied d’arc, intensité du courant, pression de

fonctionnement, refroidissement des électrodes, nature du gaz ambiant.


26

1.2.2. Bilan de puissance

1.2.2.1. Cathode

Tout d’abord, le pied d’un arc est de l’ordre de quelques micromètres de diamètre pour courant

d’une centaine d’ampère. En raison de cette faible dimension, les puissances conduisent à la

fusion de cathode (éjection de gouttelette du matériau) et vaporisation du métal. Cependant

face à des arcs continus, et surtout à courant faible, on peur ne considérer que la vaporisation.

On a alors la perte par vaporisation.

𝑃𝑣𝑎𝑝 =𝐶∆𝑚𝑢

∆𝑡 ( 2- 1)

Le coefficient C, qui s’exprime en J.g–1, représente l’énergie nécessaire à l’évaporation de

l’unité de masse du matériau de cathode et Δmu /Δt (en g /s) la vitesse d’érosion.

Puis, le matériau de cathode est caractérisé par trois grandeurs déterminantes.

La conductivité thermique permettant d’évaluer la quantité d’énergie perdue par le phénomène

de conduction thermique.

𝑃𝜆 = (𝑇𝐶 − 𝑇0)𝜆𝑟𝐶 𝜋

32⁄ ( 2- 2)

Avec rc (m) rayon de la tache cathodique ; T0, la température ambiante

La conductivité électrique qui montre la capacité de la cathode à conduire le courant, et enfin

le travail de sortie du matériau qui montre la capacité à émettre et diffuser des électrons dans

le plasma. Elles interfèrent dans la perte par émission électronique

𝑃𝑒 = 𝑉𝑟𝑆𝐼 ( 2- 3)

Où Vr est le potentiel correspondant à la valeur moyenne de l’énergie nécessaire à l’émission

d’un électron. Cette grandeur varie avec le mode de fonctionnement de la cathode.

Enfin, une puissance rayonnée est émise de la cathode vers la décharge. Et vice versa, y en a

aussi qui est acquis venant de la décharge. La différence entre ces puissances forme la perte

par rayonnement. Cependant elle est négligeable dans les calculs

Alors, un bilan est généralement d’énergie permet d’exprimer la puissance apportée à la

cathode par la relation :

𝑃𝐶 = 𝑃𝑣𝑎𝑝 + 𝑃𝜆 + 𝑃𝑟𝑎𝑦 + 𝑃𝑒 ( 2- 4)

Où Pc, la puissance apportée à la cathode ; Pvap, la puissance dissipée par vaporisation du

métal ; Pλ, la fraction de puissance dissipée par conduction thermique dans le matériau de


27

cathode ; Pray, la puissance perdue par rayonnement ; Pe, la part de la puissance totale dissipée

par l’émission des électrons.

1.2.2.2. Anode

L’anode sert généralement à recevoir l’arc. Un transfert de chaleur, que cela soit par

conduction, par convection ou par rayonnement, y est dominant.

Pour un plasma à l’équilibre thermodynamique la puissance par conduction thermique

s’exprime :

𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑆𝐴 (𝜆𝑒𝑑𝑇𝑒

𝑑𝑥+ 𝜆𝐿

𝑑𝑇𝐿

𝑑𝑥) ( 2- 5)

Avec SA (m2) surface du pied d’arc à l’anode, λe et λL (W · m–1 · K–1) conductivité thermique

des électrons et des particules lourdes, Te et TL (K) respectivement température des électrons

et des particules lourdes.

Pour le cas de la puissance par convection des déterminations expérimentales sont nécessaire.

En effet, elle dépend de la vitesse du jet de plasma, naturel ou forcée (par soufflage), mais aussi

de la longueur de l’arc qui influencent la quantité du transfert d’énergie. Elle est négligeable

dans un arc libre.

Concernant la puissance par rayonnement, sa détermination est très délicate. Elle ne représente

pas une part importante dans le bilan d’énergie toutefois elle est non négligeable Elle est

analogue à celle présent dans la cathode cependant on l’évalue sous gaz pur car le vapeur

métallique provoque par l’érosion de l’anode peut l’augmenter toute en abaissant la

température du plasma.

Outre cela, l’anode est aussi un collecteur d’électrons. Sans prendre en compte la puissance par

conduction, un transfert d’enthalpie s’abat sur la surface de l’anode. Elle est exprimée par la

puissance de transfert électronique

𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝐼 (5

2

𝑘𝑇𝑒

𝑒+ 𝑉𝑎 + 𝑉𝑆) ( 2- 6)

I (5

2

𝑘𝑇𝑒

𝑒), correspond au dépôt d’enthalpie par les électrons à la limite de la gaine, ce qui résulte

de l’égalité entre la vitesse de flux et la vitesse moyenne de dérive.

I (𝑉𝑎 + 𝑉𝑠) cumule l’énergie résultant de l’accélération des électrons par la chute de potentiel

anodique et celle due au retour de l’électron dans le métal.

De ces faits, le bilan général des puissances à l’anode est celle exprimer ci-dessous :

𝑃𝑎 = 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑 + 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑣 + 𝑃𝑟𝑎𝑑 + 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 ( 2- 7)


28

Avec Pcond, la puissance transmise par les particules par conduction thermique ; Pconv, la

puissance ; Pelect, le transfert d’enthalpie par les électrons qui atteignent l’anode par seconde,

Prad est la quantité de puissance apportée par rayonnement.

I.3. L’arc électrique dans l’eau

I.3.1. Manifestation

On a vue ultérieurement, lors de l’amorçage d’arc par transition continu, qu’avant apparition

de l’arc on observe d’abord une décharge couronne. Plus encore, avant l’effet couronne, des

streamers isolés (preonset streamers) suivis d’un régime d’impulsions dites de Trichel se

manifeste.

Photo 3: Décharge du corona [21]

Les impulsions de Trichel sont des avalanches électroniques qui se développent au voisinage

de la pointe de l’électrode. Ils créent des ions négatifs qui ont temporairement un effet

stabilisateur. Ces impulsions se produisent à une fréquence qui augmente avec la tension

appliquée. Lorsque cette dernière devient trop élevée, il y a émission d’une couronne négative.

Comme la création d’arc électrique dans le gaz, celle dans l’eau passe par ce claquage de type

streamer puis à l’impulsion transitoire avant de s’établir. La température de l’arc dans l’eau

étant élevé, une enveloppe gazeuse l’entoure. De l’énergie est dissipé par évaporation et/ou

dissociation du milieu liquide, par radiation, par chauffage et par bombardement.

Selon l’observation de Kattan et al une corrélation entre chaque impulsion de courant injectée

et la formation de bulles gazeuses existe [22]. Beroual et al. ont portée des études sur la nature

de la partie gazeuse et la propagation des streamers engendrée par des mécanismes à la fois

gazeux et électronique [23]. Une fois l’arc établi, des cycles expansion-implosion causés par

la forme d’onde du courant et qui est liés aux différences de pression exercées au niveau de

l’interface de l’arc et de l’environnement liquide gère la phase gazeuse. [3]


29

Photo 4: Images prises par caméra rapide de l’évolution d’une phase gazeuse contenant l’arc

électrique de 0 ms à 19 ms pour une énergie délivrée de 3.6 kJ environ sur 11.5 ms

(K = cathode, A = anode) et d’une distance inter-électrode d = 3 mm [3]

Les différents modes d’initiation de l’arc dans l’eau peuvent être regrouper en 4 classes :

Mécanisme de bulles : il a pour principe d’éclater l’arc dans des bulles de gaz pré-

introduit dans le liquide au niveau de la cathode [24]

Décharge appelée « micro explosive » : il consiste à chauffer localement le liquide par

effet joule. Cela favorise l’émission d’électrons à la cathode et/ou l’ionisation des

molécules du liquide, la création d’onde de choc qui conduit à l’explosion de vapeur.

Des bulles de gaz sont alors ionisés d’où une formation du canal plasma [24].

Mécanisme d’ionisation directe : l’ionisation du liquide en créant une grande différence

de potentiel entre les électrodes. Le champ disruptif de l’eau est atteint, d’où l’amorçage

de l’arc. [3]


30

Mécanisme électrothermique : en appliquant une tension aux électrodes pendant une

longue durée, un chauffage et évaporation local du liquide engendrant l’apparition de

bulle de vapeur se réalise. Et vue la différence entre la permittivité du gaz et de l’eau,

le champ électrique dans les bulles sont renforcés. Or cela provoque la création d’autre

bulle qui en créera d’autre jusqu’à atteindre l’anode et ainsi faire claquer l’arc. [24]

[25].

I.3.2. Réaction engendrer dans l’eau

L’effet couronne peut être utiliser pour traiter un produit. Ce procédé use de la réactivité

chimique du milieu ionisé afin de modifier la structure ou la nature de certains composés du

produit. De plus, quand des impulsions électrique haute tension sont injectées à travers des

électrodes immergées dans un milieu aqueux, des espèces chimiques actives, des électrons

hautement énergétiques et des radiations ultraviolettes pouvant stériliser les bactéries ou traiter

l’eau sans produire de polluants secondaires sont produits [26]. Des ondes de pressions sont

aussi générer. [3]

Ces espèces chimiques actives sont les radicaux H, OH, O, O2, HO2, O3 et du peroxyde

d’hydrogène H2O2. Parmi ces espèces, OH, O, O3 et H2O2 sont les plus importantes pour les

réactions chimiques. Les radicaux OH sont spécialement connus pour sa capacité à dégrader

des composés organiques. C’est l’espèce qui possède le plus fort pouvoir oxydant (après la

fluorine), suivi de l’oxygène single O et de l’ozone.

Ces radicaux traitent les composés organiques par oxydation. Les radicaux hydroxyle OH et

H2O2 sont directement produits par la décharge dans l’eau, suivant les réactions chimiques des

équations.

𝑒− +𝐻2𝑂 → 𝑒− + 𝐻𝑂 + 𝐻

𝑒− + 2𝐻2𝑂 → 𝑒− +𝐻2𝑂2 + 𝐻2

I.3.3. Technique de décontamination

Les bactéries dans l’eau peuvent être stérilisées via les effets physiques (onde de pression et

UV) ou les effets chimiques (OH-, O3, H, radicaux libres) générés par décharge. Ces effets ont

la capacité de décomposer de nombreux contaminants organiques ou microbiens [27].

Selon Yamatake et al., une forte émissions UV et des ondes de pression importantes de l’ordre

de 2 MPa générés par des impulsions de décharge de 0.3 kJ durant environ 100μs sont efficace

pour dégrader certains contaminants chimiques et organiques dans de l’eau salée [27]. Ces


31

résultats sont cohérents avec ceux de Patransky et al., qui ont observés la décomposition quasi-

complète du bleu de méthylène avec des électrodes en titanes [3]. Selon une étude de Karpel

et al, de l’arc électrique pulsée dans une solution aqueuse via une suite de charges et de

décharges de condensateurs à une fréquence donnée à travers des électrodes de tungstène peut

détruire l’atrazine. Certes, la puissance utilisée est de l’ordre 3MW, mais l’énergie par pulsion

demeure 290J/pulse [5] . Elles sont également cohérentes avec l’étude menée par Touya sur la

« dé-bactérisation »et la dégradation des micro-organismes. Mais aussi avec celle fait par la

société Effitech sur le pré-conditionnement de déchets solides par arcs électriques pulsés dans

l’eau [4].

En outre, selon Boudesoque pour un procédé industriel de prétraitement de boues, une décharge

d’arc de 10 à 50 kV avec une intensité de courant de 10 à 100 A à une température atteinte lors

du pulse estimée à 30°C [3].

II. Le plasma d’arc

Comme le liquide, le solide ou le gaz, le plasma est une des états de la matière. Il forme 99.8%

de la matière au-delà de la haute atmosphère et est présent sur terre naturellement (lors de

l’aurore polaire ou la foudre) ou artificiellement (laser, torche à plasma, tube fluorescente,

etc…).

Le plasma est constitué de fluide ionisé. Il est caractérisé par sa densité électronique (Ne), sa

densité d’ions (Ni), sa densité d’espèce neutre (N0) qui possèdent respectivement une

température T0, Ti et Te, et par son degré d’ionisation .

𝛼 =𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒𝑑𝑒𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑢𝑙𝑒𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔é𝑒

𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑑𝑒𝑠𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑢𝑙𝑒𝑠 ( 2- 8)

II.1. Formation du plasma

Le plasma peut être crée à partir de la matière gazeuse. En effet les gaz, qui sont des isolants

électriques, permettent à ses particules une grande liberté de déplacement dans l’espace. De ce

fait, ces derniers sont peu attirés les uns par les autres. Cependant des électrons libres et des

ions positifs peuvent apparaître si on soumet le gaz à un champ électrique de forte intensité ou

à des températures suffisamment élevées, si on le bombarde de particules ou s’il est soumis à

un champ électromagnétique très intense. Et quand une particule chargée (un électron ou ion

positif) est vacante dans un milieu, un champ électrique règne dans les environs. Un force


32

électrostatique proportionnel à ce champ accélère toutes les particules chargées aux alentour.

Une population désordonnée et mouvementé qui s’entrechoquent entre elle fait alors surface.

Si l’énergie cinétique de l’électron est insuffisante, la particule lourde qu’il heurte ne

s’excite pas, son énergie interne reste constante. Il n’y a qu’échange de chaleur entre particule

d’où une conduction et une diffusion thermique, le choc est dit « élastique ».

Si l’énergie cinétique de l’électron est égale ou supérieur à l’énergie d’ionisation, la

particule lourde est excitée ou ionisée, le choc est dit « inélastique ».

Figure 8: Illustration du choc inélastique entre un électron et une molécule [4]

Ces phénomènes sont réalisés par tout particule chargée du milieu, qu’il soit primaire ou fruit

d’un choc inélastique. Dépendant de la pression de la gaz et de sa libre parcourt moyenne , la

fréquence de collision peut augmenter et l’ « effet avalanche » peut être engendré. Dans

l’avalanche, le nombre de pair d’électron-ion positif par unité de surface d’électrode est

déterminé par la formule suivante :

𝑛 = 𝑛0𝑒𝛼𝑑 ( 2- 9)

Avec n0 le nombre d’électron primaire, d la distance entre les électrodes, le coefficient

d’ionisation ou premier coefficient de Townsend.

Dans un plasma, le libre parcours moyen 𝑚 , ou la distance parcourut par une particule lourde

avant une collision est obtenu par la formule :

𝑚 =1

𝑁0×𝜎 ( 2- 10)

Avec N0 la densité d’espèce neutre (atomes et molécules), et 𝜎 la section efficace (surface

géométrique de choc)

Le gaz devient alors un gaz ionisé. Et lorsque l’ionisation est assez importante pour que le

nombre d’électrons par unité de volume soit comparable à celui des molécules neutres, le gaz

devient électriquement neutre, du fait des charges qui s’annulent, et conducteur d’électricité,

du fait des électrons libres qu’il contient. On obtient un milieu plasma.


33

II.2. Classification des plasmas

On peut classifier un plasma selon sa température ou sa degré d’ionisation.

Il y a les plasmas chaud ou plasmas de fusion thermonucléaire ou plasmas dense ( 0.1< <1).

Leur température s’élève à des millions de degré Kelvin.

Puis il y a les plasmas froids (10-7 < < 10-3) qui se scinde en deux sous type :

Les plasmas hors équilibre, ayant une température de particule chargée très supérieur

par rapport à celle des particules neutres (la température des particule lourde est presque

ambiante, celle des ions aux alentours de 5000K et celle des électrons vont de 104 à 105

K). Ils sont très réactifs du fait de la forte énergie de leurs électrons qui engendre des

chocs inélastiques et donc beaucoup d’ionisation. Ils peuvent être crée à basse pression

ou à pression atmosphérique.

Les plasmas thermiques ou plasma d’arc électrique, qui ont une caractéristique proche

de l’équilibre thermodynamique (toutes les particules ont presque la même température,

environ 0.5eV à 1eV). Il présente beaucoup de choc élastique et de champ électrique

peu élevé. Ils peuvent être crée par arc électrique, par haute fréquence, par laser, par

énergie solaire ou par onde de choc à une pression suffisamment élevée pour que la

fréquence des collisions conduise à l’équipartition de l’énergie entre les diverses sortes

de particules qui les composent.

Dans la colonne d’arc, c’est-à-dire dans la partie centrale, la tension croît assez régulièrement

de la cathode vers l’anode, de sorte que le champ électrique soit approximativement assez

constant et uniforme. En effet sa valeur dépend aussi du bilan d’énergie du plasma qui est lui-

même fonction de la nature intrinsèque de gaz et des phénomènes de pertes d’énergie. La plus

grande partie du plasma engendrée correspond à cette colonne d’arc, qui à la pression

atmosphérique, est un plasma thermique.

II.3. Les lois de l’équilibre dans un milieu plasma

Equilibre Thermodynamique (E.T)

Le plasma est en Equilibre Thermodynamique quand il est homogène, contenue dans une

enceinte isotherme à la température T. Son état physique peut alors être décrit à l’aide d ’un

certain nombre de variables macroscopiques (Température, pression, concentration relative des


34

divers constituants) sans qu’il soit nécessaire de connaître en détails tous les processus

microscopiques en jeu.

Equilibre Thermodynamique Complete (E.T.C) :

Pour être dans l’ETC, le plasma doit être confiné dans une enceinte sphérique isotherme

jusqu’au paroi même. Dans ce type d’équilibre toutes les particules possèdent la même énergie

cinétique moyenne, il y a équipartition d’énergie, et les processus cause par l’interaction des

particules suivent le principe de micro-réversibilité c’est à dire que tous les processus sont

contre balancés.

Les conditions et lois respecter dans un ETC sont les suivant :

Plasma isotherme, stationnaire, uniforme et isotrope

Les vitesses des particules suivent une distribution de Maxwell-Boltzmann

Le peuplement des niveaux excités est contrôlé par une loi de Boltzmann

L’équilibre chimique est basé sur la loi d’action de masse (loi de Saha et loi de

Guldberg-Waage)

Le rayonnement du plasma est celui d’un corps noir dont le flux rayonné Bl est donné

par la loi de Planck

Equilibre Thermodynamique Local (E.T.L)

L’ETC est inatteignable dans les plasmas en laboratoire vue qu’on travaille à petite échelle,

c’est pourquoi l’ETL est aborder. Dans ce cas d’équilibre le plasma est optiquement mince, les

rayonnements à une certaine longueur d’onde ne sont que partiellement réabsorbés. Toutes les

lois vérifier dans l’ETC à l’exception de la loi de Planck est observer partiellement. Le

rayonnement est déterminable par la loi de Kirchhoff avec une température égale au

température électronique Te. Cet équilibre est valable pour les plasmas thermiques.

Pour être dans un ETL les collisions électroniques doivent être au moins 10 fois supérieurs aux

processus radiatifs qui sont principalement l ’émission spontanée et la recombinaison radiative

(on verra prochainement). Plusieurs critères plus détaillés ont été établit pour décrire cet état

d’équilibre.

Critère de Drawin

𝑁𝑒 ≥ 6.51016 𝑔𝑚𝑎𝑥

𝑔𝑚𝑖𝑛(

𝐸𝑚𝑎𝑥−𝐸𝑚𝑖𝑛

𝐸𝐻)3

(𝑘𝑇𝑒

𝐸𝐻)1

2⁄

𝜙() ( 2- 11)

Ou 𝜙() : est une fonction tabulée et 𝑁𝑒 exprimée en 𝑐𝑚−3

Critère de Griem


35

𝑁𝑒 ≥ 1016𝑇𝑒

12⁄ (𝐸1 − 𝐸0) ( 2- 12)

𝐸1 − 𝐸0 ∶ Différence entre le premier niveau excite et le fondamental ; 𝑁𝑒 est exprimée en

𝑐𝑚−3

II.4. Population d’un plasma

Le plasma est composé de différente particule selon son gaz plasmagène et des vapeurs

métalliques au voisinage des électrodes. Si le milieu peut être supposé en équilibre

thermodynamique local, la connaissance de la température T permet, pour une pression p

donnée, de calculer la composition du plasma. En effet, la pression est inversement

proportionnelle au libre parcours moyenne ce qui conduit aux faites que quand la pression

diminue le nombre de collisions est moins élevées avec le gaz ambiant.

Figure 9 : Composition d'équilibre pour un plasma d'air pur [4]

Naturellement, toute atome ou ensemble d’atome (molécule) se trouve à l’état stable. C’est-à-

dire que chaque électron est à l’état fondamentale ou encore se place sur les orbites selon leur

configuration électronique d’origine. Cependant, due à l’énergie externe reçus par le système,

les particules s’excitent ou s’ionise selon la quantité d’énergie acquis. Selon les cas, diffèrent

phénomène sont observable : l’excitation, l’ionisation par collision, l’ionisation thermique, la

photo-ionisation, la photodissociation, et la désexcitation. De ce fait, dans un milieu plasma, la

répartition des particules est instable. Des fonctions et des lois permettent de déterminer

approximativement la population du milieu.


36

II.4.1. Loi de Boltzmann

Elle concerne l’équilibre d’excitation et est relatif aux densités d’espèce sur un niveau haut

n(h) et un niveau bas n(b). Cette loi n’est respectée qu’en équilibre thermodynamique.

Soit la réaction : 𝐴𝑏 + 𝑒− → 𝐴ℎ

Alors le rapport de densité entre le niveau est donné par :

𝑛𝐴(ℎ)

𝑛𝐴(𝑏)=

𝑔ℎ

𝑔𝑏𝑒𝑥𝑝(−

𝐸ℎ−𝐸𝑏

𝑘𝑇) ( 2- 13)

II.4.2. Loi de Saha

Elle concerne l’équilibre d’ionisation et est relatif à la densité de population de chacun des

particules séparer. Soit la réaction : 𝐴 → 𝐴+ + 𝑒−

Cette loi stipule que :

𝑛

𝐴+×𝑛𝑒

𝑛𝐴=

𝑄𝑖𝑛𝑡,𝐴+ 𝑄𝑖𝑛𝑡,𝑒

𝑄𝑖𝑛𝑡,𝐴× (

2𝜋𝑚𝑒𝑘𝑇

ℎ2 )3

2⁄

× 𝑒𝑥𝑝(−𝐸𝑑′𝑖𝑜𝑛𝑖𝑠𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑑𝑒𝐴

𝑘𝑇) ( 2- 14)

II.4.3. Loi de Guldberg-Waage

Elle concerne l’équilibre de dissociation et est relatif à la densité de population de chacun des

particules séparer. Soit la réaction : 𝐴𝐵 → 𝐴 + 𝐵 . Selon cette loi, on a :

𝑛𝐴×𝑛𝐵

𝑛𝐴𝐵=

𝑄𝑖𝑛𝑡,𝐴𝑄𝑖𝑛𝑡,𝐵

𝑄𝑖𝑛𝑡,𝐴𝐵× (

2𝜋𝜇𝐴𝐵𝑘𝑇

ℎ2 )3

2⁄

× 𝑒𝑥𝑝(−𝐸𝑑𝑖𝑠𝑠𝑜𝑐𝑖𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑑𝑒𝐴𝐵

𝑘𝑇) ( 2- 15)

II.4.4. Fonction de distribution

Pour une espèce donnée, la fonction de distribution correspond à la répartition des particules

sur diffèrent niveau d’énergie selon leur position, leur vitesse et du temps. A l’équilibre

thermodynamique, elle est stationnaire, uniforme et isotrope. Selon les hypothèses de l’étude,

deux types de distribution se présente.

II.4.4.1. Distribution maxwellienne

En considérant les collisions élastiques des particules dans le milieu, la distribution selon la

vitesse de la particule. C’est la distribution de Boltzmann-Maxwell, qu’on appelle

grossièrement distribution maxwellienne. Elle est régie par la formule suivante.

𝑑𝑁(𝑣)

𝑁=

4𝜋𝑣2𝑑𝑣

(2𝜋𝑘𝑇𝑚⁄ )

32⁄exp(−

𝑚𝑣2

2𝑘𝑇) ( 2- 16)


37

II.4.4.2. Distribution de Boltzmann

En considérant les collisions inélastiques dans le milieu, une distribution des populations

d’électron selon leur énergie est observée à l’équilibre. Cette distribution est appelée

distribution de Boltzmann est suit la loi suivante :

Nm = gmexp (−Em

kT) ( 2- 17)

Avec Nm : densité d’électron sur le niveau m ; gm : dégénérescence du niveau m ; Em : énergie

du niveau m ; k : constante de Boltzmann ; et T : température absolue

II.4.5. Fonction de partition interne

Cette fonction représente tous les états que peut prendre la particule en tenant compte de la

probabilité d’être dans chaque état. C’est une grandeur sans dimension qui permet de relier la

propriété microscopique du système et ses propriétés thermodynamiques macroscopique.

La fonction de répartition interne concerne toutes les formes d’énergie interne des particules.

Elle est généralement exprimée par :

Qint = ∑ giexp (−Ei

kBT)n

i=1 ( 2- 18)

Ou gi et Ei sont respectivement la dégénérescence et l’énergie du niveau i, ce sont des valeurs

tabulées dans la table de Moore.

Dans le cas où la particule est un ion, la limite « n » de la somme est égale au nombre d’état

électronique atomique Ne. Dans les autres cas n correspond au nombre maximal d’électron.

III. Rayonnement d’un arc

Une transmission d’énergie peut être interpréter par une radiation ou rayonnement. Il y a les

rayonnements particulaires, relatif au transport via des particules corpusculaires tel le photon,

l’électron, le neutron, le positron, etc. ; et les rayonnements ondulatoires, relatif au transport

via des ondes comme les ondes sonores.

La combinaison de ces deux types d’onde donne le rayonnement électromagnétique relatif au

spectre et donc à la lumière. Même le rayonnement thermique c’est l’échange thermique par

onde électromagnétique.

III.1. Source des rayonnements

Il existe trois processus d’interaction fondamentaux entre atomes et photons : l’émission

spontanée, l’émission induite et l’absorption.


38

III.1.1. L’émission spontanée

Un électron tend instinctivement à retourner vers son état fondamental en cédant de l’énergie.

La désexcitation spontanée se traduit par l'émission d'un photon. En effet un électron tend à

migrer vers une couche ayant la plus faible énergie potentielle toute en respectant la

configuration électronique. Et vue qu’il y a conservation de l’énergie, cette transition entre un

niveau haut (énergie Eh) et un niveau bas (Eb) se traduit par l'émission d'un photon d'énergie

hνhb, telle que :

hνhb = Eh − Eb =hc

hb ( 2- 19)

Où h est la constante de Planck ; νhb la fréquence ; et hb la longueur d'onde du photon émis.

Figure 10: Illustration du phénomène de désexcitation spontanée

Selon la mécanique quantique, il existe des "règles de sélection" pour la désexcitation. Ces

règles indiquent si la transition spontanée est permise ou interdite entre deux niveaux.

L’autorisation dépend du spin de la particule.

Si la transition entre un état excité et l'état fondamental est permise on dit qu’on a

transition de résonance. L'état excité de la transition était alors un état ou niveau « résonnant ».

La désexcitation se fait au bout d’environ 10-8 seconde, provoquant l’effet fluorescente.

Si l’état ne possède pas de transition de désexcitation permise, il s'agit d'un état ou

niveau « métastable ». Sa durée de vie naturelle est alors nettement plus longue que la durée

de vie naturelle des autres états excités. La désexcitation ne se fait qu’après des minutes ou

même des heures, provoquant l’effet phosphorescente.


39

III.1.2. L’émission stimulée

Une particule lourde ayant des électrons excités peut revenir sur une couche plus interne par

absorption d’un photon. Cette désexcitation engendre deux photons identiques au photon

absorbé.

Selon Einstein « Pour une transition donnée la probabilité d’émission stimulée est égale à la

probabilité d’absorption »

Figure 11: Illustration du phénomène désexcitation stimulée

Il est à noter que l’apport ou le cède d’énergie peut être manifester sous forme d’énergie de

photon, d’énergie cinétique ou d’énergie thermique.

III.1.3. Rayonnement de freinage

Un électron passant au voisinage d'un atome ou d'un ion peut perdre une partie de son énergie

cinétique (freiné). L’énergie cinétique se transforme en photon. C'est une transition d'énergie

entre deux états non quantifiés et le photon peut a priori avoir n'importe quelle énergie

inférieure à l'énergie initiale de l'électron. Dans les plasmas thermiques, ce processus n'est pas

prédominant et conduit en général à l'émission de photons de faible énergie, l’infra-rouge.

III.1.4. Recombinaison radiative

Ce processus correspond à une transition libre-lié donc à l'émission d'un continuum. C’est en

général le mécanisme prédominant dans l'émission totale du continuum atomique malgré le fait

qu’il ne soit pas dominant par rapport à l'ensemble du rayonnement.

𝑒− +𝑋+ → 𝑋 + ℎ𝑣


40

III.2. Emission des rayonnements

III.2.1. Loi de Kirchhoff

Selon la loi de Kirchhoff, le coefficient d ’émission 𝜀𝜈est la puissance émise par unité d ’angle

solide, par unité de volume et de fréquence ν.

𝜀𝜈 =ℎ𝜈

4𝜋𝐴ℎ𝑏𝑁ℎ ( 2- 20)

Où h : constante de Planck ; Ahb : probabilité d’émission spontanée, qui est répertoriée dans la

littérature ; Nh : densité atomique excité dans le niveau haut.

Une étude effectue par Hali A permis d’obtenir la figure 12. Il a constaté que le rayonnement

augmente avec la quantité de cuivre dans le plasma vu que selon la structure électronique du

cuivre, il possède un potentiel d’ionisation plus faible par rapport à celui de l’azote ou de

l’oxygène. En effet cette particularité a deux conséquences : accroissement du rayonnement de

recombinaison et de freinage ; des états excités de faible énergies donc augmentation de leurs

populations d’après la loi de Boltzmann d’où une plus forte émission des raies. [17]

Figure 12: Coefficient d'émission nette total pour un plasma Air-Cu [4]

III.2.2. Intensité lumineuse

Chaque photon, constituant la lumière peut transporter une petite quantité d’énergie. Le débit

d’énergie qui en résulte à chaque instant, par unité de temps, et émis dans toutes les directions

de l’espace, est appelé flux énergétique ou encore puissance de rayonnement à l’instant

considéré. Il s’exprime en W/m2. [3]


41

Selon la loi de Stephan, le flux total d’énergie rayonnée par un corps noir sur toute une

fréquence est proportionnel à la température T du corps.

𝐸𝜈 = ∫ 𝜋𝐵𝜈

0𝑑𝜈 = 𝜎𝑇4 ( 2- 21)

Avec 𝜎 = 5,67. 10−8𝑊𝑚−2𝐾−4 est la constante de Stephan, Bv la luminance du corps noir.

Selon la loi de Lambert, la luminance est la puissance rayonnée ou l’intensité lumineuse tel

que

E = πL ( 2- 22)

Où E est l’émittance d’un corps et L la luminance

Une surface ou une source de chaleur obéit à cette loi quand elle présente une émission diffuse

ou isotrope, c’est-à-dire si la luminance est constante et indépendante de la direction. En effet,

la luminance est une grandeur directionnelle. Elle est considérée comme étant la grandeur de

base du rayonnement thermique puisqu’elle intervenant dans l’équation du transfert radiatif.

III.2.3. Equation de transfert

A l’équilibre thermodynamique une relation entre le rayonnement𝐵𝜈 d’un corps noir (parfait

absorbant et parfait émetteur), le coefficient d’émission ε et le coefficient d’absorption K d’un

corps a une fréquence ν existe.

𝜀𝜈

𝐾𝜈= 𝐵𝜈 ( 2- 23)

La loi de Kirchhoff peut s'applique dans des conditions moins restrictives que l'équilibre

thermodynamique total. Elle est valable dans des conditions d'ETL, et est utiliser pour les

plasmas thermiques en tenant compte de l'émission induite. Pour cela on remplace le coefficient

d’absorption K par K' donné par

𝐾𝑣′ =𝐾𝑣 (1 − 𝑒

−ℎ𝑣𝑘𝑇⁄ ) ( 2- 24)

Dans une direction r et en supposant que le milieu est non diffusif, l’équation s'écrit

𝑑𝐿𝑣

𝑑𝑟=𝐾𝑣

′ 𝐵𝑣 −𝐾𝑣′ 𝐿𝑣 ( 2- 25)

La signification de cette équation est simple : dans une direction donnée et sur une distance dr,

la luminance (rappelons qu'il s'agit de la puissance rayonnée) est augmentée par le rayonnement

émis par le milieu sur la distance dr, et diminuée de la part du rayonnement incident qui est

absorbée dans dr, et qui est proportionnelle à la luminance incidente L. En dépit de la simplicité

d'écriture de cette équation, le calcul complet du transfert radiatif sur tout le spectre est en

général irréalisable, et des hypothèses simplificatrices doivent être proposées.


42

III.2.4. Micro réversibilité

Le phénomène d’absorption a lieu lors de l’excitation d’une particule par bombardement

d’énergie de photon. L’énergie est absorbée par l’électron et l’aide à immigrer vers un état plus

externe.

Figure 13: Illustration du phénomène d'excitation par absorption de photon

La micro réversibilité est un phénomène dans laquelle chaque processus microscopique est

exactement contrebalancé par le processus inverse en ET.

Un plasma d’arc est dit optiquement mince si un rayonnement est réabsorbé partielle à certaines

longueurs d’onde. Alors, une grande part du rayonnement s’échappe. Dans cette condition la

loi de Planck n’est pas valable.

Dans l’air, tout le rayonnement émis à une longueur d’onde inférieure à 200 nm est absorbé

dès les premiers microns, en raison de la photodissociation et de la photo ionisation dues

principalement aux molécules d’oxygène.

III.3. Transfert thermique de l’arc

Pendant la phase de décharge électrique, l’énergie peut être transférée au milieu environnant

par rayonnement, par conduction et par convection. Des réactions chimiques peuvent

également être initiées par l’arc. [28]

Dans cette étude, le transfert par convection est négligé du fait que l’arc est libre. Les grandeurs

les plus intéressantes qui traduisent les échanges énergétiques sont l’enthalpie (ou sa dérivée

en fonction du temps, la chaleur spécifique à pression constante) et le rayonnement thermique.

La première rend compte du stockage de l’énergie dans le plasma et la deuxième est la grandeur

clé dans le transfert thermique.

Ces deux grandeurs sont liées et évoluent en fonction de la température. En effet, la diffusion

des particules joue particulièrement un rôle capital dans le transfert d’énergie de réaction. Or

dans un décharge électrique les gradients de concentration sont la conséquence des gradients

de température. Donc la diffusion et la conduction thermique sont des paramètres reliés.


43

Le gradient est une force d’entrainement engendrant des flux qui sont à l’origine des

phénomènes de transport. Dans un arc libre, il existe des gradients de température, de tension,

de concentration (de densité et de quantité de mouvement). On y rencontre généralement un

flux de particules et un flux d’énergie qui sont tous les deux des effets directs dans un

phénomène d’arc électrique.

Les flux sont proportionnels au gradient. Les facteurs de proportionnalité correspondent au

coefficient de transport qui sont la diffusion, la viscosité, la conduction électrique, et la

conduction thermique. A l’équilibre thermodynamique, ces coefficients peuvent être calculer

sur une seule température.

FLUX COEFFICIENT

Flux de particules

Loi de Fick :

−𝐷𝑔𝑟𝑎𝑑𝑛

Avec n la densité de particule

Diffusion ordinaire

𝐷 =2

3𝜎0𝑃√

(𝑘𝑇)

𝜋𝑚

Flux de quantité de

mouvement suivant x

Quantité de mouvement

homogène aux forces de friction :

−𝜂𝑑𝑣𝑥

𝑑𝑧

Avec 𝑣𝑥 la vitesse suivant x

Viscosité

𝜂 =2

3√𝜋

√𝑚𝑘𝑇

𝜎𝑜

Flux de densité de

courant

Loi de Fourrier :

−𝜎𝑔𝑟𝑎𝑑𝑈

Avec U la tension

Conductivité électrique

𝜎 =𝑒2𝑛𝑒

√2𝑚𝑒𝜋𝑇 × 𝑛𝑎𝜎𝑒𝑛

Flux de chaleur

Loi d’Ohm :

−𝐾𝑔𝑟𝑎𝑑𝑇

Avec T la température

Conductivité thermique

𝐾 =2

3

𝐶𝑣

𝜎𝑜

√𝑘𝑇

𝜋𝑚

Avec k :constant de Boltzmann, m : masse , me : masse d’un électron, 𝜎𝑜 : , ne : nombre

d’électron, na : nombre.


44

Chapitre 3.

ETUDES

EXPERIMENTALES ET

RESULTATS


45

Selon les littératures mentionnées dans le premier chapitre, il est possible de décontaminer

l’eau via une température et/ou du rayonnement. Nous allons alors exploiter celle engendré par

les phénomènes d’un arc électrique. L’eau est placée dans un récipient afin de l’isoler de la

contamination par contact et détérioration des électrodes. L’expérimentation est réalisée dans

un chambre clos.

I. Dispositifs expérimentales

I.1. Mécanisme du support physique

La disposition est établie de telle sorte que les électrodes soient modifiables. Nous avons

comme électrode, des tiges de cuivre et d’aluminium. Le choix de la géométrie est fait afin

d’uniformiser la diffusion de l’irradiation. Celui du type de métal a été faite car elles présentent

une rayonnement thermique intéressante [29].

Les électrodes sont fixées sur un support supérieur mobile et un support inferieur immobile

afin de garder la distance inter-électrode. Cela permet aussi de faire des essais avec divers

longueurs d’arc.

L’ossature de l’installation est réalisée généralement en bois. Cependant les supports sont

assurés par des contre-serrages en acier et le mouvement de l’électrode supérieur est assuré par

des écrous ainsi qu’une tige filetée reliée à un moteur.

Pour mouvoir la tige filetée, on a choisi d’utiliser un moteur pas à pas bipolaire 4 fils. Ce type

de moteur offre plus de précision dans ses mouvements. Celle que nous avons choisi est

caractériser par 18 degré d’angle de pas et 5V/1A d’alimentation.


46

Photo 5 : Support du dispositif (unité en cm)

I.2.1. Fonctionnement du moteur pas à pas bipolaire

Le moteur pas à pas est un moteur qui tourne en fonction des impulsions électriques reçues

dans ses bobinages. L'angle de rotation minimal entre deux modifications des impulsions

électriques s'appelle un pas. Les impulsions électriques sont du type tout ou rien. Les tensions

d'utilisation des moteurs sont de 3,3V à 48V continues. La consommation est de 0,2 A à 1,5 A.

Vue en 3D

Vue de face Vue de profil


47

Un moteur pas à pas est caractériser par son angle de pas et sa vitesse angulaire.

L’angle de pas est déterminé par la formule : θ = 360 𝑁𝑝. Le nombre de pas par tour est

désignée par 𝑁𝑝

La vitesse angulaire s’obtient en fessant le rapport entre la fréquence et le nombre de pas.

𝑛 = 𝑓 /𝑁𝑝

Un moteur pas à pas bipolaire possède quatre fils d’alimentation pour piloter des bobines par

paire. Les bobines sont reliées deux à deux en série et sont pilotés ensembles. Il n’y a donc

finalement que deux enroulements à commander puisque deux bobines montées en série n’en

font plus qu’une. Les bobinages d'un moteur bipolaire sont alimentés une fois dans un sens,

une fois dans l'autre sens. Ils créent une fois un pôle nord puis une fois un pôle sud d'où le nom

de bipolaire.

Figure 14 : Constitution d’un moteur unipolaire

I.2.2. Commande

Le moteur utilisée est commandé à travers un circuit intégré L293D qui permet de régler sa

rotation (sens et degré) donc notre distance inter-électrode.

Pour alléger le système, on a déployé une carte arduino UNO. C’est est un microcontrôleur

programmable composée de circuit embarquer.

Photo 6 : Eléments de la carte arduino


48

Figure 15 : Câblage entre L293D et Arduino UNO

I.2. Génération de l’arc électrique

I.2.3. Transformateur THT

L’arc est généré par un transformateur THT, typique de celle utiliser dans les téléviseurs à tube

cathodique.

Photo 7: Transformateur THT

Par abus de langage, Nous parlons de transformateur THT mais en réalité il s’agit d’un

transformateur Fly back. Son transfert de puissance se fait en deux temps : stockage de l'énergie

dans l’enroulement primaire puis restitution au secondaire.

Son principe est la suivante, on laisse circuler un courant continu dans le primaire du

transformateur, il y a accumulation de courant dans l’enroulement L1. Ensuite nous

interrompons périodiquement son alimentation. Il y a alors variation de flux magnétique

engendrant une transfert d’énergie vers le deuxième enroulement L2.


49

Figure 16 : Principe d'un Fly Back

L’interrupteur peut être manuel, c’est-à-dire actionné par nos soins, ou être électronique, par

l’intermédiaire d’un thyristor ou transistor, etc.

Des enroulements extérieurs autour de la barre en ferrite sont réalisés en guise d’enroulement

primaire pour mieux adapter le fonctionnement du transformateur au réalisation (la fréquence

de l’oscillateur ZVS). Le nombre d’enroulement doit être équitable pour assurer une excitation

de part et d’autre ; être de même sens pour éviter l’annulation mutuelle ainsi que

l’échauffement de l’interrupteur ; et être fait avec un fil isolé à haute intensité. Le début de la

deuxième bobine est à relier avec la fin de la première bobine.

Photo 8 : Enroulement primaire [29]


50

I.2.1. Oscillateur ZVS (Zero Volt Switching)

Un THT est alimenter par un courant DC, or pour produire un flux magnétique variable il faut

une alimentation variable et périodique. Du cou, un oscillateur est nécessaire en aval du THT.

Afin de minimiser les perturbations, il est préférable d’avoir une oscillation de haute fréquence.

Ce rôle aurait pu être assurer par des commutateurs électroniques de haute fréquence

commandé par des signaux analogiques. Cependant on a opté pour un oscillateur ZVS du fait

de son rendu plus performant et de rendement optimisé.

La fréquence d’oscillation est déterminée via la formule ci-dessous.

𝑓 =1

2𝜋√𝐿𝑝𝐶1

Figure 17 : Circuit d'un oscillateur ZVS pour commander un Flyback

En effet, une modulation de signal PWM classique utilise une fréquence fixe, mais fait varier

le rapport cyclique pour l'exécution de la régulation. En revanche, la technologie ZVS fait

varier la fréquence de conversion (qui en retour modifie le délai d'activation) afin de maintenir

la tension de sortie.


51

Figure 18 : Comparaison entre impulsion PWM et celle d'un ZVS [30]

I.2.2. Alimentation

I.3. Mesure électrique

Afin de caractériser la colonne d’arc des mesures de courant et de température sont à réaliser.

Le transformateur THT possède un rapport cyclique égal à 1000. La tension peut alors être

estimée en fonction de l’alimentation.

De plus, selon Vacquié S « la puissance transmise aux électrodes peut être considérer égale au

produit de l’intensité par la chute de tension totale aux électrodes si les matériaux des deux

contacts sont les mêmes » [31]. Quelques études expérimentales non loin de la réalité confirmer

cette affirmation [32] [33] [34]. On peut alors dire que connaitre le courant de l’arc nous permet

de savoir approximativement les caractéristiques électriques de l’arc.

I.3.1. Mesure du courant

La mesure du courant tout le long du circuit est assurer par une pince ampérométrique. Elle

permet de connaitre sans contacte directe avec le conducteur la valeur du courant qui y circule.

Photo 9 : Pince Ampérométrique

La précision des valeurs acquis est abordable et permet de faire une approche des phénomènes

qui règnent dans le procédé


52

I.3.2. Mesure de la température

Pour la mesure de la température, on a utilisé une caméra thermique Thermal Imager Ti450.

Elle permet d’identifier la température des électrodes ainsi que celle du milieu environnent

.

Figure 19: Fluke Ti450

Elle affiche des images thermiques sur un écran tactile LCD haute visibilité de qualité

industrielle et peut enregistrer des images. Ses résultats sont alors exploitables.

Le logiciel SmartView est fourni avec la caméra. C’est une suite logicielle professionnelle

haute performance qui offre des fonctions d´analyse de qualité et de création de rapports.

II. Démarche opératoire

Nous avons pour but d’avoir une décharge d’arc lumineux et de basse température (inférieur à

1000°K). Nous pourrions alors tirer profit de la radiation pour un décontamination d’eau sans

contact et sans détérioration de paroi toute en limitant la consommation du dispositif. Selon la

littérature, l’arc pulsée a forte énergie est optimal pour de la dépollution. Avant adoption du

mode opératoire définitif plusieurs expérimentations ont été réaliser.

II.1. Choix du mode de génération d’arc

Nous avons eu deux options de déclenchement d’arc : par contact ou par surtension.

Nous avons d’abord opté pour un arc amorcer par contact et généré via un transformateur de

micro-onde 2000V.

Cette idée fut délaissée du fait qu’il engageait une assez faible tension d’arc, donc un courant

assez élever pour une longueur d’arc pertinent (6A pour 0.2cm). Du coup, nous avons opté

pour l’amorçage par surtension.


53

Figure 20 : Schéma de principe de génération d'arc via un transformateur 220V -2000V

Nous avons envisagé de générer un arc impulsionnel afin de limiter la consommation du

procédé. En effet comme l’illustre la figure ci-dessous, pour une même énergie on peut engager

différente puissance en jouant avec le temps. Cependant, pour cela il faut d’abord emmagasiner

l’énergie avant restitution.

Figure 21: Principe de la production de puissance pulsée [4]

De ce fait, nous avons choisi de générer l’arc via la décharge d’un condensateur. De plus, cela

permettra une alimentation en tension lissée participant à la stabilisation de l’arc. Le cycle de

charge et de décharge allant de l’ordre de milliseconde, l’exploitation du phénomène est

assurée par deux transistors (T1 et T2) qui sont commander par deux signale PWM identique

mais complémentaire.

Figure 22 : Schéma de principe de la génération d'arc par décharge de condensateur


54

Cependant, nous avons eu des difficultés lors de la réalisation du système côté condensateur.

Les condensateurs disponibles ont été à haute tension mais de faible capacité, 7uF/16kV, et

vice versa, 180uF/400V. La première aurait pu être exploitée, vue qu’elle offre une énergie au

environ de 896J, cependant le dispositif expérimental n’aurait pas supporté cette haute tension

et la manipulation aurait été délicate. La seconde offre trop peu d’énergie, 14.4J. Du coup nous

avons opté pour une génération d’arc par l’intermédiaire d’un transformateur Flyback.

II.2. Expérimentation de différente alimentation

L’installation est composée de 3 grande partis reliées entre elles : l’alimentation, l’oscillateur

et l’éclateur d’arc. Afin de faire plusieurs constatations, différente paramètre ont été varier.

II.3.1. Utilisation d’alimentation 89W

L’alimentation au primaire du transformateur est assurée par un chargeur d’ordinateur

19V/4.7A. Les caractéristiques des éléments de l’oscillateur ZVS sont comme celle de la

simulation présenter sur la figure ci-dessous. Nous avons une fréquence d’environ 26.24kHz.

Figure 23: Montage du ZVS de l'expérimentation

Un arc électrique s’est établit cependant elle est très fine et de moindre luminosité. Le

dégagement de température est insignifiant. Elle est de couleur violette, le plasma n’est alors

composé majoritairement que de particule d’oxygène, la température de fusion ou même

d’échauffement des électrodes n’est pas atteinte. Il y a absence de thermo-émission.


55

Cela n’était pas intéressante, et fut délaisser.

II.3.2. Utilisation d’une alimentation à découpage industriel 144W

Nous avons utilisé le même oscillateur que précèdent. L’alimentation utilisée débite à peu près

18V/8A. Un arc plus intense que précédente et de couleur blanc bleutée a lieu.

Seulement, le Fly Back est en fonctionnement discontinue. Le courant dans l’inductance

primaire, donc le flux magnétique dans le transformateur, s’annule avant l’achèvement d’un

période.

Photo 10 : Arc électrique obtenue avec l’alimentation 144W

Son rayonnement est faible. Nous avons alors mis un condensateur en parallèle avec

l’inductance secondaire du transformateur pour réaliser un phénomène de « résonance » et

avoir ainsi un rayonnement plus accru.

Photo 11: Arc électrique obtenue avec phénomène de résonnance

La luminescence est satisfaisante, néanmoins la longueur de l’arc ne peut dépasser 4mm. Le

processus de son exploitation allait alors prendre beaucoup de temps. De plus, on projette

d’étudier le rayonnement de l’arc via sa rayonnement thermique or celle-ci ne présente aucune

élévation de température. La quantité de chaleur dégager ne dépasse pas le 20C.

Apres analyse, nous constatons que tous ces inconvénients sont dû au fait que le boitier

d’alimentation a découpage est dotée d’un limiteur de court-circuit. Nous avons alors délaissé

ce procédé et tenter un autre type d’alimentation.


56

II.3.3. Utilisation d’un transformateur 220V/12V comme alimentation

Le transformateur possède une puissance d’environ 96W. Afin d’obtenir une alimentation en

courant continu, un pont de diode et un condensateur de redressement est brancher en aval de

l’oscillateur. L’installation électrique est schématisée dans la figure 24.

Figure 24 : Vue d'ensemble du montage

Pour éviter l’échauffement du transformateur ainsi que la consommation excessive d’énergie,

nous avons généré de l’arc impulsionnel. La commande est faite à partir d’un relais actionnant

l’alimentation.

Après plusieurs expérimentations, afin d’assurer un fonctionnement continu du Fly back, on

utilise un condensateur C1 égal à 2.2uF dans l’oscillateur. Nous avons alors une fréquence

d’environ 14.58kHz. Le résultat fut satisfaisant et peu importe la consigne de durée d’impulsion

de l’arc la génération reste continue. Nous avons pu obtenir un arc de température raisonnable,

rayonnant et dont la longueur peut atteindre jusqu’à 2 cm.

Nous en avons conclu que la période du précédent oscillateur est trop étroite pour notre THT.

Pour un fonctionnement optimal du transformateur flyback, il fallait que le système soit en

résonnance. Autrement dit L1C1 doit être égal à L2C2. Avec L1 l’enroulement primaire, C1 le

condensateur de l’oscillateur, L2 l’enroulement primaire et C2 le condensateur interne du

transformateur.

A la suite de cette constatation, nous avons refait l’expérience avec la première alimentation

89W. Un bon résultat est aussi obtenu. Au première abord, un arc assez similaire à celle obtenu

par la dernière expérimentation est observer. Toutefois après comparaison de la radiation

thermique, nous trouvons qu’elle est plus faible. Du coup, nous nous sommes fixons sur ce

dispositif utilisant 96W.


57

II.3. Dispositif pour l’application aux désinfections

Etant donné que la grandeur à exploiter est le rayonnement, nous avons eu recourt à une cage

en miroir et des papier aluminium afin de minimiser les pertes de diffusion. La cage forme un

cube de 8cm d’arrête. Dans les zones de manutention, où fixer un miroir poserait problème,

nous avons placé des papiers aluminium pour assurer la réflexion de la lumière et de la chaleur.

L’eau est placée dans un récipient en verre transparente de 0.2 cm d’épaisseur, situé à 1 cm de

l’arc. Le récipient a pour dimension extérieur 9 × 4.4 × 2.8 cm. En dessous de cette distance,

une partie du verre devient noir après quelque minute d’exposition créant un obstacle au

transfert du rayonnement. Un récipient en verre et non en plastique (contrairement au SODIS)

est choisi pour éviter un éventuel formation de photo-produit mais aussi par crainte que le

récipient fond au fil du temps.

Figure 25 : Disposition du récipient d’eau à désinfecter

II.4. Méthode utilisée pour tester la désinfection de l’eau

Le traitement de l’eau se fait par absorption du rayonnement de l’arc par l’eau. L’eau

considérée est une eau de puit clarifié. Après traitement, elle est prélever dans un flacon pré-

stériliser.

Nous avons choisi de faire le test relativement aux coliforme fécaux (Escherichia Coli) et

coliforme totaux vue que ce sont des agents banal responsable de la non potabilité d’une eau.

Mais aussi, ces bactéries sont des principaux agents provoquant la diarrhée mais sont éliminer

par les rayons solaires à une certaine temps d’exposition.

Des analyses microbiennes en amont et en aval du traitement ont était réaliser au sein du

département microbiologique de la Jirama Mandroseza. Cela permet d’effectuer une

comparaison avant et après de la population bactérienne contenu dans l’eau et ainsi constater

l’efficacité du procédé.

Durant l’analyse, l’eau n’a reçu aucun autre traitement à part la clarification naturelle destiner

à retenir les éventuelles floques épaisse. Après cela, nous procédons à une filtration


58

membranaire avec des filtre témoins. Ces filtres sont ensuite introduits dans des boites de pétrie

contenant chacun des nutriments favorables à la survie des microbes à déterminées. Puis les

boites sont placées dans des milieux favorables à la multiplication des bactéries qu’ils

contiennent. Au bout de leur temps d’incubation respective un dénombrement est entrepris.

Photo 12: Méthode d’analyse par filtration membranaire

III. Résultats et discussion

Les caractéristiques et comportements du colonne d’arc sont changeant vis-à-vis du type et

distance des électrodes. Nous avons fait les expériences avec des divers amés de fils conducteur

comme électrodes. En effet, à part le fait que le cuivre et l’aluminium présente des

rayonnements intéressants, ils sont facilement accessibles.

Selon des expériences menées par des chercheur, la distance inter-électrode efficace pour

éliminer l’E.coli par impulsion d’arc dans l’eau est de 0.5mm. Dans notre cas, une petite

distance inclue plus de temps d’exposition, donc plus de consommation d’énergie. C’est

pourquoi, outre les études suivant type et dimension d’électrode, nous avons effectué différents

essais avec divers éloignements entre électrode.

L’alimentation étant levée à 15kV, vue que la tension disruptive de l’air est égale à 30kV/cm,

on peut amorcer l’arc à partir de 0.5cm de distance. Avec l’alimentation choisi ultérieurement,

l’arc ne s’éclate plus à partir d’une distance inter-électrode plus de 2 cm. Du coup nous avons

gardé cette distance comme longueur d’arc maximum.

N’ayant pas recours à la spectroscopie, on procède en se basant sur la projection thermique de

l’arc. L’émissivité est alors constatée par calcul inverse. Plusieurs photos thermiques sont

prises 10 secondes après éclatement de l’arc.


59

III.1. Résultats des essais selon la dimension des électrodes et la longueur de l’arc

Les résultats obtenus par la caméra thermique Fluke sont présentés sur les figures qui suit.

Durant les expérimentations, nous avons pu constater que l’arc générer peut bruler un papier

et peut même faire fondre de l’étain. Donc l’arc possède une température élevée d’au moins

234°C. Or cette température n’est pas visible dans la caméra thermique. Ceci est due au fait

que l’arc soit à haute fréquence, qu’il ne soit pas parfaitement stable mais surtout au différence

de l’ordre des températures.

Toutefois à l’aide d’un papier aluminium de 6×10cm de dimension placé en arrière-plan, les

radiations thermiques émient par l’arc sont perçu. Le papier n’étant pas exactement lisse, le

courbe de température est un peu cabossé néanmoins son allure est conservée.

III.1.1. Eclatement d’arc avec deux tige de cuivre de 1.5mm2 de diametre

Nous avons d’abord essayé d’éclater un arc entre deux tige de 1.5 mm2 de diamètre. Une

érosion rapide de l’ordre de 0.3 mm/s est observée. Il y a expulsion de gouttelette de métal. A

l’extinction de l’arc, il dépôt d’une masse de cuivre fondu au niveau de l’anode.

Nous pouvons en déduire que la température de fusion du cuivre (1 084,62 °C) est atteinte au

niveau du foyer de l’arc. Ce dimension d’électrode ne supporte pas l’énergie transporter par

l’arc.

(a) ( b)

Photo 13: (a) Image réel de l’arc électrique entre deux tiges de cuivre 1.5mm2 de diamètre et

(b) Etat de l’anode après éclatement de l’arc

Tableau IV: Consommation de l'arc entre deux tiges cuivre 1.5mm2 de diamètre

Distance inter-électrode [ cm ] 0.5 1 1.5 2

Courant consommée [A] 4.8 5.5 5.8 6


60

Nous l’avons alors délaissé et sommes passé à une éclatement d’arc entre une tige de cuivre de

1.5 cm2 de diamètre et une tige de 2.5mm2 de diamètre.

III.1.2. Eclatement d’arc avec deux tige de cuivre de 1.5mm2 et de 2.5mm2 de diametre

Figure 26 : Image sous IR de l'arc entre tige de cuivre 1.5mm2 et 2.5mm2 sur différents

écarte

Tableau V: Consommation électrique et rayonnement moyenne de l'arc entre deux tiges cuivre

1.5mm2 et 2.5mm2 de diamètre

Distance inter-électrode [ cm ] 0.5 1 2

Courant consommée [A] 5.7 6 6.2

Température moyenne [°C] 28.1 30.1 30.1

-2 -1 0 1 2

Eloignement vis-à-vis de l’arc [cm]


61

En observant la radiation sous caméra infrarouge, nous constatons que l’échauffement de

l’électrode croix en fonction de l’appel de courant. Ceci est dû principalement par l’effet joule

et les bombardements électroniques qui cèdent de l’énergie cinétique à la surface de contacte.

Comme nous pouvons voir sur la courbe représenter en 3D, la partie central est le plus élevée,

environ 90°C. Il s’agit de la température de l’électrode vue que le capture est réalisée

frontalement. Par conduction, la chaleur se propage sur presque toute la totalité du tige d’anode.

Qui lui aussi vas émettre une radiation thermique. Lors de l’éclatement à 0.5cm d’écart, cette

température se met en relief.

Certes selon les image IR pour l’arc de 1cm et 2cm la température moyenne est la même,

cependant en observant l’arc dans la réalité, nous apercevons une augmentation de la

luminosité. De plus, la chaleur transmis accroit.

Photo 2: Image réel de l'arc entre tige de cuivre 1.5mm2 et 2.5mm2

Selon les mesures de rayonnement moyenne et d’appel de courant, on peut déduire que plus la

distance inter-électrode est grand, plus il y a d’appel de courant, plus le rayonnement augmente.

III.1.3. Eclatement d’arc avec deux tige de cuivre de 1.5mm2 et 4mm2 de diametre

Afin de procéder à une comparaison selon le diamètre de l’anode, nous avons procédé à

l’éclatement d’un arc avec un plus épais que précèdent, 4 mm2. Le cathode 1.5mm2 a été

maintenu car selon la littérature, la combinaison pointe-plan présente le plus de rayonnement.

D’une part, l’anode s’échauffe moins que durant l’expérience précédente. En effet, la résistance

électrique de la tige de cuivre diminue et l’effet joule avec.

D’une autre part, l’appel de courant a diminué et la quantité de chaleur dégagée est moindre.

De plus une forte dissipation concentrique de la température apparait sur le support de la

cathode à partir d’un distance inter-électrode égal à 1cm. Au-delà de cette écart, il atteint 90°C.


62

Après extinction il y a noircissement (charbon) du parti de bois en contact avec l’électrode,

cette section a alors atteint 150°C. En effet, le fil conducteur utilisé pour l’alimentation des

électrodes, branché au cathode est de 2.5mm2. Du cou la densité électronique passant dans la

tige de 1.5mm2 (cathode) augmente. Sa résistance étant la plus élevée parmi les alliages

présents, il s’échauffe plus. Plus il y a appel de courant (longueur de l’arc), plus sa température

accroît pour finalement transmettre la chaleur au support par conduction.


Tableau VI: Consommation de l'arc entre deux tiges cuivre 1.5mm2 et 4mm2 de diamètre


Courant consommée [A] 5 5.6 5.8


-2 -1 0 1 2



63

III.1.4. Eclatement d’arc avec deux tige de cuivre de 2,5mm2 et 4mm2 de diametre

Dans le but d’abaisser la résistance à la cathode, on a procédé à un autre essai utilisant comme

cathode une tige de cuivre 2,5. Nous avons conservé l’effet de point en taillant l’extrémité de

la tige. Un récipient en verre est placé sur un des côtés de rayonnement.


Tableau VII: consommation de l'arc entre deux tiges cuivre 2.5mm2 et 4mm2 de diamètre


Courant consommée [A] 5.3 5.4 5.2


La partie gauche de la courbe est réalisée pour observer le rayonnement sans obstacle tandis

que celle de la droite reflète l’effet d’un obstacle de verre.

Une petite partie du papier aluminium s’est plier quasi-parallèlement au récipient. Cette partie

n’est pas compris dans la zone d’ombre du verre et se situe à 3cm de l’arc. D’après l’image IR,

elle reflète une température de 70°C. En outre, la portion du récipient directement exposer à

l’arc admet une température de 56°C à 1 cm d’éloignement. Tout ceci ainsi que le fait visionné

sur la courbe de température montrent que le récipient en verre bloque ou autrement dit, absorbe

complètement les rayonnements.

-2 -1 0 1 2



64

-2 -1 0 1 2


Malgré la présence du récipient qui absorbe de la chaleur, la diffusion du rayonnement à

augmenter par rapport aux essais antérieur. Toutefois, plus la distance inter-électrode accroit

plus de la température se propage le long des électrodes et moins il y a de rayonnement

thermique. En outre, nous avons observé que la couleur de l’arc varie en fonction de sa

longueur. Cela reflète les composant du plasma engendré.

A 0.5cm et 2 cm nous avons un reflet de couleur violette, donc le gaz plasmagène est

composé principalement par l’air. L’effet de champs est le principal acteur de

l’émission électronique au sein de l’arc.

A 1 cm nous avons un reflet de couleur jaune-orange. Il y a eu augmentation de

température, une thermo émission s’est ajoute au phénomène dans l’arc.

Afin de mieux interpréter les faits, on a réalisé un essai avec deux tige de cuivre 4mm2.

III.1.5. Eclatement d’arc avec deux tige de cuivre de 4mm2 de diametre

Un même phénomène que précèdent a lieu, le rayonnement maximal est à un 1cm de longueur

d’arc. Cependant le rayonnement s’est abaissé. La densité de courant à diminué.

Figure 29 : Image sous IR de l'arc entre deux tiges de cuivre 4mm2 sur différents écart


65

Tableau VIII: Consommation de l'arc entre deux tiges cuivre 4mm2 de diamètre


Courant consommée [A] 4.8 5.5 5.7

Rayonnement moyenne [°C] 29.3 30.1 29.4

III.2. Résultats des essais selon le type d’électrodes

Afin d’établir des études comparatives selon le type du matériau, nous avons réalisé des

expérimentations avec des tiges d’aluminium. Les rayonnements étant symétrique, nous

n’avons comparé que la moitié des courbes.

Cuivre 2.5mm2 - 2.5mm2

Aluminium 2.5mm2 – 2.5mm2

Figure 30 : Image sous IR de l'arc entre deux tiges de Cu 2.5 et deux tiges d’Al 2. 5

Cu 2.5mm2 – Cu 4mm2 Al 2.5mm2 - Cu 4mm2

Figure 31 : Image sous IR de l'arc entre des tiges Cu 2.5 – Cu 4 et Al 2.5 – Cu 4

0 1 2


0 1 2



66

Tableau IX : Comparaison de l’arc de Cu 2.5 - Cu 2.5 et celle de Al 2.5 – Al 2.5

Type d’électrode : Cuivre - Cuivre Combiné

Cu2.5 - Cu2.5 Cu2.5 – Cu4 Al2.5 - Al2.5 Al2.5 – Cu4

Consommation de

courant 5.3 A 5.4A 5.3 A 5.4A

Radiation thermique

Evolution progressive de la

température suivant

l’éloignement

Evolution brusque de la

température suivant l’éloignement

Etat de la cathode

Chauffage partiel

70°C en moyenne

Chauffage de la presque totalité de

la cathode

90°C en moyenne

Température

moyenne du milieu 30.3°C 31.5°C 30.4°C 29.9°C

III.3. Résultats des essais selon la durée d’enclenchement

Afin d’observer l’évolution du rayonnement selon le temps, des mesures réaliser tous les 10

secondes a été entrepris. La variation des valeurs est petite, néanmoins nous avons pu tirer

l’allure de l’évolution des densité et émissivité du milieu plasmagène émis.

Figure 32 : Evolution de la densité électronique selon le durée de l'éclatement

0.63

0.63

0.63

0.63

0.63

0.63

0.63

0 10 20 30

DEN

SITE

ELE

CTR

ON

IQU

E [C

M-3

]

DUREE D'ECLATEMENT [s]


67

Figure 33 : Evolution de l'émissivité selon le durée de l'éclatement

Tableau X: Mesure paramétrique de l’expérimentation d'arc selon le temps

Arc à 10 secondes d’éclatement

Température moyenne [℃] : 29,0

Densité de matière lourde [cm-3] : 3.499999916

Densité électronique [cm-3] : 0.631843933

Emissivité [J.cm-3.s-1.sr-1]:

4.47


Température moyenne [℃] : 29,9




4.47


Température moyenne [℃] : 30.1




4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

0 10 20 30

EMIS

SIV

ITE

[J.c

m-3

.s-1

.sr-

1]

DUREE D'ECLATEMENT [s]

-2 -1 0 1 2


-2 -1 0 1 2


-2 -1 0 1 2



68

Plus l’éclatement de l’arc dure, plus la température moyenne environnante, donc aussi celui

des électrodes, augmente. Selon le figure 34, nous constatons que l’émissivité s’accroit avec le

temps.

III.4. Estimation de l’émissivité par méthode inverse

III.2.1. Récapitulation

Figure 34 : Température moyenne de diffèrent couplage d'électrode

Selon ces expérimentations, la décharge entre une tige de cuivre de 2.5mm2 de diamètre et une

autre de 4mm2 de diamètre présente le plus de rayonnement. Ces valeurs sont obtenues à 10

seconde après amorçage. Selon des observations, plus le décharge dure, plus les électrodes

s’échauffe et plus il y a de bombardement par thermo-émission.

Le tige d’aluminium s’échauffe beaucoup plus rapidement que celui en cuivre. Toutefois, le

point de fusion du cuivre (1084,62℃) est supérieur à celle de l’aluminium (660,323℃). Alors

si nous devrions travailler sur un large délai d’impulsion, du point de vue détérioration des

électrodes, le cuivre est plus adapter.

Nous avons alors juger préférable de choisir comme électrode Cu2.5 – Cu4 pour l’application

en décontamination.

30.1

28

30.3

31.5

30.130.4

29.9

Cu1.5-Cu2.5 Cu1.5-Cu4 Cu2.5-Cu2.5 Cu2.5-Cu4 Cu4-Cu4 Al2.5-Al2.5 Al2.5-Cu4


69

Figure 35: Discrétisation du radiation thermique de l'arc entre Cu2.5 et Cu4

III.2.2. Determination de l’emissivité de l’arc par calcul inverse

La loi de Kirchhoff permet de déduire l’émissivité de l’arc produit en fonction du probabilité

d’émission spontanée 𝐴ℎ𝑏 déterminé à partir du « NIST data base » et du densité atomique

excité dans le niveau haut Nh.

𝜀𝜈 =ℎ𝜈

4𝜋𝐴ℎ𝑏𝑁ℎ

Nous sommes en présence d’étude en laboratoire donc en condition d’équilibre

thermodynamique local. La densité suit alors une distribution de Boltzmann.

Nh = ghexp (−Eℎ

kT)

Avec Nh la densité d’électron du niveau haut ; gh la dégénérescence ou point statique du niveau

haut déterminé à partir du « NIST data base » ; Eh l’énergie du niveau haut ; k la constante de

Boltzmann (1,38. 10-23 J/K) et T la température absolue

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Tem

per

atu

re [℃

]

Eloignement [cm]


70

Tableau XI : Estimation selon l'écartement vis à vis de l'arc E

cart

emen

t

[ cm

]

T [

°C]

T [

°K]

Den

sité

[cm

3]

Den

sité

part

icu

les

exci

té

[C/c

m3]

Den

sité

élec

tron

iqu

e

[C/c

m3]

Em

issi

vit

é

[J.c

m-3

.s-

1.s

r-1]

0 67 340 2.499999967 3.499999926 0.631843932 4.467941965

0.25 60 333 2.499999966 3.499999924 0.631843932 4.467941963

0.5 63 336 2.499999966 3.499999925 0.631843932 4.467941964

0.75 50 323 2.499999965 3.499999922 0.631843932 4.467941960

1 47 320 2.499999965 3.499999921 0.631843932 4.467941959

1.25 45 318 2.499999964 3.499999920 0.631843932 4.467941958

1.5 42 315 2.499999964 3.499999920 0.631843932 4.467941957

1.75 60 333 2.499999966 3.499999924 0.631843932 4.467941963

2 57 330 2.499999966 3.499999923 0.631843932 4.467941962

2.25 23.3 296.3 2.499999962 3.499999915 0.631843933 4.467941951

2.5 23.25 296.25 2.499999962 3.499999915 0.631843933 4.467941951

2.75 23.2 296.2 2.499999962 3.499999915 0.631843933 4.467941951

Figure 36 : Densité de particule excité estimé pour l'arc de Cu2.5mm2 – Cu4mm2

3.50

3.50

3.50

3.50

3.50

3.50

3.50

3.50

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Den

site

de

par

ticu

le e

xcit

e [C

/cm

-3]

Eloignement [cm]


71

Figure 37: Densité électronique estimé pour l'arc de Cu2.5mm2 – Cu4mm2

Figure 38: Emissivité estimé pour l'arc de Cu2.5mm2 – Cu4mm2

Ce résultat montre que pour une durée d’arc de 10 secondes, une émission radiatif d’environ

4,47 J. cm-3 est présent.

Or comme nous l’avons constaté précédemment, l’échauffement des électrodes évolue avec le

temps jusqu’à atteinte de la température de fusion (érosion par expulsion de gouttelette de

métal) et l’émissivité avec. Donc pour la transmission d’une certaine quantité d’énergie dans

un certain milieu, un duré d’exposition est requis.

En prenant compte les contraintes du transfert d’énergie verre l’eau à traiter (caractéristique et

épaisseur du verre, épaisseur et dimension du contenu, réflexion des rayonnements sur la

0.63

0.63

0.63

0.63

0.63

0.63

0.63

0.63

0.63

0.63

0.63

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Den

site

ele

ctro

niq

ue

[C/c

m3

]

Eloignement [cm]

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Emis

sivi

te [

J.cm

-3.s

-1.s

r-1

]

Ecartement [cm]


72

surface du récipient) une exposition de quinzaine de minute est prise pour un objectif de 10J/m3

transférer dans l’eau (condition de potabilité française).

III.2.3. Evaluation du champ électrique émise

La présence d’électron dans un milieu induit la présence d’un champ électrique definitt par :

�⃗� = 1

4𝜋𝜀𝑄

𝑟2

Où E est le champ électrique, 𝜀 (𝜀0 × 𝜀𝑟) permittivité relative, Q la somme des charges

électrique et r la distance.

Tableau XII : Discrétisation du champ électrique induit dans le milieu

Distance [cm] Champ électrique [kV/m]

0 946.42966

0.25 151.42875

0.5 37.857186

0.75 16.825416

1 9.4642966

1.25 6.0571498

1.5 4.206354

1.75 3.0903826

2 2.3660741

2.25 1.8694907

2.5 1.5142875

2.75 1.2514772

Figure 39 : Allure du répartition de champ électrique selon l'éloignement de l'arc

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Ch

amp

ele

ctri

qu

e [1

03

kV/m

]

Eloignement [cm]


73

III.5. Résultats de l’analyse microbienne

Nous avons généré un arc impulsionnel entre deux tiges Cu 2.5 mm2, chaque impulsion dure

1 minute et le procédée dure 15 minute pour 50ml d’eau. Après traitement, l’eau est portée à

une température de 40°C.

Tableau XIII : Résultats de l'analyse physique de l'eau avant et après traitement

Caractéristique physique Avant traitement Apres traitement

pH 6.32 6.78

Turbidité [NFU] 2.6 2.37

Minéralisation [mg/l] 570 583

Conductivité électrique [uS/cm] 687 703

Microbe à détecter Avant traitement Apres traitement

Coliforme totaux 1.9 x 103 < 1

Coliforme fécaux (dont l’E.coli) 3.9 x 103 < 1

Selon ces résultats, on peut observer que :

Le pH de l’eau a légèrement augmenté. Il est devenu plus basique, donc s’est enrichie

en molécule OH. Une réaction d’oxydo-réduction a dû se passer durant le traitement.

La turbidité de l’eau à diminuer. Des éléments non dissous troublant l’eau, tel les micro-

organisme, ont été éliminer.

Une augmentation de la minéralisation, engendrant l’accroissement de la conductivité

de l’eau a eu lieu.

IV. Interprétation

Concernant la répartition des particules, la densité des particules excité s’estompe avec la

distance (figure 37). En effet, l’érosion des électrodes ainsi que la dissociation les molécules

dans l’air charge la surface effleurant la colonne d’arc. Plus en s’éloigne du foyer d’arc, plus il

y a recombinaison moléculaire et dispersion dans l’espace.

Contrairement à ces derniers, la densité électronique s’accroit progressivement (figure 38). En

effet, les électrons sont les principaux acteurs de la circulation de courant dans un arc du coup

peut sont repartie près du foyer d’arc. De plus, selon la forme simplifiée de la loi de Saha :

𝑁𝑒 =𝑍𝑖+1𝑍𝑒

𝑍𝑖

𝑁𝑖

𝑁𝑖+1


74

Où Z représente la fonction de partition et N la densité de particule. L’indice e désigne les

électrons et i le niveau des couches électronique. Donc Ni+1 est alors la densité des particules

excités.

Du coup pour des fonctions de répartition constante que nous nommerons « c », nous aurons :

𝑁𝑒 =1

𝑁𝑖+1𝑐𝑁𝑖

La densité de particule excite et la densité électronique sont inversement proportionnelles.

L’allure de courbes de température de l’arc étudié (figure 36) diminue progressivement

avec le temps. Cependant un rehaussement périodique se présente entre 1.75cm à 2cm

d’éloignement. En effet, ce phénomène est dû à l’effet optique. Le miroir émet une image des

radiations selon les principes d’optique ondulatoire. Mettre l’arc à l’intérieure d’une cage à

miroir optimise le rayonnement.

Les quantités de chaleur émient vient du fait que l’arc électrique se comporte comme une

résistance. Lors de l’éclatement, elle est parcourue par une forte quantité de courant. Par effet

Joule, une grande quantité de chaleur proportionnel au carrée de l’intensité de courant est

dégagée par l’arc mais aussi par les électrodes. Selon la loi de Stephan, un corps chauffé induit

une flux d’énergie E de tel sort que :

𝐸 = 𝜎𝑇𝑎4

où 𝑇𝑎 est la somme des températures absolu de l’arc et des électrodes chauffés. Donc de

l’énergie est rayonnée par les matière chauffée.

En outre, de l’énergie enthalpie due au divers réaction de combinaison et de dissociation se

produisant au sein du plasma sont aussi dégagée sous forme de chaleur. Donc de l’énergie est

rayonnée par le plasma.

D’une autre coté, les mouvements particulaires au sein du plasma de l’arc émettent des

rayonnements particulaires qui eux aussi transportent de l’énergie des photons. Au fur et à

mesure qu’il y a érosion des électrodes, le plasma de l’arc se charge en particule de cuivre. Ce

dernier, ayant un potentiel d’ionisation plus faible que celle de l’azote ou de l’oxygène,

engendre un accroissement du rayonnement de recombinaison et de freinage. Mais aussi une

augmentation de population à l’état excités favorisant l’émission des raies selon loi de

Boltzmann.

D’après la littérature mentionnée dans le premier chapitre paragraphe III.1, l’énergie

nécessaire pour l’élimination d’1log des Escherichia coli est de 10J/cm3. De ce fait, selon le


75

résultat de l’analyse microbienne susmentionné, le transfert d’énergie traversant le récipient a

été supérieur ou égale à cette valeur.

Le transport d’énergie par convection est à négliger du fait que le mouvement du vent était

restreint. L’expérience a été réaliser dans une salle bien isolée, et le procédé s’est opéré dans

un cage de miroir renfermé par un papier aluminium. Le transfert de chaleur a été effectuer par

conduction et par rayonnement.

Photo 14 : Exposition de l’eau face à l’arc électrique

La période d’incubation du coliforme totaux et fécaux sont respectivement 37°C et 44°C. Or

nous avons pu en éliminer avec un température d’eau final de 40°C, donc le rehaussement de

la température n’est pas le principal agent désinfectant responsable du résultat. Par

conséquence, l’énergie rayonné est responsable de ce phénomène.


76

CONCLUSION

La décontamination de l’eau est un domaine en expansion dans le monde vu que l’eau est

primordiale pour la vie de l’Homme. Différentes méthodes sont utilisées à cet effet : par

SODIS, par chloration et par filtration utilisées à Madagascar, par ozonation, par ultraviolet et

par arc pulsé.

La décontamination de l’eau par procédé arc électrique se révèle être un tout nouveau procédé

dans le cas de Madagascar. Elle combine à la fois des effets physiques (énergie électrique,

énergie thermique) et des effets chimiques (enthalpie, oxydo-réduction). Généralement, ce

processus a pour principe d’injecter un arc électrique dans de l’eau afin d’y apporter de

l’énergie élevé et d’émettre un radiation UV. Cela provoque la décomposition de la molécule

d’eau et en produit des espèces chimiques actives. Ayant un pouvoir oxydant, ces derniers se

chargeront de la décontamination de l’eau.

Toutefois, ce procédé utilise la conduction comme transfert d’énergie, d’où son inconvénient

qui est la contamination de l’eau par interaction avec l’électrode. Par conséquent, les apports

de l’arc électrique ne sont exploités que dans le traitement d’eau usée.

De ce fait, l’approche expérimentale menée dans ce travail opte pour un autre méthode

d’exploitation des atouts de l’arc. A la place de la conduction, le transfert d’énergie est réalisé

par rayonnement. Afin de mettre en évidence les effets de la décontamination, une désinfection

d’eau ou plus précisément élimination d’Escherichia coli et de coliforme fécaux a été mise en

jeu. Après quelques études et expérimentations, des impulsions d’arc de cuivre à pression

atmosphérique sont générés et l’eau a été isolée dans un récipient placé à proximité de l’arc.

Au bout d’un certain temps d’exposition l’eau a été portée à une température de 40°C et assez

d’énergie pour supprimer ces micro-organismes cibles a été transmise sans avoir eu recours au

contact. L’irradiation a porté ses fruits. Analogiquement au projet SODIS, les rayons de l’arc

électrique a pu désinfecté l’eau par rayonnement.

Ce procédé est un approche innovant dans le domaine du traitement des eaux. Cependant, ce

n’est qu’un embryon de travail, une modélisation mathématique pourrait apporter plus de détail

sur les caractéristiques de l’arc et apporter ainsi une relation entre l’énergie fournie et celle

rayonné. Cette étude pourrait aboutir à la réalisation d’un réacteur capable d’éliminer les

métaux lourds dans de l’eau destinée à la consommation.


77

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I

ANNEXES

Annexe A : Norme de potabilité malagasy (Décret n°2004-635 du 15/06/04)

NORME a respecté

Paramètres organoleptiques

Odeur Absence

Couleur Incolore

Saveur désagréable Absence

Paramètres physiques Unité

Température °C <25

Turbidité NFU <5

Conductivité μS/cm <3000

Ph 6,5 - 9,0

Paramètres chimiques Unité Maximal admissible

ELEMENTS NORMAUX

Calcium mg/l 200

Magnésium mg/l 50

Chlorure mg/l 250

Sulfate mg/l 250

Oxygène dissous % de saturation %

Dureté TH mg/l en CaCO3 500

ELEMENTS INDESIRABLES

Matières organiques mg/l 2 (milieu Alcalin)

5 (milieu Acide)

Ammonium mg/l 0,5

Nitrite mg/l 0,1

Azote total mg/l 2

Manganèse mg/l 0,05

Fer total mg/l 0,5

Phosphore mg/l 5

Zinc mg/l 5

Argent mg/l 0,01

Cuivre mg/l 1

Aluminium mg/l 0,2

Nitrate mg/l 50

Fluore mg/l 1,5

Baryum mg/l 1

ELEMENTS TOXIQUES

ARSENIC mg/l 0,05

Chrome total mg/l 0,05

Cyanure mg/l 0,05

Plomb mg/l 0,05

Nickel mg/l 0,05

Polychloro-biphenyl PBC mg/l 0

Cadmium mg/l 0,005

Mercure mg/l 0,001

II

GERMES PATHOGENES ET INDICATEURS DE POLLUTIONS FECALE

Coliformes totaux 0 / 100ml

Streptocoques fécaux 0 / 100ml

Coliformes thermo-tolérants (e.coli) 0 / 100ml

Clostridium sulfito-reducteur <2 / 20ml

Annexe B : NIST Atomic Spectra Database Lines Data

Impétrante : RAFALIMANANA Sonia Jeanne

E-mail : [email protected]

Tel : +261 34 06 476 02

TITRE : « Contribution à l’étude de la décontamination d’eau par

rayonnement arc électrique »

Nombre de :

Pages : 76 Tableaux : 13 Figures : 40 Photos : 13

RESUME

Cet ouvrage a pour but de contribuer à l’expérimentation d’un approche de décontamination

d’eau par l’intermédiaire d’impulsion d’arc électrique. L’arc généré est un arc vertical amorcé

par surtension. Le courant engagé ne dépasse pas 6A et la grandeur exploitée est le

rayonnement. Les appareils utilisés sont un transformateur Fly back, un oscillateur ZVS,

différente tiges de cuivre et d’aluminium, un récipient en verre et une cage en miroir. Plusieurs

essais et études de rayonnement thermique de l’arc ont été entrepris durant lequel nous avons

pu observer le comportement d’un arc selon la dimension et type d’électrode utilisé. Mais aussi

le transfert de son énergie par rayonnement à travers le milieu considéré. L’exploitation du

phénomène a pu mener à l’élimination des coliformes totaux et fécaux contenus dans de l’eau

de puit. L’eau ne fut pas complètement potable mais un résultat assez satisfaisant a été obtenu.

Mots clés : arc électrique, radiation, décontamination

ABSTRACT

This work aims to contribute to the experimentation of water decontamination approch by

electric arc pulse. The arc generated is a vertical arc initiated by overvoltage. The current

engaged does not exceed 6A and the quantity exploited is the radiation. The devices used are a

Flyback transformer, a ZVS oscillator, different copper and aluminium rods, a glass container

and a cage of mirror. Several tests and studies of thermal radiation of the arc have been

undertaken during which we could observe the behaviour of the arc according to the size and

type of electrode used, but also the transfer of the energy by radiation through considered

surroundings. Exploitation of the phenomenon could lead to an elimination of total and foecal

coliforms contained in well water. We had not potable water but a fairly satisfactory result was

obtained.

Keywords : electric arc, radiation, decontamination

Encadreur : Mr RAMAROZATOVO A. Vonjy

Documents

Décontamination par rayonnement d’arc électrique