Étude expérimentale sur la génération d`ozone pour le traitement de
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Étude expérimentale sur la génération d`ozone pour le traitement de
Volume 55, Number 1-2, 2014 19 Étude expérimentale sur la génération d'ozone pour le traitement de l’air Yassine BELLEBNA, Karima AGAB, Amar TILMATINE Département d’Electrotechnique, Faculté de Technologie, Laboratoire APELEC, Université Djillali Liabes Sidi Bel-Abbés, Algérie, Tel : +213 5 57 07 21 41 Résumé: Les décharges à barrière diélectrique (DBD) sont des décharges spécifiques car l’une (ou parfois les deux électrodes) est recouverte par un matériau diélectrique, empêchant ainsi la décharge d’évoluer vers le régime de claquage électrique. On obtient ainsi une succession de micro-décharges qui s’amorcent et s’éteignent rapidement, leur « durée de vie » est de l’ordre de quelques nanosecondes. L’une de leurs applications les plus importantes est la production d’ozone pour le traitement de l’air consacrée surtout pour le domaine d’agro-alimentaires pour l’extension de vie de stockage des produits agro-alimentaires. Après la réalisation d’un réacteur DBD de configuration cylindrique en choisissant toutefois une décharge de surface, nous avons procédé à sa caractérisation électrique et ensuite nous l’avons utilisé en tant que générateur d’ozone dans un montage de désinfection d’air. Nous avons pu vérifier que le réacteur DBD utilisé en tant que générateur d’ozone est très efficace pour la désinfection de l’air en éliminant tous les virus, bactéries et les germes pathogènes et par la suite ralentissement du processus de maturation des fruits et des légumes. L’objectif de ce papier est de montrer qu’un système de désinfection par l’ozone apparaît comme une solution alternative efficace dans l’industrie agro-alimentaire et permet d’assurer un air désinfecté et une conservation optimale des fruits et légumes. Mots-clés – DBD, haute tension, ozone, électrode, plasma, générateur d’ozone, micro-décharge, barrière diélectrique. 1. INTRODUCTION Le terme de décharges à barrière diélectrique définitune configuration comprenant au moins une barrière diélectrique dans le passage du courant entre les électrodes métalliques. Les conditions normales d’utilisation de ces décharges mènent généralement à des valeurs du produit pression-distance inter-électrodes, p.d, supérieur à quelques dizaines de Torr.cm (figure .1). Ces décharges sont connues depuis plus d'un siècle et les premières expériences sur ces décharges ont été reportées par Siemens [1-4]. Les décharges à barrières diélectriques (DBD), également appelées décharges silencieuses, permettent la fabrication industrielle de l'ozone à grande échelle à des pressions proches de la pression atmosphérique, l’une des plus importantes applications de ce type de décharge pour le traitement des airs et extension de duré de vie des aliments [5-9]. Les caractéristiques principales de cette décharge sont : une pression de travail élevée (autour de la pression atmosphérique), une tension de l'ordre du kilovolt, une fréquence d'excitation de l'ordre du kilohertz. De plus, l'utilisation de la barrière diélectrique homogénéisé la répartition des charges en surface des électrodes et empêche toute transition à l'arc ; en contre partie, cela impose l’utilisation d’une excitation électrique alternative [10-13]. 2. Fig.1: Configuration classique d’une DBD MECANISME DE DEROULEMENT D’UNE DBD Sous l'action d'un champ électrique suffisamment élevé appliqué à l'espace gazeux (une distance de l'ordre de quelques millimètres), une avalanche électronique peut être initiée dans le gaz et un canal conducteur s’établit appelé micro-décharge (figure.2.a). Ce canal de conduction, conduisant à l'apparition d'une charge d'espace. L'accumulation des charges au voisinage ou sur les diélectriques entraîne une diminution rapide de la différence de potentiel de l'espace gazeux. La décharge s’interrompt, des micro-décharges sont initiées © 2014 – Mediamira Science Publisher. All rights reserved 20 ACTA ELECTROTEHNICA à de nouveaux endroits: le courant engendré est donc impulsionnel (figure.2.b). Au changement de polarité (figure.2.c), les charges précédemment déposées sur le diélectrique permettent un réamorçage des micro-décharges sous un champ plus faible que lors de la première alternance. Fig. 4 : Générateur d’ozone à DBD cylindrique vue à l’intérieur Fig. 2 : Mécanisme de décharge d’une DBD 3. MATERIEL ET PROCEDURE EXPERIMENTALE (a) Notre travail consiste à produire de l’ozone par décharge à barrière diélectrique pour désinfecter l’air. Sachant que le fait de réaliser un banc expérimental, pour étudier ce dernier en se basant sur la conservation des produits alimentaires. L’ozone a été principalement utilisé pour désinfecter l’air. Nous avons réalisé un réacteur DBD de surface (générateur d’ozone) de configuration cylindrique, la décharge est établie à la surface d’une surface isolante, diélectrique, entre deux électrodes disposées de part et d’autre de l’isolant. Ces électrodes sont, dans notre cas, bande d’aluminium adhésif de faible épaisseur (quelques dizaines de μm) collées directement sur la surface extérieur du diélectrique d’une part (figure .3) .L’autre électrode métallique, une grille se trouve à l’intérieur de tube isolant en contact avec celui-ci (figure4). La nature de l’isolant étudié est du verre. L’épaisseur de ce dernier a un ordre de grandeur de quelques mm. Pour obtenir la décharge, on applique une haute tension alternative (généralement sinusoïdale) entre les deux électrodes. Lorsque la haute tension est appliquée, un plasma de couleur bleutée se forme à la surface du diélectrique sur la face intérieur du tube du verre (Figure. 5) et est réparti de façon assez homogène le long de l électrode. Fig. 3 : Schéma descriptif du générateur d’ozone : 1. Electrode interne en grille ; 2. Tube en verre ; 3. Electrode externe en papier adhésif d’Al ; 4. Intervalle de décharge DBD (b) Fig.5 : La décharge de notre réacteur DBD a) Prise de jour b) prise de nuit Cette étude expérimentale s’intéresse et englobe deux aspects : - Caractérisation électrique du réacteur DBD. - Utilisation en tant que générateur d’ozone pour le traitement de l’air et prolongé la durée de conservation des aliments. 4. MESURE ELCTRIQUE ET CARACTERISATION DU REACTEUR DBD Dans cette section, nous allons étudier la décharge à barrière diélectrique de surface (DBDS). L’objectif est de caractériser éclectiquement notre réacteur, pour ensuite déterminer sa puissance en mesurant la tension appliquée et le courant traversant la décharge (figure.6) .Le circuit du montage utilisé est montré schématiquement à la figure. 7 et figure. 8. La puissance active de la DBD se compose de deux parties : une partie correspond à la puissance nécessaire pour créer le plasma autrement dit pour crée l’ozone, et une autre partie à la puissance dissipée dans le diélectrique c’est totalement des pertes. Cette dernière est totalement la puissance active mesurée avant l’amorçage de plasma. 21 Volume 55, Number 1-2, 2014 de la tension appliquée ; ces paramètres sont montrés à la figure.9.a et figure 9.b sur le diagramme du courant enregistré par l’oscilloscope. La puissance mesurée correspond au produit du courant « glow » par la tension appliquée. Cette opération est effectuée directement par l’oscilloscope utilisé puisqu’il disposé d’une fonction intégrée de multiplication des signaux. Cette méthode donne des résultats très proches de la méthode de Lissajous pour le calcul de la puissance. Les résultats obtenus pour différentes valeurs de la tension sont reportées dans le tableau 1. Fig.6 : Banc d’essai pour la mesure du courant a Fig.7 : Schéma du circuit électrique pour la mesure électrique du réacteur DBD :1. Autotransformateur ; 2. Transformateur HT, 3.Voltmètre électrostatique ; 4. Résistance de mesure,5. Réacteur DBD ; 6. Oscilloscope Fig.8 : Circuit de mesure de puissance Un voltmètre électrostatique de calibre 6 kV et un oscilloscope numérique à mémoire de bande passante 250 MHz ont été utilisés pour mesurer respectivement la haute tension appliquée et le courant. La haute tension est délivrée par une source de tension alternative haute fréquence (6 kV, 30 mA, 10 kHz), commandée par un autotransformateur 0-220 V. Une résistance de 100 Ω est placée en série avec le circuit, dont la chute de tension est visualisée par l'oscilloscope pour mesurer le courant généré par la DBD.Nous varions la tension et relevons à partir de l’oscillogramme de la tension aux bornes de la résistance la valeur crête des micro-décharges et l’amplitude du courant « glow » de la D.B.D en fonction b Fig.9: Paramètres caractéristiques de la décharge DBD pour différentes tension :a) 4,5 kV ; b) 5,5 kV Tableau 1 : Valeurs relevées sur l’oscillogramme de courant en fonction de la tension U (kV) 2 3,5 4,5 5,5 7,5 9 Valeurs crêtes des micro-décharges (mA) Positives 8 14 19 22 26 28 Négatives 8 16 22 26 28 32 Amplitude « glow » (mA) Puissance (W) 8 14 18 22 23 24 16 49 81 121 173 216 22 ACTA ELECTROTEHNICA On peut voir que le courant est formé d’impulsions très brèves .en effet à chaque étincelle, celle-ci est stoppée par la barrière diélectrique et une nouvelle étincelle se produit .pour cette raison le courant de la DBD est impulssionnel. On peut voir que le courant atteint des pics de 18 mA pour 4,5 kV et de 22 mA pour 5,5 kV. Nous remarquons d’après ces résultats que le régime filamentaire de la décharge commence à partir de 2 kV tension d’amorçage assez faible puisque dans notre cas la décharge en surface pratiquement n’existe pas un espace gazeux entre les électrodes. Les micro-décharges atteignent des valeurs crêtes élevées, et plus grandes que l’amplitude du courant « glow », qui peuvent lui être de plus en plus important si la tension tende à augmenter comme c’est le cas pour U=9 kV. En outre, notons que pour le réacteur en question, de longueur 25 cm, de diamètre 8 cm, la puissance consommée varie de 16 à 216 Watts. La haute tension appliquée à une influence considérable et significative sur les paramètres décrit au tableau 1(figure.10). La puissance dissipée lors de la décharge reste toujours assez faible, le système n’est pas consommable d’énergie puisque le courant généré lors de cette opération est de l’ordre de milliampères. Ceci compté parmi les points avantageux des décharges à barrière diélectriques (DBD) (figure.11). 5. PRODUCTION D’OZONE PAR DBD Les DBDs concilient une simplicité de mise en œuvre et d'utilisation pour la production d’ozone. L’oxygène est piégé entre les électrodes à haute tension qui simulent la décharge (figure .12). Cette décharge électrique (une étincelle) scinde une molécule d'oxygène en deux atomes d'oxygène. Ces 2 atomes d'oxygène instables combinent avec d'autres molécules d'oxygène pour former l'ozone (figure.13) [14-15]. Fig.12 : Production d’ozone par DBD Fig.13 : Processus de formation d’ozone 6. Fig.10 : Valeurs crêtes et amplitude du courant pour différents valeurs de tension Fig.11 : Puissance consommée par la DBD en fonction de la tension appliquée REGULATION DE PRODUCTION D’OZONE L’ozone est essentiellement utilisé pour le traitement de l’air et de l’eau, en éliminant les bactéries, les virus et les odeurs désagréables. Mais il ne doit pas dépasser une certaine quantité pour ne pas perdre son efficacité d’éliminer les bactéries et les virus. Pour une prolongation efficace de la durée de conservation des produits agroalimentaire, il faut un taux d’ozone de 2 à 5 ppm (particules par million) [16], Au dessus de cette valeur nous sommes plus dans la conservation et l’ozone fait le contraire. La production d’ozone est commandée par deux principaux paramètres : La haute tension appliquée (figure.14) La durée d’application du générateur d’ozone (figure.15). Le débit d’air (figure .16). Humidité (figure.17). Volume 55, Number 1-2, 2014 Fig.14 : Variation de taux d’ozone en fonction de la haute tension appliquée Fig.15: Variation de taux d’ozone en fonction de la durée d’application du générateur d’ozone. Fig.17 : Variation de taux d’ozone en fonction d’humidité pour les ouvertures 1 et 2 d’enceinte pour une durée de 6s L'influence de ces facteurs a été étudiée en mettant un facteur à une valeur constante et en faisant varier l'autre. Le taux de destruction de l'ozone pour différentes valeurs de tension est illustré à la figure 14, et la figure 15 pour différentes valeurs de la durée d'application. Il résulte de ces résultats que le niveau d'ozone est proportionnel à la tension et à la durée d'application, et il est réduit de moitié après près de 30 minutes. Le débit d’air a une influence considérable, Plus le débit d’air augmente, plus le taux d’ozone en pourcentage diminue. La concentration d’ozone est mesurée par rapport au volume d’air. La concentration d'ozone premièrement augmente, puis diminue avec le débit d’air, la fraction volumique d'ozone atteint son maximum lorsque le débit appliqué est de 102 L / min. (figure.16). Au faible débit d’air la quantité d’oxygène est aussi faible, lorsqu’on augmente le débit d’air la quantité d’oxygène également augmente signifie par la suite l’augmentation de la concentration d’ozone générée. La concentration de l’ozone généré par DBD est inversement promotionnelle avec l’humidité relative de l’air. Lorsque l’air devient plus humide, la quantité d’ozone générée diminue d’une manière considérable. (figure.17). 7. Fig.16: Variation de taux d’ozone en fonction de débit d’air avec différents durée d’application du procédé 23 APPLICATION DU REACTEUR POUR LE TRAITEMENT DE L’AIR DANS LE DOMAINE AGRO-ALIMENTAIRE Nous avons par la suite utilisé ce réacteur en tant que générateur d’ozone pour le traitement de l’air et confirmer ce résultat par la prolongation de la durée de conservation des produits agroalimentaires. Le montage de laboratoire utilisé est expliqué à la figure 18. Les produits agro-alimentaires à traiter sont posés dans une enceinte, un système de ventilation permet l’injection de l’ozone produit par le réacteur DBD dans cette enceinte (figure.19), pour voir la différence les mêmes produits agro-alimentaires, sous les mêmes conditions d’entreposage que les premiers sont 24 ACTA ELECTROTEHNICA maintenant déposés dans une enceinte témoin situé à air non traité par l’ozone (air ambiant). L’ozone généré par le réacteur DBD permettra un traitement efficace de l’air et une conservation optimale des produits agro-alimentaires, comme nous allons le montrer à travers les résultats obtenus. b 1. Fig. 18 : Dispositif expérimental DBD ; 2. Enceinte a air traité ; 3.Aliments ; 4.Enceinte à air non traité par l’ozone (air ambiant) c Fig.19: Schéma descriptif du procédé de traitement d’air par l’ozone1- Générateur d’ozone ; 2- Aliments à traité ; 3souffleur d’air ; 4- Enceinte à air traité par l’ozone;5 Ouvertures de mesure et contrôle d’ozone ; 6-La décharge dans la DBD. Les résultats obtenus pour différents aliments avec traitement par l’ozone et sans traitement, sont présentés visuellement dans les photos ci-dessous. Nous avons présenté les résultats correspondant à une comparaison entre les produits agro-alimentaires traité par l’ozone et d’autres non traité (figure.20). a d Fig.16: photographie comparative des produits alimentaires traités par l’ozone et non traité par l’ozone (air ambiant) a) Après 2 jours de traitement ;b) Après 10 jours de traitement ;c) Après 2 jours sans traitement ;d) Après 10 jours sans traitement Les photographiques comparatives, montrent clairement que les aliments traité par l’ozone gardent son pouvoir d’utilisation et qualifient à la consommation par rapport aux produits non traité par l’ozone .de plus , l'ozone, grâce à son pouvoir désinfectant puissant, permet une conservation optimale des fruits et légumes, en éliminant les bactéries et en stoppant leur développement. Notez que les niveaux élevés d'ozone peuvent abîmer des fruits avec des taches noires. Les résultats obtenus après un traitement et conservation des produits agro-alimentaire montrent bien que la production de l’ozone par réacteur DBD est un moyen efficace pour la désinfection de l’air ainsi une solution adéquate pour le domaine agro-alimentaire. Volume 55, Number 1-2, 2014 8. CONCLUSION Nous avons montré dans ce papier que l’utilisation du réacteur à décharge à barrière diélectrique en tant que générateur d’ozone est absolument efficace pour la désinfection de l’air consacré surtout dans le domaine agro-alimentaire pour la prolongation de duré et conservation des aliments. La nature de la décharge filamentaire de la DBD, constituée d’une multitude de petites décharges brèves appelées micro-décharges, permet la génération d’ozone lequel est ensuite injecté en mélange avec l’air en éliminant les bactéries et les virus situé dans ce dernier et en stoppant leurs développement. D’ailleurs nous avons montré que l’installation d’un système de traitement d’air par l’ozone pour la désinfection des chambres utilisé pour le stockage des aliments permet d’obtenir un milieu (air) complètement désinfectée et de surcroit bien oxygénée. Les résultats obtenus après une analyse bactériologique montrent bien que la production de l’ozone par réacteur DBD est un moyen efficace pour la désinfection de l’air bactéries a nettement diminué. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 25 D. Manojlovic, D.R. Ostojic,, B.M. Obradovic, M.M. Kuraica, V.D. Krsmanovic, J. Puric Removal of phenol and chlorophenols from water by new ozone generator Desalination 213 (2007) 116–122, Elsevier Ilie Suarasan, Letitia Ghizdavu, Iustin ,Ghizdavu, Sorin Budu, Lucian Dascalescu Experimental characterization of multi-point corona discharge devices for direct ozonization of liquids, Journal of Electrostatics 54 (2002) 207– 214 Zhi Fang, Yuchang Qiu, Yanzhou Sun, Hui Wang, Kuffel Edmund Experimental study on discharge characteristics and ozone generation of dielectric barrier discharge in a cylinder–cylinder reactor and a wire–cylinder reactor Journal of Electrostatics 66 (2008) 421–426 Rip C Rice, Aharon Netzer Handbook of ozone technology and applications, Volume A. Ann Arbor science. C. Gottshalk, J.A. Libra, A.Saupe Ozonation of water and waste water, Wiley-VCH. 2000. Massines, F. Ségur, P. Gherardi, N. Khamphan, C. and Ricard, A. “Physics and chemistry in a glow dielectric barrier discharge at atmospheric pressure: diagnostics and modelling” , Surf. Coat. 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Ses intérêts de recherche actuels inclure l’ozone et ses applications.Email: [email protected] KARIMA AGAB est né à Ghazouet Tlemcen, en Algérie en 1990.Il a reçu le B.Sc. et M.Sc. degrés dans l’électrotechnique de la Faculté de génie électrique, Université de Djilali liabes, sidi bel abbés, Algérie, en 2013. Ses intérêts de recherche actuels inclure l’ozone et ses applications. AMAR TIMATINE est né à ORAN, en Algérie en 1964.Il a reçu le B.Sc. et M.Sc. degrés dans l’électrotechnique de la Faculté de génie électrique, Université de technologie, Oran, Algérie, en 1988. Professeur au département d'électrotechnique (Sidi-Bel Abbés) depuis 1991 à ce jour. Directeur du laboratoire Applications of Plasma, Electrostatics and Electromagnetic Compatibility (APELEC). 2. 3. 4. 5. 6. Kogelshatz, U. “Dielectric-barrier discharges : their History, discharge Physics and Industrial Applications” , Plasma Chem. Plasma Process., 33(1), pp 1-46 (2003). Xueji Xu ,Dielectric barrier discharge properties and ,applications, Thin Solid Films 390 (2001) 237 242, Elsevier Annemie Bogaerts, Erik Neyts , Renaat Gijbels , ,Joost van der Mullen Gas discharge plasmas and their applications. Spectrochimica Acta Part B 57 (2002) 609–658, Elsevier L. C. Woods Physics of Plasmas, Wiley-VCH 2004 Jae-Duk Moon, and Sang-Taek Geum Discharge and ozone generation characteristics of a ferroelectric-ball/mica-sheet barrier IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 34, no. 6, November/December 1998 Senichi Masuda, Satoru Koizumi, Jun Inoue, ,and Hide Araki IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 24, no. 5, September/October 1988 Production of Ozone by Surface and Glow Discharge at Cryogenic Temperatures