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.
Tech., 174-175, pp 8-14 (2003).
Ráhel', J. and M Sherman, D. “The transition from a filamentary
dielectric barrier discharge to a diffuse barrier discharge in air at
atmospheric pressure” , J. Phys. D :Appl.
Nicolas Dubus « Contribution à l’étude thermique d’un réacteur à
décharge à barrière diélectrique » Thèse de doctorat, Université de
Poitiers, Novembre 2009.
Ozone
Generator
Systems,
«
Operating
Instructions».Uwww.idswater.com/water/us/pasific_ozone_techno
logy.U Phys., 38(4), pp 547- 554 (2005).
Note technique (Document Internet) « Food Safety Technology: A
Potential Role for Ozone-Food Safety », Juin 1998, USA.
REFERENCES
16.
1.
YASSINE BELLEBNA est né à sidi bel abbés, en Algérie en
1985.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 2009. 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