[PDF] Ayoub BARCHOUCHI Réactivité sonochimique à linterface solide





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THÈSE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LVERSITÉ GRENOBLE ALPES

Spécialité : MEP : Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Arrêté ministériel : 25 mai 2016

Présentée par

Ayoub BARCHOUCHI

Thèse dirigée par Stéphane BAUP, Professeur des Universités, et codirigée par Sonia MOLINA-BOISSEAU, Maître de

Conférences

préparée au sein du Laboratoire Rhéologie et Procédés et CEntre de Recherches sur les Macromolécules Végétales dans l'École Doctorale I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés,

Production

Réactivité sonochimique à l'interface solide- liquide

Sonochemical reactivity at the solid-liquid

interface Thèse soutenue publiquement le 23 septembre 2020, devant le jury composé de :

Monsieur Laurent DUCLAUX

PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE SAVOIE MONT

BLANC, Président

Madame Laurie BARTHE

MAITRE DE CONFERENCES, HDR, INP-ENSIACET - TOULOUSE,

Rapportrice

Monsieur François DELATTRE

PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE DU LITTORAL-

COTE-D'OPALE, Rapporteur

Monsieur Nicolas GONDREXON

PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE GRENOBLE ALPES,

Examinateur

Monsieur Olivier LOUISNARD

MAITRE ASSISTANT, HDR, ECOLE DES MINES D'ALBI-CARMAUX,

Examinateur

Monsieur Stéphane BAUP

PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE GRENOBLE ALPES,

Directeur de thèse

Madame Sonia MOLINA-BOISSEAU

MAITRE DE CONFERENCES, UNIVERSITE GRENOBLE ALPES,

Co-directrice de thèse

Monsieur Jean-Marc LEVEQUE

MAITRE DE CONFERENCES, UNIVERSITE DE SAVOIE MONT BLANC,

Invité

Ce travail de thèse, réalisé en partenariat entre le Laboratoire de Rhéologie et des Procédés

(LRP) et le CEntre de Recherches sur les Macromolécules Végétales (Cermav), est pour moi ait pas vu le jour et le soutien de plusieurs personnes er. Mes remerciements les plus sincères directeurs de thèse Pr. Stéphane BAUP et Mme. Sonia Molina BOISSEAU pour leurs contributions dans ce travail, leurs soutiens, leurs aides précieuses et pour leurs disponibilités ai été à la hauteur de vos attentes. Je suis très reconnaissant envers Pr. Nicolas GONDREXON pour sa participation active au bon déroulement de cette thèse, pour ses conseils, pour avoir donné de découvrir le ant. de m'avoir fait l'honneur d'accepter

d'évaluer cette thèse. Je remercie ainsi Pr. Laurent DUCLAUX d avoir présidé ma soutenance,

Mme. Laurie BARTHE et Pr. François DELATTRE d avoir rapporté mon travail, M. Olivier LOUISNARD et Pr. Jean-Marc LEVEQUE davoir examiné cette étude et accepté de faire partie de mon comité de suivi individuel (CSI). Je tiens à témoigner ma gratitude envers M. Sébastien Marc et Mme. Isabelle PERNIN-

WETZEL pour et de

confiance. Mes sincères remerciements à Mme. Nadia EL KISSI, directrice du Laboratoire Rhéologie et Procédés (LRP) et Mme. Anne IMBERTY, directrice du CEntre de Recherches sur les MAcromolécules Végétales (CERMAV) pour leurs accueils. Mes remerciements vont également

à leurs équipes respectives davoir mis à ma disposition tous les moyens nécessaires au bon

déroulement de ma thèse. M. Pierre SAILLER merci pour votre disponibilité et la rapidité de

s techniques. Mme Stéphanie PRADEAU un grand merci pour

avoir effectué les mesures de surfaces spécifiques des différentes billes de verre. Je remercie

également Mme Christine LANCELON-PIN pour les beaux clichés MEB et Pr. Sylvain COTTAZ pour son aide avec la spectrofluorimétrie. Je remercie mes amis et collègues doctorants. Merci ! William pour ton aide ! Je remercie Mathilde pour les pauses café. Alice, Diego, Candice, Hugues et Moctar merci les gars pour les bons moments passés en votre compagnie. Je remercie également Anrifani et Fiorella, les stagiaires qui ont travaillé sur ce sujet. Enfin, je tiens à remercier ma chère mère pour leur attention et leur encouragement . Sans oublier mon défunt père, que dieu t'accorde sa miséricorde. Je remercie également ma femme qui beaucoup soutenu, aidé et su me réconforter dans mes moments de doute.

Liste des figures...........................................................................................................................i

Liste des tableaux......................................................................................................................vii

Introduction générale...............................................................................................................1

Chapitre I : État de l'art

I. Les ultrasons en milieu homogène ...................................................................................... 4

I.1. Ultrasons ...................................................................................................................... 4

I.1.1. Définition et paramètres caractéristiques ............................................................. 4

I.1.2. Classification ........................................................................................................ 7

I.1.3. Génération des ultrasons ...................................................................................... 8

I.1.4. .................. 10

I.1.4.1. Propagation des ultrasons .............................................................................. 10

I.1.4.2. Interaction onde milieu ................................................................................... 11

I.2. Cavitation acoustique ................................................................................................ 13

I.2.1. Cycle de vie des bulles de cavitation ................................................................. 14

I.2.1.1. Nucléation - Génération des bulles de cavitation .......................................... 14

I.2.1.2. Croissance des bulles de cavitation ................................................................ 16

I.2.1.3. Implosion des bulles de cavitation .................................................................. 18

I.2.2. Les différents types de cavitation acoustique ..................................................... 20

I.3. Effets induits par les ultrasons de puissance ............................................................. 21

I.3.1. Effets physiques ................................................................................................. 21

I.3.2. Effets chimiques ................................................................................................. 23

I.4. .................................................................... 27

I.4.1. Caractérisations physiques ................................................................................. 27

I.4.2. Caractérisations chimiques ................................................................................. 31

I.4.2.1. .............................................................. 31

I.4.2.2. Dosimétrie de Fricke ...................................................................................... 32

I.4.2.3. ............................................................... 33

I.4.2.4. Comparaison entre les différentes techniques dosimétriques ........................ 33

I.5. Applications des ultrasons ......................................................................................... 34

II. Les ultrasons en milieu hétérogène ................................................................................... 36

II.1. Origine de la sonochimie et ses applications ............................................................. 36

II.1.1. Origine de la sonochimie .................................................................................... 36

II.1.2. Applications ....................................................................................................... 39

II.2. .................................................. 42

II.2.1. Interaction onde-milieu hétérogène .................................................................... 42

II.2.2. Cycle de vie des bulles de cavitation en milieu hétérogène ............................... 42

II.3. ............ 45

II.4. ultrasonore en milieu

hétérogène ............................................................................................................................. 54

Conclusion ................................................................................................................................ 58

Références bibliographiques .................................................................................................... 60

Chapitre II : MATERIELS ET METHODES

I. Matériels ........................................................................................................................... 72

I.1. Produits chimiques et solides divisés ........................................................................ 72

I.2. Dispositifs expérimentaux ......................................................................................... 74

II. Méthodes de caractérisations des dispositifs ultrasonores ................................................ 78

II.1. Caractérisations physiques ........................................................................................ 78

II.1.1. Calorimétrie ........................................................................................................ 78

II.1.2. Mesure de la force de radiation .......................................................................... 81

II.2. Caractérisations chimiques ........................................................................................ 82

II.2.1. Dosimétrie de lssium .................................................................. 83

II.2.2. Dosimétrie de Fricke .......................................................................................... 84

II.2.3. Dosimétrie de .................................................................... 85

II.2.4. Elimination du diméthylphénol .......................................................................... 86

II.2.5. ............................................................ 88 II.2.5.1. lumineuse .................................................................... 88

II.2.5.2. Intensité apparente de la sonochimiluminescence ...................................... 90

Conclusion ................................................................................................................................ 92

Références bibliographiques .................................................................................................... 93

Chapitre III : INFLUENCE DES SOLIDES DIVISES SUR LA PUISSANCE

IODOMETRIE

I. Caractérisations des sonoréacteurs en milieu homogène .................................................. 97

I.1. Caractérisation physique : puissance ultrasonore ...................................................... 97

I.2. Caractérisation chimique ......................................................................................... 101

I.2.1. Cinétique de formation ..................................................................................... 101

I.2.2. ...................................................... 104

I.2.2.1. Influence de la fréquence .............................................................................. 104

I.2.2.2. Influence de la puissance .............................................................................. 106

I.2.2.3. ......................................... 110

II. Caractérisations des sonoréacteurs en milieu hétérogène ............................................... 113

II.1. Choix des solides ........................................... 113

II.2. Calorimétrie en présence de billes de verre ............................................................. 115

II.3. Activité chimique .................................................................................................... 118

II.3.1. Dosimétrie de ............................. 118

II.3.2. ............ 124

II.3.3. .................................................... 128

II.3.4. ............ 131

II.3.4.1. Influence de la puissance .......................................................................... 131

II.3.4.2. Influence des gaz dissous .......................................................................... 132

II.3.4.3. Influence de la fréquence .......................................................................... 134

II.3.5. .......................................... 135

II.3.6. Alternative à la caractérisation physique par calorimétrie en milieu hétérogène ..

.......................................................................................................................... 139

Conclusion .............................................................................................................................. 142

Références bibliographiques .................................................................................................. 144

Chapitre IV : INFLUENCE DES BILLES DE VERRE SUR LES MECANISMES ET

LA DISTRIBUTION

I. Influence des billes de verre sur les espèces radicalaires................................................ 151

I.1. Dosimétrie de Fricke en milieu hétérogène ............................................................. 151

I.2. ...................................... 157

II.

sonochimique ......................................................................................................................... 161

II.1. .......................................................... 162

II.2. Influence des solides divisés sur la dégradation du diméthylphénol ....................... 165

III. .... 169

III.1. .............................. 170

III.2.

sonochimiluminescence ...................................................................................................... 175

III.3. Quantification ..................... 180

Conclusion .............................................................................................................................. 184

Références bibliographiques .................................................................................................. 186

Conclusion générale et perspectives....................................................................................190

i

Chapitre I

Figure I-1. ........................................................................... 5

Figure I-2. Eléments de base d'un dispositif ultrasonore ........................................................................ 7

Figure I-3. Mécanisme de l'effet piézoélectrique inverse [15] ............................................................... 9

Figure I-4. ............................................................. 10

Figure I-5. Schéma de la

différente [11] ........................................................................................................................................ 12

Figure I-6. Propagation de l'onde à travers trois milieux distincts [16] ............................................... 13

Figure I-7. Cycle de vie d'une bulle de cavitation ultrasonore [25] ..................................................... 14

Figure I-8. .................................................. 15

Figure I-9. Mécanismes de croissance des bulles de cavitation [31].................................................... 16

Figure I-10. Mécanisme de croissance des bulles par diffusion rectifiée [32] ..................................... 17

Figure I-11. Mécanisme de la coalescence [35] ................................................................................... 17

Figure I-12. Taille et distribution de bulle en fonction de la fréquence [42] ....................................... 19

Figure I-13. Image d'implosion d'une bulle générée par un laser au voisinage d'un solide [43] .......... 19

Figure I-14. Différenciation entre cavitation gazeuse et cavitation vapeur [49] .................................. 21

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