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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 ?
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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.
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
3
Chapitre 1.
ETAT DE L’ART DE LA
DECONTAMINATION
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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.
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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).
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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).
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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]
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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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]
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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
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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
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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]
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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
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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
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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).
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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
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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
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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.
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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
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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).
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Chapitre 2.
GENERALITE SUR L’ARC
ELECTRIQUE ET LE
PLASMA
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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
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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
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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].
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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.
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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.
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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
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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)
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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]
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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]
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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)
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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.
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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.
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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
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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]
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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.
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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.
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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.
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44
Chapitre 3.
ETUDES
EXPERIMENTALES ET
RESULTATS
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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.
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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
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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
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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.
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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]
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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]
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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.
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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.
Figure 27 : Image sous IR de l'arc entre tige de cuivre 1.5mm2 et 4mm2 sur différents écart
Tableau VI: Consommation de l'arc entre deux tiges cuivre 1.5mm2 et 4mm2 de diamètre
Distance inter-électrode [ cm ] 0.5 1 2
Courant consommée [A] 5 5.6 5.8
Température moyenne [°C] 27.1 28.0 28.9
-2 -1 0 1 2
Eloignement vis-à-vis de l’arc [cm]
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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.
Figure 28 : Image sous IR de l'arc entre tige de cuivre 2.5mm2 et 4mm2 sur différents écart
Tableau VII: consommation de l'arc entre deux tiges cuivre 2.5mm2 et 4mm2 de diamètre
Distance inter-électrode [ cm ] 0.5 1 2
Courant consommée [A] 5.3 5.4 5.2
Température moyenne [°C] 31.7 31.5 31.0
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
Eloignement vis-à-vis de l’arc [cm]
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
64
-2 -1 0 1 2
Eloignement vis-à-vis de l’arc [cm]
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
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
65
Tableau VIII: Consommation de l'arc entre deux tiges cuivre 4mm2 de diamètre
Distance inter-électrode [ cm ] 0.5 1 2
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
Eloignement vis-à-vis de l’arc [cm]
0 1 2
Eloignement vis-à-vis de l’arc [cm]
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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]
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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
Arc à 20 secondes d’éclatement
Température moyenne [℃] : 29,9
Densité de matière lourde [cm-3] : 3.499999916
Densité électronique [cm-3] : 0.631843933
Emissivité [J.cm-3.s-1.sr-1]:
4.47
Arc à 30 secondes d’éclatement
Température moyenne [℃] : 30.1
Densité de matière lourde [cm-3] : 3.499999917
Densité électronique [cm-3] : 0.631843933
Emissivité [J.cm-3.s-1.sr-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
Eloignement vis-à-vis de l’arc [cm]
-2 -1 0 1 2
Eloignement vis-à-vis de l’arc [cm]
-2 -1 0 1 2
Eloignement vis-à-vis de l’arc [cm]
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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
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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]
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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]
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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]
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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]
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
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.
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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.
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REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUE ET WEBOGRAPHIQUE
[1] Le centre d'information sur l'eau, l'eau potable: sa definition, ses origines, ses criteres
de potabilite et ses traitements, http:// www.cieau.com., mars 2020.
[2] Effitech SARL, activités commencées en 1992,
http://www.effitech.eu/Effitech_FR/water_applications_and_technologies.php.,
novembre 2019
[3] Z. LAFOREST, Etude expérimentale et numérique d’un arc électrique dans un liquide,
Toulouse, 2017.
[4] G. Touya, Contribution à l’étude expérimentale des décharges électriques dans l’eau et
des ondes de pression associées - Réalisation d’un prototype industriel 100kJ pour le
traitement de déchets par puissances électriques pulsées, HAL, 2005.
[5] G. S. H. R. K. U. J.-S. C. N. Karpel Ven Leitner, Generation of active entities by the
pulsed arc electrohydraulic discharge system and applicatiob to removal atrazine,
ELSEVIER, 2005.
[6] B. Legube, Production d'eau potable: Filières et procédés de traitement, DUNOD,
2015.
[7] D. T. Cereve, Chap. 5: Production d’eau potable, Paris XII: Master SGE Module Eau
(34U3), 2005.
[8] Departement eau et assainissement dans les pays en developpement (SANDEC),
Desinfection solair de l'eau - Guide pour l'application de SODIS, Duebendorf, 2005.
[9] EAWAG-SANDEC, Desinfinction solaire de l'eau- Guide pour l'application SODIS,
2005.
[10] LMS WATER, La desinfection par le Chlore.
[11] I. A. H. MAIGA, TRAITEMENT DES EAUX DE CONSOMMATION, Aout 2009.
[12] Eawag: L’Institut de recherche sur l’eau du domaine des EPF, Fiche d’information -
Ozonation, Avril 2012.
[13] Wikipedia, Filtration sur membrane, http:// www.wikipedia.mg. ,13 octobre 2019.
[14] Memotec, L'utilisation des UV pour le traitement de l'eau destinée à la consommation
humaine, GLS, 2006.
[15] S. VACQUIÉ, Technique de l'ingenieur - Arc electrique.
[16] C. C. LOWRY P., Pulsed power technology – project 46b, Prepared for the Agriculture
Adaptation Council (AAC) and the National Soil and Water Conservation Program
(NSWCP, 1999), p1-7.
[17] H. E. BAYDA, Etude du transfert d’énergie entre un arc de court-circuit et son
environnement :application à l’«ArcTracking», HAL, 2012.
[18] A. Blondel, Sur le phénomène de l’arc électrique, HAL, 1987.
[19] P. L. RATOVOSON, Caractérisation expérimentale d'un arc impulsionnel, HAL,
2015.
[20] T. Andre, Etude des mécanismes d’entretien et de propagation d’un arc électrique de
court-circuit entre câbles endommagés dans les réseaux électriques d’aéronefs, HAL,
2018.
Décontamination par rayonnement d’arc électrique | RAFALIMANANA Sonia J.
78
[21] M. BENMALEK, APPLICATIONS INDUSTRIELLES DES PLASMAS FROIDS,
SIPP’2011 / UKM Ouargla / page 20, Fevrier 2011.
[22] B. N. D. A. Kattan R., Etude de la génération de bulles dans les hydrocarbures liquides
générés par les impulsions de Trichel, Grenoble, 1991.
[23] Z. M. B. A. K. K. S. A. Y. H. Y. K. D. M. C. W. T. Y. Beroual A., Propagation and
Structure of Streamers in Liquid Dielectrics, Insul. Magazine, 1998.
[24] N. E. A. N. M. I. T. N. V. Burakov V. S., Synthesis and Modification of Molecular
Nanoparticles in Electrical Discharge Plasma in Liquids, Russian Journal of General
Chemistry, 2015, vol. 85, no. 5, pp. 1070-3632.
[25] C. J. S. G. Y. Li O. L., Pulsed Arc Electrohydraulic Discharge Characteristics and
Plasma Parameters of Sludge-Water, IEEE Annual Report Conference on Electrical
Insulation and Dielectric Phenomena, Virginia, 2009, pp. 331-334.
[26] O. S. U. H. H. Y.-C. C. W.-Y. S. P. S. M. T. S. L. C. T. K. Chang J.-S., UV and Optical
Emissions Generated by the Pulsed Arc Electrohydraulic Discharge, International
Journal of Plasma Environmental Science & Technology, 2007, vol. 1, no. 2, pp. 130-
134.
[27] A. D. M. D. S. E. E. M. Y. K. C. J.-S. Yamatake A., Characteristics of Pulsed Arc
Electrohydraulic Discharge for Eccentric Electrode Cylindrical Reactor using
PhosphateBuffered Saline Water, Japanese Journal of Applied Physics, 2006, vol. 45,
no. 10B, pp. 8298-8301.
[28] G. P. e. E. G. X. Zhang, Investigation of the thermal transfer coefficient by the energy
balance of fault arcs in electrical installations, Power Delivery,IEEE Transactions on,
janv 2006, vol. 21, no. 1, p. 425 - 431,.
[29] A. M. Ravaka, COMPORTEMENT ELECTRIQUE ET THERMIQUE D’UN ARC
ELECTRIQUE ENTRE DEUX CONTACTS, Madagascar, 2017.
[30] Digi-Key electronics, https://www.digikey.fr/fr/articles/techzone/2014/aug/a-review-of-
zero-voltage-switching-and-its-importance-to-voltage-regulation., 24 Mars 2020].
[31] S. Vacquie, l'Arc Electrique, Paris: Eyrolles, 2000.
[32] S. L. B. V. Marotta A, A theoretical and experimental investigation of copper electrode
erosion in electric arc heaters, 1997.
[33] L. T. R. J. A. R. Teste Ph, Contribution to the assessment of the, 2008.
[34] V. F. M. M. G. A. Bayda H El, Energy losses from an arc tracking in aeronautic cables
in DC circuits, 2013.
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