Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels




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La cavitation hydrodynamique génère-t-elle des radicaux hydroxyles ?

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Les radicaux hydroxyles constituent les espèces oxydantes les plus puissantes que l’on puisse utiliser dans le domaine du traitement des eaux usées et des effluents industriels. Parmi les différents moyens d’obtenir des radicaux hydroxyles, la cavitation est un procédé qui répond aux exigences environnementales contemporaines. La cavitation est un phénomène entretenu de création, de croissance puis d’implosion brutale de bulles de vapeur. La violence de l’implosion des bulles de cavitation brise certaines molécules de vapeur. On obtient alors des radicaux hydroxyles OH• à partir d’eau, un phénomène renforcé en présence de peroxyde d’hydrogène (H2O2). En cavitation acoustique, des relations ont été établies entre fréquence d’oscillation, taille des bulles et la diffusion des radicaux. Mais peu d’articles abordent le traitement des eaux usées par cavitation hydrodynamique qui est pourtant susceptible de traiter de plus gros volumes de liquides que la cavitation acoustique. La chimiluminescence du luminol permet cependant une étude directe et in situ de la production de radicaux hydroxyles dans des écoulements cavitants. La présence de radicaux hydroxyles dans les cuves à ultrasons a ainsi été démontrée dès 1994. Mais l’étude de la cavitation hydrodynamique du luminol est cependant très récente, seule une équipe allemande ayant observé qualitativement la chimiluminescence en cavitation hydrodynamique.

Corrélation entre l'émission lumineuse due à la chimiluminescence du luminol (courbe noire) et le bruit acoustique créé par l'implosion des bulles de cavitation.
Corrélation entre l’émission lumineuse due à la chimiluminescence du luminol (courbe noire) et le bruit acoustique créé par l’implosion des bulles de cavitation.

Ainsi, en collaboration avec des chercheurs de l’Institut lumière matière de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard), nous avons récemment observé la chimiluminescence du luminol soumis à la cavitation hydrodynamique sur puce, puis compté les photons émis (Podbevsek, 2018). Chaque microréacteur et un photomultiplicateur positionné en vis à vis ont été insérés dans un module opaque, isolé de toute perturbation lumineuse extérieure. L’émission de lumière a été corrélée au son émis par l’implosion des bulles, caractéristique du régime d’écoulement cavitant. Cette métrologie a enregistré un taux d’environ 200 photons/seconde, correspondant à une production totale de 1,6 1010 radicaux OH•/minute/litre écoulé en aval du rétrécissement à l’origine de la cavitation. Pour ce type de rétrécissement, la production de radicaux a dépendu de la différence entre le débit de fluide et le débit critique au-dessus duquel la cavitation apparaissait, et ceci quelles que soient les dimensions du diaphragme. Ces travaux préliminaires se poursuivent pour savoir si la cavitation hydrodynamique peut être sérieusement envisagée comme un procédé fiable de traitement des eaux usées.