WO2016046806A1 - Procede de controle d'au moins une bulle de gaz produite de maniere localisee - Google Patents

Procede de controle d'au moins une bulle de gaz produite de maniere localisee Download PDF

Info

Publication number
WO2016046806A1
WO2016046806A1 PCT/IB2015/057398 IB2015057398W WO2016046806A1 WO 2016046806 A1 WO2016046806 A1 WO 2016046806A1 IB 2015057398 W IB2015057398 W IB 2015057398W WO 2016046806 A1 WO2016046806 A1 WO 2016046806A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
electrode
medium
ultrasound
gas bubbles
Prior art date
Application number
PCT/IB2015/057398
Other languages
English (en)
Inventor
Younes ACHAOUI
Serge MENSAH
Zoubida HAMMADI
Roger Claude Marcel MORIN
Eric DEBIEU
Cédric Alain François Marie PAYAN
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite D'aix Marseille
Ecole Centrale De Marseille
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique, Universite D'aix Marseille, Ecole Centrale De Marseille filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
Priority to EP15780940.1A priority Critical patent/EP3197595A1/fr
Priority to US15/512,666 priority patent/US10538848B2/en
Publication of WO2016046806A1 publication Critical patent/WO2016046806A1/fr

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0006—Controlling or regulating processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/10—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing sonic or ultrasonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0215—Driving circuits for generating pulses, e.g. bursts of oscillations, envelopes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B01J2219/0807—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes
    • B01J2219/0824—Details relating to the shape of the electrodes
    • B01J2219/0826—Details relating to the shape of the electrodes essentially linear
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0877—Liquid
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling at least one locally produced gas bubble.
  • D1 a method of generating localized gas bubbles using microfluidics as described in the article by P. Garstecki et al. "Training of bubbles and droplets in microfluidic Systems," Bulletin of the polish academy of science, 2005, Vol. 53, No. 4 (D1).
  • D1 consists in passing a liquid through micro-channels, a gas shearing the flow, and a capillary evacuating the gas bubbles. The gas bubbles thus produced are necessarily located at the outlet of this capillary.
  • D2 shows that, in an electrolytic medium perfectly controlled in ions and dissolved gases (chemically controlled), in this case a solution of H 2 S0 at low concentration (10 "5 to 10 " 2 mol.l “1 , in medium and using an electrode whose tip has a tip shape and a counter electrode both dipped in the electrolytic medium, it is possible to generate gas bubbles in a localized manner at the tip of the electrode. the electrode, in this case at the end of this tip.
  • the voltage (amplitude and frequency of the voltage signal) applied between the electrode and the counter electrode should be carefully adjusted.
  • the device 100 used in D2 is reproduced in FIG.
  • the electrode 1 comprises essentially an electrode 1 having a tip-shaped end 1 1, for example made of platinum, and a counter electrode 2, for example made of platinum, the electrodes both being immersed in the electrolytic medium 3
  • the electrode 1 is connected, for example by means of a voltage amplifier 5, to a voltage source 4, which in this case produces a periodic alternating voltage whose amplitude and frequency are adjustable.
  • the counter-electrode 2 is connected to the source 4 to close the circuit.
  • the counter-electrode 2 and one of the terminals of the source 4 are also connected to the ground 6.
  • a camera 7 is provided to display the gas bubbles from the electrode 1.
  • An optical device 8 can be envisaged between the camera 7 and the tank 9 comprising the electrolytic medium 3 in which the gas bubbles are produced. allows measurements to be made on these gas bubbles (bubbles of 0 2 or H 2 ), which makes it possible to characterize the phenomenon of electrolysis taking place, which is involved in many concrete applications.
  • the camera 7 and the associated optical device 8 make it possible to detect and control the size of the gas bubbles produced in real time.
  • FIG. 2 schematically represents the different regimes of generation of the gas bubbles on the electrode 1, as a function of the value of the voltage V and of the frequency f of the AC voltage signal supplied by the associated source 4 ( production of gas bubbles delocalised over the entire electrode 1, production of gas bubbles located at the tip of the electrode 1, no production of gas bubbles).
  • FIG. 3 represents a view given by the camera 7, which proves that the production of the gas bubbles is located at the tip of the electrode 1 and, moreover, that calibrated gas bubbles and regularly spacings are generated, ie gas bubbles whose dimensions are similar, within a few percent and whose spacing is regular (this regularity is related to the fact that the signal from source 4 is periodic, but a control of the spacing between bubbles can be done without the signal being periodic).
  • V a , V s and f s depend on the concentration of H 2 SO 4 in the electrolytic medium 3.
  • the method proposed in document D2 thus makes it possible to produce calibrated gas bubbles whose spacing is controlled, in particular in a regular manner when the signal printed at the electrode is periodic.
  • the implementation of the method according to D2 is easier than the method according to D1 constrained by the inertia of the fluid and the gas, in particular to obtain calibrated gas bubbles and with a controlled spacing.
  • the authors of D2 then replaced the electrolytic medium chemically controlled with a chemically uncontrolled electrolytic medium, for example an uncontrolled aqueous medium such as tap water.
  • a chemically uncontrolled electrolytic medium for example an uncontrolled aqueous medium such as tap water.
  • FIG. 4 is an image taken by the camera 7 when the electrolytic medium 3 is a chemically uncontrolled aqueous medium, in this case tap water.
  • Such a control would be particularly interesting for a chemically controlled electrolytic medium, more generally for any electrolytic medium (controlled or not) and even more generally for any process allowing the localized production of gas bubbles; i.e. that the medium considered is an electrolytic medium or not.
  • An object of the invention is to provide a method for better control of gas bubbles produced in a localized manner.
  • the invention proposes a method of controlling at least one gas bubble produced in a localized manner in a medium allowing the displacement of the at least one gas bubble, characterized in that it comprises a step consisting in generating at least one burst of ultrasound in the direction of said at least one gas bubble, said at least one burst being emitted over a burst duration at least partially covering a period over which gas is actually produced.
  • the method may comprise at least one of the following steps, taken alone or in combination:
  • gas bubbles produced in a localized manner are controlled at a controlled frequency, which is to say that the localized production of gas bubbles is controlled at a frequency, called the controlled production frequency, and ultrasound bursts are generated which are then repeated at a frequency of repetition equal to or substantially equal to the controlled frequency of production of gas bubbles in a localized manner;
  • the electrode having a peak shape and controlling the frequency and amplitude of said voltage signal to produce bubbles of a gas in the electrolytic medium in a localized manner at the tip of the electrode at a controlled frequency, namely said controlled production frequency; the frequency of the voltage signal is controlled so that said signal is periodic;
  • the signa! voltage is sinusoidal, rectangular, sawtooth or in the form of a Dirac comb
  • the voltage signal is alternating
  • control frequency of the localized production of the gas bubbles and the frequency of repetition of the ultrasound bursts are modified so that this repetition frequency remains equal to or substantially equal to the controlled frequency of production of the gas bubbles in a localized manner to modify the spacing between the bubbles;
  • the electrode having a peak shape and controlling the amplitude of said signa! voltage generating said at least one gas bubble in the electrolytic medium in a localized manner at the tip of the electrode;
  • the voltage signal is a Dirac peak;
  • the amplitude of the voltage signal is varied to control the size of the at least one gas bubble produced
  • the medium allowing the displacement of said at least one bubble of gas is a liquid medium or a gel
  • the medium allowing the displacement of said at least one bubble of gas is a chemically uncontrolled liquid medium
  • chemically uncontrolled liquid medium is an aqueous medium, such as tap water
  • the sound pressure of the ultrasounds in the or each burst of ultrasound is between 5 kPa and 15 kPa.
  • FIG. 5 represents a device making it possible to implement the method according to the invention, which notably comprises means for generating ultrasound in a first view according to FIG. 5 (a) and a second view in accordance with FIG. ) which is a side view with respect to the view of Figure 5 (a);
  • FIG. 6 represents the production of calibrated gas bubbles regularly spaced according to the process according to the invention implemented with the device of FIG. 5;
  • FIG. 7 represents the production of calibrated gas bubbles regularly spaced according to the process according to the invention implemented with the device of FIG. 5, under application conditions distinct from those of FIG. 6;
  • FIG. 8 represents alternating voltage signals that can be applied to a tip-shaped electrode of the device of FIG. 5;
  • FIG. 9 shows the production of oxygen and dihydrogen bubbles, obtained with the device of FIG. 5 and one of the signals represented in FIG. 8, in the absence of ultrasound;
  • FIG. 10 shows the production of hydrogen bubbles, obtained with the device of FIG. 5 and the use of the signals represented in FIG. 8, in the absence of ultrasound;
  • FIG. 11 shows the production of calibrated and regularly spaced oxygen bubbles as well as calibrated and regularly spaced hydrogen bubbles according to the process according to the invention, obtained with the device of FIG. 5 and one of the signals represented on FIG. Figure 8, in the presence of ultrasound.
  • the device 100 ', as shown in FIG. 5, making it possible to implement a method within the scope of the invention comprises the same elements as the device of the prior art shown in FIG.
  • the device 100 ' essentially comprises an electrode V having a tip-shaped end 1' and a counter-electrode 2 ', the electrodes both being immersed in an electrolytic medium 3'.
  • the electrode ⁇ is connected, for example by means of a voltage amplifier 5 ', to a voltage source 4' whose amplitude and / or frequency, if necessary, are adjustable.
  • the counter electrode 2 ' is connected to the source 4' to close the circuit.
  • the counter electrode 2 'and one of the terminals of the source 4' are also connected to the ground 6 '.
  • a camera 7 'and an optical device 8' are provided to be able to detect and characterize the gas bubbles as for the device 100 of the prior art shown in Figure 1, as shown in Figure 5 (b) which is a partial side view of the view of Figure 5 (a).
  • any other detector adapted for this purpose for example, acoustic detector, resistive, capacitive Certainly can be envisaged.
  • the electrolytic medium 3 ' is, however, not controlled chemically. It can especially be tap water.
  • An electrolytic medium for example liquid, chemically uncontrolled is a medium in which there is no control of ions and dissolved gas. Indeed, and as a reminder, a definition of a chemically controlled electrolytic medium has been provided previously in support of the presentation of article D2, such a medium being associated with an electrolytic medium perfectly controlled in ions and in dissolved gases. .
  • This chemically uncontrolled electrolytic medium is generally a liquid medium or gel which has sufficient electrical conductivity to allow the displacement of electric charges (ions) to achieve, at the frequency of the selected voltage signal, at least one reduction reaction (at the cathode) and / or oxidation (at the anode). This then makes it possible to generate a predetermined quantity of gas.
  • the value of this electrical conductivity will be chosen in the range 0.5 and 0.00005 siemens / meter.
  • the device 100 ' differs from the device 100 of the prior art shown in FIG. 1 by the presence of a means 20' for generating ultrasound at a power (amplitude, pressure of the acoustic wave) and a adjustable frequency.
  • This means 20 ' comprises an ultrasound generator 21' connected to a voltage source 22 'whose amplitude and frequency are adjustable.
  • Example of embodiment of the device 100 'to implement a method within the scope of the invention (Example 1).
  • the electrode 1 'and the counter-electrode 2' are made of platinum.
  • the electrode 1 is of type L.
  • the electrolytic medium 3 not controlled chemically is tap water (see http://www.cieau.com standards; fa fa tap water quality .pdf), Ph measured 7.5 for this test, the average pH of Marseille waters where this test was performed being 8.1 and more generally between 6.5 and 9).
  • the source 4 ' connected to the electrodes 1', 2 ', generates a first reciprocal and periodic control signal, in this case sinusoidal, whose frequency is 10 Hz and the amplitude of 50V PP (peak to peak).
  • the source 22 'associated with the ultrasound generator 21' makes it possible to generate a second control signal comprising ultrasonic bursts.
  • burst length (term “burst length” according to the English terminology), for example 10ms, at a frequency of 1 MHz (in practice, this corresponds to several thousand cycles on the salvo duration). It is in these circumstances that the present example has been implemented.
  • the ultrasound has frequencies between 16 kHz and 100 MHz (for example), which makes it possible, in all cases, to generate at least a few hundred bursts of ultrasound during the burst duration.
  • Each ultrasound burst can be centered on an extremal value of the first control signal, in this case an alternating and periodic sinusoidal signal, when the production of gas bubbles is the most important.
  • burst duration at least partially covers a duration of the first control signal during which a production of gas bubbles is effective.
  • ultrasonic generator 21 As part of the test, ie ultrasonic generator 21 'has also been implemented under the aforementioned conditions.
  • the successive bursts must be generated at a repetition frequency equal to or substantially equal to the frequency of the voltage signal from the source 4 ', namely in this case 0Hz.
  • the gas bubbles have a diameter of about 17 microns, with a variation of 4% (calibration). Moreover, the distance separating two successive gas bubbles is about 400 microns.
  • the adequacy between the burst repetition frequency and the frequency of the first control signal (from your source 4 ') makes it possible to obtain gas bubbles which are calibrated with respect to one another and the control of the spacing between two gas bubbles.
  • the frequency of the first control signal and accordingly, the burst repetition frequency it is possible by changing the frequency of the first control signal and accordingly, the burst repetition frequency, to vary the spacing between the gas bubbles.
  • the frequency of the first control signal and accordingly, the burst repetition frequency it is possible by changing the frequency of the first control signal and accordingly, the burst repetition frequency, to vary the spacing between the gas bubbles.
  • This adequacy also makes it possible to maintain the stability of the size of these bubbles over time.
  • the duration of each burst length burst then makes it possible to control the size of the gas bubbles produced. Indeed, the longer the burst duration, the more time is available to collect the volume of gas produced by the electrolysis.
  • the size of the produced gas bubbles can be controlled other than with the setting of the ultrasound burst duration.
  • the signal from the source 4 '(first control signal) voltage supplying the electrode 1 1 is an alternating and periodic signal, in this case sinusoidal.
  • the shape of this first reciprocal and periodic control signal does not matter much to obtain a production of gas bubbles located at the tip 11 'of the electrode 1', whether the electrolytic medium is controlled or not on the chemical plane.
  • This alternating and periodic signal (source 4 ') can therefore be a sinusoidal form signal (case of example 1), square, rectangular, in the form of ramps or in another form. What matters is the adequacy between the frequencies of the first and second control signals, the acoustic pressure of the ultrasound bursts, and that the burst duration covers at least partially a duration over which the first control signal effectively allows a production of gas bubbles.
  • FIG. 8 shows an example of two alternating and periodic voltage signals that may come from the source 4 ', each of which is in the form of ramps (sawtooth signal, signal S1, signal S2 ).
  • oxygen (O 2 ) and dihydrogen (H 2 ) are produced at the anode and at the cathode, respectively.
  • an alternating voltage signal such as a ramp-type signal
  • the electrode 1 ' is successively the anode or the cathode.
  • the alternating voltage signal of the ramp type is chosen because it makes it possible to organize the successive production of the oxygen and dihydrogen bubbles.
  • FIG. 9 represents a beam of oxygen and dihydrogen bubbles successively produced at the tip 11 'of the electrode 1', for an electrolytic solution 3 'formed by tap water and with the voltage signal S1 represented by FIG. in Figure 8, frequency 10Hz.
  • FIG. 10 shows a hydrogen fuel cell bundle produced at the tip 11 'of the electrode 1', for an electrolytic solution 3 'formed by tap water and with the voltage signal S2 shown in FIG. 8, frequency 10Hz.
  • FIGS. 9 and 10 are to be compared with FIG. 4, the only difference concerning the voltage signal delivered by the source 4 '(with respect to the operating mode allowing the results of FIG. 4 to be obtained, the differences certainly relate to the shape of this signal, but above all, the extreme values of the voltage of this signal, whether it is the signal S1 or the signal S2).
  • each burst was sent over a burst duration of 10 ms, at a frequency of 1 Hz and the successive bursts were also generated at a repetition frequency equal to the frequency of the voltage signal S1. (production of H 2 and 0 2 ) from the source 4 ', namely in this case 10Hz.
  • the sound pressure provided by the ultrasound at each burst is about 10kPa and is generally between 5kPa and 15kPa.
  • the duration of ultrasound burst covers at least partially a duration on which the sawtooth signal actually allows the production of gas bubbles.
  • the oxygen bubbles are then calibrated and arranged in a regular manner. This is also the case for hydrogen bubbles.
  • FIG. 11 is to be compared with FIG. 9, the only difference in the experimental conditions between these two figures being related to the application of ultrasound according to the process according to the invention in the electrolytic medium 3 'which is not chemically controlled. .
  • Example 2 End of Example 2.
  • a sinusoidal alternating and periodic signal (example 1) emitted by the source 4 'and of an alternating and periodic signal under the form of ramps (example 2).
  • any other form of alternating and periodic signal can be envisaged for the first control signal.
  • a first periodic but non-alternative control signal can also be envisaged. It is thus possible to produce gas bubbles of a given type, which are calibrated with a regular spacing.
  • a first control signal that may be used for this purpose may be a sinusoidal signal having an average value strictly greater than or strictly less than the zero value.
  • Another first control signal that may be used for this purpose may be a periodic sequence of pulse signals (Dirac comb).
  • the duration over which the first control signal actually allows a production of gas bubbles corresponds to the width of the peak of Dirac that is emitted by the source 4 '.
  • the burst length must then at least partially cover the duration of the width of the Dirac peak.
  • first control signal source 4 '
  • This can for example be obtained by Dirac peaks, emitted at non-regular time intervals from one peak to another.
  • the gas bubbles issuing from the tip 11 'of the electrode then remain calibrated, the size of these gas bubbles being stable over time, but their spacing is not periodic and differs according to the shape of the gas.
  • first control signal non-periodic.
  • the invention is particularly advantageous for use with a non-chemically controlled electrolytic medium, it also provides a better stability of gas bubbles over time in a controlled electrolytic medium.
  • all of the above examples are based on a production of gas bubbles taking place in an electrolytic medium since in such a medium, the use of a tip-shaped electrode makes it possible to generate localized gas bubbles at the tip. electrode (see article D2).
  • This electrolytic medium may be a liquid medium or a gel.
  • the gas bubbles can then be caused to move in a liquid medium, gel type or simply in any medium allowing the displacement of gas bubbles produced.
  • the manner of operating to produce localized gas bubbles is of no importance, the main point being to be able to subject the gas bubbles thus produced in a localized manner to ultrasound.
  • the invention is not limited to the production of several gas bubbles. It is indeed quite possible to be interested in the production of a single gas bubble.
  • this can be achieved with the device described in support of Example 1, with a signal from the source 4 which is a Dirac peak.
  • the amplitude of this Dirac peak can be controlled and such a peak always has frequency information that will effectively produce said bubble.
  • the ultrasound burst is then generated in the direction of said at least one gas bubble as described in support of Example 1.
  • the burst is issued over a salvage time covering at least partially a duration over which gas is actually produced (duration of the Dirac peak, here).

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Infusion, Injection, And Reservoir Apparatuses (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de contrôle d'au moins une bulle de gaz produite de manière localisée dans un milieu (3') autorisant le déplacement de ladite au moins une bulle de gaz, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à générer au moins une salve d'ultrasons en direction de ladite au moins une bulle de gaz, ladite au moins une salve étant émise sur une durée de salve recouvrant au moins partiellement une durée sur laquelle du gaz est effectivement produit.

Description

PROCEDE DE CONTROLE D'AU MOINS UNE BULLE DE GAZ PRODUITE DE MANIERE LOCALISEE.
L'invention concerne un procédé de contrôle d'au moins une bulle de gaz produite de manière localisée.
Différents procédés de ce type existent.
On peut citer par exemple un procédé de génération de bulles de gaz localisées exploitant la microfluidique tel que décrit dans l'article de P. Garstecki et al. « Formation of bubbles and droplets in microfluidic Systems », Bulletin of the polish academy of science, 2005, Vol. 53, No. 4 (D1). D1 consiste à faire passer un liquide dans des micro-canaux, un gaz permet de cisailler l'écoulement, et un capillaire évacue les bulles de gaz. Les bulles de gaz ainsi produites sont nécessairement localisées en sortie de ce capillaire.
Pour produire et contrôler des bulles de gaz avec ce procédé, des conditions très particulières doivent être mises en oeuvre. Il est en effet nécessaire d'effectuer la fabrication des microcanaux en salle blanche et d'utiliser ensuite des liquides très purs en environnement propre pour éviter tout bouchage des microcanaux ou capillaires, par exemple par des poussières. De plus, il est nécessaire d'ajouter un surfactant. Ce surfactant modifie les propriétés du milieu dans lequel les bulles de gaz se trouvent. La fréquence et la taille des bulles sont réglées, dans une certaine mesure fixée par les dimensions de la buse, en ajustant la pression du gaz et le débit du liquide.
Un autre procédé est proposé dans l'article de Hammadi & al., « Field nano-Iocalization of gas bubble production from water electrolysis », Applied Physic Letters, 103, 223106 (2013) (D2) et est décrit par la suite de manière détaillée.
D2 montre que, dans un milieu éiectrolytique parfaitement contrôlé en ions et en gaz dissous (contrôlé chimiquement), en l'occurrence une solution de H2S0 à faible concentration (10"5 à 10"2 mol.l"1, dans milieu aqueux) et en utilisant une électrode dont l'extrémité présente une forme de pointe ainsi qu'une contre- électrode toutes les deux plongées dans le milieu éiectrolytique, il est possible de générer des bulles de gaz de façon localisée au niveau de la pointe de l'électrode, en l'occurrence à l'extrémité de cette pointe.
A cet effet, il convient de régler judicieusement la tension (amplitude et fréquence du signal de tension) appliquée entre l'électrode et la contre- électrode. Le dispositif 100 utilisé dans D2 est reproduit sur la figure 1.
Il comporte pour l'essentiel une électrode 1 présentant une extrémité 1 1 en forme de pointe, par exemple réalisée en platine, et une contre- électrode 2, par exemple réalisée en platine, les électrodes étant toutes les deux plongées dans le milieu électroiytique 3. L'électrode 1 est reliée, par exemple par l'intermédiaire d'un amplificateur de tension 5, à une source 4 de tension, qui produit en l'occurrence une tension alternative périodique dont l'amplitude et la fréquence sont réglables. La contre-électrode 2 est reliée à la source 4 pour fermer le circuit. La contre-électrode 2 et l'une des bornes de la source 4 sont par ailleurs reliées à la masse 6.
Une caméra 7 est prévue pour visualiser les bulles de gaz issues de l'électrode 1. Un dispositif optique 8 peut être envisagé entre la caméra 7 et la cuve 9 comportant le milieu électroiytique 3 dans lequel les bulles de gaz sont produites, La caméra 7 permet de réaliser des mesures sur ces bulles de gaz (bulles de 02 ou H2), ce qui permet de caractériser le phénomène d'électrolyse prenant place, lequel intervient dans de nombreuses applications concrètes. La caméra 7 et, le dispositif optique 8 associé, permettent de détecter et contrôler la taille des bulles de gaz produites en temps réel.
La figure 2 représente, de façon schématique, les différents régimes de génération des bulles de gaz sur l'électrode 1 , en fonction de la valeur de la tension V et de la fréquence f du signal de tension alternative fourni par la source 4 associée (production de bulles de gaz délocalisées sur l'ensemble de l'électrode 1 ; production de bulles de gaz localisées à la pointe de l'électrode 1 ; aucune production de bulles de gaz).
En particulier, on note que la production de bulles de gaz localisées au niveau de la pointe de l'électrode 1 est obtenue pour des valeurs de tension crête à crête comprises entre Va et Vs et une fréquence supérieure à fs ; à savoir entre les deux courbes de tension Va et Vs (Exemple d'une pointe d'angle de conicité de l'ordre de 60°, Va = 60V, Vs = 300V pour des fréquences comprises entre 80 Hz et 400 Hz).
Dans ces conditions, la figure 3 représente une vue donnée par la caméra 7, qui prouve bien que ta production des bulles de gaz est localisée au niveau de la pointe de l'électrode 1 et par ailleurs, que des bulles de gaz calibrées et régulièrement espacées sont générées, i.e. des bulles de gaz dont les dimensions sont similaires, à quelques pourcents près et dont l'espacement est régulier (cette régularité est lié au fait que le signal issu de la source 4 est périodique ; mais un contrôle de l'espacement entre bulles peut tout à fait être effectué sans que le signal ne soit périodique).
Il convient de noter que les valeurs exactes de Va, Vs et fs dépendent de la concentration du H2S04 dans le milieu électrolytique 3.
Ces valeurs permettent, comme on peut le constater sur la figure 2, pour une électrode en forme de pointe donnée et un milieu électrolytique contrôlé chimiquement qui est donné, de définir un « espace de fonctionnement » dans lequel on sait qu'une présence de bulles de gaz localisées pourra être détectée. Par ailleurs, grâce à ta détection de bulles de gaz monodispersées, il est possible de localiser cet « espace de fonctionnement », sans connaissance préalable de la nature de l'électrode en forme de pointe et du milieu électrolytique contrôlé chimiquement.
Le procédé proposé dans le document D2 permet ainsi de produire des bulles de gaz calibrées et dont l'espacement est contrôlé, notamment de manière régulière lorsque le signal imprimé à l'électrode est périodique.
La mise en oeuvre du procédé selon D2 est plus aisée que le procédé selon D1 contraint par l'inertie du fluide et du gaz, en particulier pour obtenir des bulles de gaz calibrées et avec un espacement contrôlé.
Toutefois, le procédé proposé dans le document D2 présente certaines limites.
Ainsi, il convient de mettre en oeuvre un milieu électrolytique parfaitement contrôlé chimiquement, pour obtenir des bulles de gaz calibrées et dont l'espacement est contrôlé. De plus, la stabilité dans le temps de la taille des bulles de gaz ainsi produites n'est pas toujours satisfaisante.
Les auteurs du document D2 ont ensuite remplacé le milieu électrolytique contrôlé chimiquement par un milieu électrolytique non contrôlé chimiquement, par exemple un milieu aqueux non contrôlé tel que l'eau du robinet.
En effet, il existe un besoin de pouvoir produire des bulles de gaz de façon localisée dans un milieu électrolytique non contrôlé chimiquement, tel qu'un milieu aqueux non contrôlé chimiquement (comme l'eau du robinet), lesdites bulles de gaz étant calibrées et l'espacement entre ces bulles de gaz étant contrôlé. Cela permettrait en effet de mieux comprendre le phénomène d'électrolyse, intervenant dans de nombreuses applications concrètes, avec un milieu électrolytique non contrôlé chimiquement, par exemple l'eau du robinet qui est largement disponible à faible coût. Or, en utilisant le dispositif 100 selon l'art antérieur représenté sur la figure 1 avec un milieu électrolytique non contrôlé chimiquement tel que l'eau du robinet, le demandeur s'est aperçu qu'il n'était pas possible de produire des bulles de gaz à la fois localisées à la pointe de l'électrode, et plus précisément au niveau de l'extrémité de cette pointe, calibrées et dont l'espacement est contrôlé.
C'est ce que montre la figure 4, laquelle est une image prise par la caméra 7 lorsque le milieu électrolytique 3 est un milieu aqueux non contrôlé chimiquement, en l'occurrence de l'eau du robinet).
En effet, une production localisée de bulles de gaz est constatée, sous certaines conditions de tension et de fréquence imprimées par la source 4, mats ces bulles de gaz présentent des dimensions très variées donc non calibrées, et de plus, la production et la répartition des bulles de gaz apparaissent comme aléatoires.
Par ailleurs, le demandeur a également pu constater que la taille des bulles de gaz ainsi produites n'était pas stable du tout dans le temps.
Un tel contrôle serait particulièrement intéressant pour un milieu électrolytique contrôlé chimiquement, plus généralement pour tout milieu électrolytique (contrôlé ou non) et encore plus généralement pour tout procédé permettant la production localisée de bulles de gaz ; i.e. que le milieu considéré soit un milieu électrolytique ou non.
Un objectif de l'invention est de proposer un procédé permettant de mieux contrôler des bulles de gaz produites de manière localisée.
A cet effet, l'invention propose un procédé de contrôle d'au moins une bulle de gaz produite de manière localisée dans un milieu autorisant le déplacement de ladite au moins une bulle de gaz, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à générer au moins une salve d'ultrasons en direction de ladite au moins une bulle de gaz, ladite au moins une salve étant émise sur une durée de salve recouvrant au moins partiellement une durée sur laquelle du gaz est effectivement produit.
Le procédé pourra comprendre l'une au moins des étapes suivantes, prises seules ou en combinaison :
on contrôle des bulles de gaz produites de manière localisée à une fréquence contrôlée, ce qui revient à dire que la production localisée de bulles de gaz est contrôlée à une fréquence, dite fréquence contrôlée de production, et on génère des salves d'ultrasons qui sont alors répétées à une fréquence de répétition égale ou sensiblement égale à la fréquence contrôlée de production des bulles de gaz de manière localisée ;
il comprend les étapes suivantes : appliquer un signal de tension entre une électrode et une contre-électrode plongées dans un milieu électrolytique, l'électrode présentant une forme de pointe et contrôler la fréquence et l'amplitude dudit signal de tension pour produire des bulles de gaz dans le milieu électrolytique de manière localisée au niveau de la pointe de l'électrode à une fréquence contrôlée, à savoir ladite fréquence contrôlée de production ; la fréquence du signal de tension est contrôlée pour que ledit signai soit périodique ;
le signa! de tension est sinusoïdal, rectangulaire, en dents de scies ou sous la forme d'un peigne de Dirac ;
le signal de tension est alternatif ;
on modifie la fréquence de contrôle de production localisée des bulles de gaz ainsi que la fréquence de répétition des salves d'ultrasons pour que cette fréquence de répétition reste égale ou sensiblement égale à la fréquence contrôlée de production des bulles de gaz de manière localisée pour modifier l'espacement entre les bulles ;
il comprend les étapes suivantes : appliquer un signai de tension entre une électrode et une contre-électrode plongées dans un milieu électrolytique, l'électrode présentant une forme de pointe et contrôler l'amplitude dudit signa! de tension pour produire ladite au moins une bulle de gaz dans le milieu électrolytique de manière localisée au niveau de la pointe de l'électrode ; le signal de tension est un pic de Dirac ;
on modifie l'amplitude du signal de tension pour contrôler la taille de ladite au moins une bulle de gaz produite ;
il comprend une étape consistant à régler la durée de la ou chaque saive d'ultrasons, pour contrôler la taille de ladite au moins une bulle de gaz produite ;
il comprend une étape consistant à débuter une salve d'ultrasons après le début d'une production de ladite au moins une bu!!e de gaz ;
le milieu autorisant le déplacement de ladite au moins une bulle de gaz est un milieu liquide ou un gel ;
le milieu autorisant le déplacement de ladite au moins une bulle de gaz est un milieu liquide chimiquement non contrôlé ; - ie miiieu liquide chimiquement non contrôlé est un milieu aqueux, tel que l'eau du robinet ;
- la pression acoustique des ultrasons dans la ou chaque salve d'ultrasons est comprise entre 5kPa et 15kPa.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite au regard des dessins annexés, sur lesquels :
la figure 5 représente un dispositif permettant de mettre en œuvre le procédé selon l'invention, lequel comporte notamment des moyens pour générer des ultrasons selon une première vue conforme à la figure 5(a) et une deuxième vue conforme à la figure 5(b) qui est une vue de côté par rapport à la vue de la figure 5(a) ;
la figure 6 représente la production de bulles de gaz calibrées et régulièrement espacées conformément au procédé selon l'invention mis en œuvre avec le dispositif de la figure 5 ;
la figure 7 représente la production de bulles de gaz calibrées et régulièrement espacées conformément au procédé selon l'invention mis en œuvre avec le dispositif de la figure 5, dans des conditions d'application distinctes de celles de la figure 6 ;
la figure 8 représente des signaux alternatifs de tension susceptibles d'être appliqués à une électrode en forme de pointe du dispositif de la figure 5 ;
la figure 9 représente fa production de bulles de dioxygène et de dihydrogène, obtenue avec le dispositif de la figure 5 et l'un des signaux représentés sur la figure 8, en l'absence d'ultrasons ;
la figure 10 représente la production de bulles de dihydrogène, obtenue avec le dispositif de la figure 5 et l'emploi des signaux représentés sur la figure 8, en l'absence d'ultrasons ;
la figure 1 1 représente fa production de bulles de dioxygène calibrées et régulièrement espacées ainsi que de bulles de dihydrogène calibrées et régulièrement espacées conformément au procédé selon l'invention, obtenues avec le dispositif de la figure 5 et l'un des signaux représentés sur la figure 8, en présence d'ultrasons. Le dispositif 100', tel que représenté sur la figure 5, permettant de mettre en œuvre un procédé entrant dans le cadre de l'invention comprend les mêmes éléments que le dispositif de i'art antérieur représenté sur la figure 1.
Ainsi, le dispositif 100' comprend pour l'essentiel une électrode V présentant une extrémité 1 ' en forme de pointe et une contre-électrode 2', les électrodes étant toutes les deux plongées dans un milieu électrolytique 3'. L'électrode Γ est reliée, par exemple par l'intermédiaire d'un amplificateur de tension 5', à une source 4' de tension dont l'amplitude et/ou la fréquence, le cas échéant, sont réglables. La contre-électrode 2' est reliée à la source 4' pour fermer le circuit. La contre-électrode 2' et l'une des bornes de la source 4' sont par ailleurs reliées à la masse 6'. Une caméra 7' et un dispositif optique 8' sont prévus pour pouvoir détecter et caractériser les bulles de gaz comme pour le dispositif 100 de i'art antérieur représenté sur fa figure 1 , comme cela est représenté sur la figure 5(b) qui est une vue de côté partielle de la vue de la figure 5(a). A la place de la caméra 7' associée au dispositif optique 8', on peut toutefois envisager tout autre détecteur adapté à cet effet (exemple ; détecteur acoustique, résistif, capacitif... ).
Le milieu électrolytique 3' est toutefois non contrôlé chimiquement. Il peut notamment s'agir d'eau du robinet.
Un milieu électrolytique, par exemple liquide, chimiquement non contrôlé est un milieu dans lequel il n'existe pas de contrôle en ions et en gaz dissous. En effet, et pour rappel, une définition d'un milieu électrolytique chimiquement contrôlé a été fournie précédemment à l'appui de la présentation de l'article D2, un tel milieu étant associé à un milieu électrolytique parfaitement contrôlé en ions et en gaz dissous.
Ce milieu électrolytique chimiquement non contrôlé est généralement un milieu liquide ou gel qui présente une conductivité électrique suffisante pour permettre le déplacement de charges électriques (ions) pour réaliser, à la fréquence du signai de tension choisie, au moins une réaction de réduction (à la cathode) et/ou d'oxydation (à l'anode). Ceci permet alors de générer une quantité prédéterminée de gaz. Préférentiellement, la valeur de cette conductivité électrique sera choisie dans la plage 0.5 et 0.00005 siemens/mètre.
Le dispositif 100' se différencie cependant du dispositif 100 de l'art antérieur représenté sur la figure 1 par la présence d'un moyen 20' pour générer des ultrasons à une puissance (amplitude ; pression de l'onde acoustique) et une fréquence réglables. Ce moyen 20' comprend un générateur d'ultrasons 21 ' connecté à une source 22' de tension dont l'amplitude et la fréquence sont réglables.
Exemple de réalisation du dispositif 100' pour mettre en œuyre un procédé entrant dans le cadre de l'invention (exemple 1).
L'électrode 1 ' et fa contre-électrode 2' sont réalisées en platine. L'électrode 1 est de type L.
Le milieu électrolytique 3' non contrôlé chimiquement est de l'eau du robinet (cf. normes http://www.cieau.com; « fa qualité de l'eau du robinet .pdf » ; Ph mesuré de 7,5 pour ce test ; le Ph moyen des eaux de Marseille où a été réalisé ce test étant de 8,1 et compris plus généralement entre 6,5 et 9).
Les conditions ci-dessus sont cefies qui permettent d'aboutir à la situation représentée sur la figure 4.
Dans l'exemple de la figure 4, la source 4', connectée aux électrodes 1 ', 2', génère un premier signal de commande alternatif et périodique, en l'occurrence sinusoïdal, dont la fréquence est de 10Hz et l'amplitude de 50VPP (crête à crête).
La source 22' associé au générateur d'ultrasons 21 ' permet de générer un deuxième signal de commande comprenant des salves d'ultrasons.
Chaque salve est émise sur une durée dite « durée de salve » (« burst length » selon la terminologie anglo-saxonne), par exemple de 10ms, à une fréquence de 1 MHz (en pratique, cela correspond donc à plusieurs milliers de cycles sur la durée de salve). C'est d'ailleurs dans ces conditions que le présent exemple a été mis en œuvre.
De manière générale, les ultrasons présentent des fréquences comprises entre 16kHz et 100MHz (par exemple), ce qui permet bien, dans tous les cas, de générer au moins quelques centaines de salves d'ultrasons pendant la durée de salve.
Chaque salve d'ultrasons peut être centrée sur une valeur extrémale du premier signal de commande, en l'occurrence un signal alternatif et périodique sinusoïdal, lorsque la production de bulles de gaz est la plus importante.
Il peut en être autrement, l'essentiel étant que la durée de salve recouvre au moins partiellement une durée du premier signal de commande au cours de laquelfe une production de bulles de gaz est effective. Dans le cadre du test, ie générateur d'ultrasons 21' a d'ailleurs été mis en œuvre dans les conditions précitées.
De plus, les salves successives doivent être générées à une fréquence de répétition égale ou sensiblement égale à la fréquence du signal de tension issue de la source 4', à savoir en l'occurrence de 0Hz.
Par ailleurs, la pression acoustique des ultrasons à chaque salve est de 10 kPa environ dans ce test (cela peut par exemple être obtenu avec un transducteur Imasonic 1 MHz, 0 = 32mm, focalisé à 9 cm, Ref 1718 C104 ; 10 V). Plus généralement, on pourrait envisager une pression acoustique des ultrasons comprise entre 5kPa et 15kPa. De manière générale, la pression acoustique doit être suffisamment importante pour permettre une agglomération de bulles et, dans le même temps, suffisamment faible pour ne pas générer de bulles perturbatrices, qui seraient par exemple liées à l'atteinte du régime de cavitation.
Dans ces conditions, les bulles de gaz présentent un diamètre d'environ 17 microns, avec une variation de 4% (calibration). Par ailleurs, la distance séparant deux bulles de gaz qui se succèdent est d'environ 400 microns.
îl s'agit de la situation représentée sur la figure 6.
Ainsi, en comparant les figures 4 et 6, on note alors que le mode particulier de génération des ultrasons proposé dans le cadre de l'invention permet d'obtenir dans ce milieu électrolytique 3' non contrôlé chimiquement, des bulles de gaz calibrées et par ailleurs, qui présentent une disposition non aléatoire. De plus, on constate qu'avec le procédé de génération de bulles de gaz selon l'invention, la taille des bulles de gaz est stable dans le temps.
L'adéquation entre la fréquence de répétition des salves et la fréquence du premier signal de commande (issu de ta source 4') permet d'obtenir des bulles de gaz qui sont calibrées tes unes par rapport aux autres et le contrôle de l'espacement entre deux bulles de gaz.
Ainsi, il est possible en changeant la fréquence du premier signal de commande et en conséquence, la fréquence de répétition des salves, de faire varier l'espacement entre les bulles de gaz. En particulier, on peut générer une première série de bulles de gaz avec un premier espacement puis générer une deuxième série de bulles avec un autre espacement.
Cette adéquation permet également le maintien de la stabilité de la taille de ces bulles dans le temps. La durée de chaque salve d'ultrasons (« burst length ») permet alors de contrôler la taille des bulles de gaz produites. En effet, plus la durée de salve est élevée, plus on a de temps pour rassembler le volume de gaz produit par l'électrolyse.
Ainsi, par rapport à l'exemple 1 fourni précédemment, le fait de modifier la durée de chaque salve d'ultrasons de 10ms à 50 ms, en gardant les mêmes autres hypothèses, permet de produire des bulles de gaz de dimensions plus importantes.
C'est la situation représentée sur la figure 7.
Sur cette figure 7, on observe une bulle de gaz de dimension d'environ 31 microns, plus importante que la dimension de 17 microns obtenue avec l'exemple 1 détaillé ci-dessus (figure 6 ; durée de chaque salve de 10ms).
Par ailleurs, la variation des dimensions entre les différentes bulles de gaz reste inférieure à 4% (calibration), ici également (figure 7).
Fin de l'exemple 1
Il convient de noter que la taille des bulles de gaz produites peut être contrôlée autrement qu'avec le réglage de la durée de salve des ultrasons.
En effet, on peut régler l'amplitude de la source 4' de tension alimentant l'électrode l' pour influencer la production des bulles de gaz au niveau de la pointe de 1 1 ' de l'électrode 1 '. La taille des bulles de gaz produites au niveau de la pointe 1 1 ' de l'électrode 1 croît avec la tension du premier signal de commande (en pratique, on modifie l'amplitude du signal). Cette voie est cependant moins pratique car elle peut aboutir à ce que la production des bulles de gaz soit délocalisée ou qu'il n'y ait tout simplement plus de productions de bulles de gaz (cf. les principes représentés sur la figure 2, pour le cas d'un milieu électrolytique 3 contrôlé chimiquement).
Avec le contrôle de la taille des bulles de gaz produites, on peut ainsi générer une première série de bulles d'une première taille, effectuer un réglage (de préférence, de la durée de salve) pour obtenir une deuxième série de bulles d'une deuxième taille et ainsi de suite.
Dans le cas de l'exemple 1 , le signai issu de la source 4' (premier signal de commande) de tension alimentant l'électrode 11 est un signal alternatif et périodique, en l'occurrence sinusoïdal. La forme de ce premier signal de commande alternatif et périodique importe peu pour obtenir une production de bulles de gaz localisées à !a pointe 11 ' de l'électrode l', que le milieu électroiytique soit contrôlé ou non sur le pian chimique.
Ce signal alternatif et périodique (source 4') peut donc être un signal de forme sinusoïdale (cas de l'exemple 1), carrée, rectangulaire, se présentant sous la forme de rampes ou sous une autre forme. Ce qui importe reste en effet l'adéquation entre les fréquences des premier et deuxième signaux de commande, ia pression acoustique des salves d'ultrasons et que la durée de salve recouvre au moins partiellement une durée sur laquelle le premier signal de commande permet effectivement une production de bulles de gaz.
Sur ta figure 8, on a représenté un exemple de deux signaux alternatifs et périodiques de tension susceptibles d'être issus de la source 4', et se présentant chacun sous la forme de rampes (signal en dents de scie ; signal S1 ; signal S2).
Dans le domaine de l'électrolyse, il est connu que le dioxygène (02) et le dihydrogène (H2) sont produits à l'anode et à la cathode, respectivement. Cependant, avec un signal alternatif de tension, tel qu'un signal de type rampe, l'électrode 1 ' est successivement l'anode ou la cathode.
Ainsi, il est possible de produire des bulles de gaz localisées au niveau de ia pointe 1 1 ' de l'électrode 1 ', qui sont :
- soit des bulles de dioxygène et de dihydrogène, lorsque la tension est à ia fois au- dessus du seuil de production du dihydrogène et du seuil de production du dioxygène (i.e. seuil positif ; trait horizontal en pointillés), ce qui correspond au signal S1 de la figure 8 (signal en dents de scie ; trait continu);
- soit des bulles de dihydrogène lorsque la tension est au-dessus du seuil de production du dihydrogène (seuil négatif ; trait horizontal en pointillés), mais au- dessous du seuil de production des bulles de dioxygène (seuil positif), ce qui correspond au signal S2 de la figure 8 (signal en dents de scie ; trait en pointillés).
Le signal alternatif de tension de type rampe est choisi car il permet de bien organiser ia production successive des bulles de dioxygène et de dihydrogène.
La figure 9 représente un faisceau de bulles de dioxygène et de dihydrogène successivement produites à la pointe 1 1 ' de l'électrode 1 ', pour une solution électroiytique 3' formée par de l'eau du robinet et avec le signal de tension S1 représenté sur la figure 8, de fréquence 10Hz. La figure 10 représente un faisceau de builes de dihydrogène produites à la pointe 1 1 ' de l'électrode 1 ', pour une solution électrolytique 3' formée par de l'eau du robinet et avec le signal de tension S2 représenté sur !a figure 8, de fréquence 10Hz.
Les figures 9 et 10 sont à rapprocher de la figure 4, la seule différence concernant le signal de tension délivré par la source 4' (par rapport au mode opératoire permettant d'aboutir aux résultats de la figure 4, les différences concernent certes la forme de ce signal, mais surtout, les valeurs extrémales de la tension de ce signal, que ce soit le signal S1 ou !e signal S2).
Dans les deux cas représentés sur les figures 9 et 10, on constate que les bulles de gaz ne sont ni calibrées, ni régulièrement espacées.
Autre exemple de réalisation du dispositif 100' pour mettre en œuyre un procédé entrant dans le cadre de l'invention (exemple 2).
La source 22' associé au générateur d'ultrasons 21 ' a alors été mise à profit pour générer des salves d'ultrasons, en plus des conditions de mise en œuvre du procédé ayant permis d'aboutir aux résultats de la figure 9. A cet effet, chaque salve a été émise sur une durée de salve (« burst length ») de 10ms, à une fréquence de 1 Hz et les salves successives ont par ailleurs été générées à une fréquence de répétition égale à la fréquence du signal de tension S1 (production de H2 et de 02) issu de la source 4', à savoir en l'occurrence de 10Hz. La pression acoustique apportée par les ultrasons à chaque salve est de 10kPa environ et est généralement comprise entre 5kPa et 15kPa. Enfin, la durée de salve d'ultrasons recouvre au moins partiellement une durée sur laquelle le signal en dents de scie permet effectivement une production de bulles de gaz.
Ceci a conduit à la possibilité de séparer les bulles de dioxygène et de dihydrogène ainsi qu'à la coalescence des bulles de dioxygène entre elles d'une part et de dihydrogène d'autre part.
Plus précisément comme présenté en figure 1 1 , il a été constaté que la première salve d'ultrasons permettait de coalescer les builes de dioxygène d'une part et les bulles de dihydrogène d'autre part et qu'une seconde salve d'ultrasons permettait la coalescence des bulles de dioxygène avec les bulles de dihydrogène. Si une séparation des deux gaz est désirée, il est possible à l'aide d'un générateur de fonctions arbitraires, de séparer temporellement les arches positives et négatives du premier signal de commande afin d 'éloigner spatialement les bulles de dioxygène et de dihydrogène formées par coalescence et d'éviter que celles-ci ne fusionnent sous l'action des ultrasons.
Dans cette façon, les bulles de dioxygène sont alors calibrées et agencées de manière régulière. C'est également le cas des bulles de dihydrogène.
La figure 1 1 est à comparer avec la figure 9, la seule différence dans les conditions d'expérimentation entre ces deux figures étant liée à l'application d'ultrasons conformément au procédé selon l'invention dans le milieu électrolytique 3' non contrôlé chimiquement.
I! est clair qu'avec le signal S2 (figure 8), on aboutirait à une calïbration des bulles de dihydrogène, lesquelles seraient par ailleurs agencées de manière régulière dans le faisceau de bulles de gaz produites à la pointe 1 1 ' de l'électrode 1 ', comme cela a été montré précédemment (figure 6) et dont la taille serait stable dans le temps.
Fin de l'exemple 2. Dans les exemples présentés précédemment, on a cité le cas d'un signal alternatif et périodique de forme sinusoïdale (exemple 1 ) émis par la source 4' et d'un signal alternatif et périodique se présentant sous la forme de rampes (exemple 2). Comme cela a déjà été précisé, toute autre forme de signal alternatif et périodique peut être envisagée pour le premier signal de commande.
Par ailleurs, un premier signal de commande périodique mais non alternatif peut également être envisagé. On peut ainsi produire des bulles de gaz d'un type donnée, qui sont calibrées avec un espacement régulier.
Un premier signal de commande susceptible d'être employé à cet effet peut être un signal sinusoïdal présentant une valeur moyenne strictement supérieure ou strictement inférieure à la valeur nulle.
Un autre premier signal de commande susceptible d'être employé à cet effet peut être une séquence périodique de signaux impulsionnels (peigne de Dirac). Dans ce cas, la durée sur laquelle le premier signal de commande permet effectivement une production de bulles de gaz correspond à la largeur du pic de Dirac qui est émis par la source 4'. La durée de salve (« burst length ») doit alors recouvrir au moins partiellement la durée de la largeur du pic de Dirac.
De plus, il convient de noter que d'autres types de signaux, non périodiques, peuvent être envisagés pour ce premier signal de commande (source 4'), qu'ils soient alternatifs ou non. Dans ce cas, il convient de prévoir une synchronisation (trigger) de la source d'ultrasons 22' émettant le deuxième signal de commande à la source 4' émettant le premier signal de commande, ce qui permet à la source 22' de suivre la cadence, associé à un signai non périodique, imposée par la source 4'. Cela peut par exemple être obtenu par des pics de Dirac, émis à des intervalles de temps non réguliers d'un pic à l'autre. Les bulles de gaz issues de la pointe 1 1 ' de l'électrode l ' restent alors calibrées, la taille de ces bulles de gaz étant stable dans le temps, mais leur espacement n'est pas périodique et diffère en fonction de la forme du premier signal de commande, non périodique.
De manière générale, quelle que soit la forme du premier signal de commande, il est envisageable de débuter une salve d'ultrasons après le début de la production de bulles pour laisser le gaz s'accumuler, l'essentiel étant , encore une fois, que cette salve d'ultrasons advienne alors qu'une production de gaz est effective. On peut ainsi contrôler l'instant où les bulles de gaz sont produites, à savoir quand la salve commence, mais aussi contrôler la taille des bulles de gaz produites.
Dans la description qui précède, nous avons pu montrer l'avantage de l'utilisation d'une source d'ondes ultrasonores pour, dans un milieu étectrolytique non contrôlé chimiquement, calibrer des bulles de gaz, contrôler l'espacement entre des bulles de gaz, que cet espacement soit périodique (espacement régulier) ou non (espacement non régulier) en fonction des signaux de commande, périodiques ou non, mis en oeuvre et, s'assurer d'une bonne stabilité des bulles de gaz dans le temps.
Ce dernier aspect est particulièrement intéressant.
En effet, si dans un milieu électroiytique contrôlé chimiquement (cf. article D2), il est possible d'obtenir des bulles de gaz calibrées et dont l'espacement est contrôlé, la stabilité de ces bulles de gaz n'est pas toujours satisfaisante.
C'est pourquoi, si l'invention est particulièrement avantageuse pour son utilisation avec un milieu électroiytique non contrôlé chimiquement, elle apporte également une meilleure stabilité des bulles de gaz dans le temps dans un milieu électroiytique contrôlé. Enfin, tous les exemples précités sont basés sur une production de bulles de gaz s'effectuant dans un milieu électrolytique puisque dans un tel milieu, l'utilisation d'une électrode en forme de pointe permet de générer des bulles de gaz localisée à la pointe de l'électrode (cf. article D2).
Ce milieu électrolytique peut être un milieu liquide ou un gel.
Ce n'est pas la seule façon de générer des bulles de gaz localisées.
En effet, dans l'article D1 , des bulles de gaz localisées sont produites autrement que par des électrodes plongées dans un milieu électrolytique.
Il existe par ailleurs d'autres procédés pour générer des bulles de gaz de manière localisée, comme, pour donner d'autres exemples à titres non limitatifs, l'utilisation du phénomène de cavitation ou la mise à profit d'une réaction chimique.
Ainsi, de manière plus générale, les bulles de gaz peuvent alors être amenées à se déplacer dans un milieu liquide, de type gel ou plus simplement dans tout milieu autorisant le déplacement des bulles de gaz produites.
Dans le cadre de l'invention, la façon d'opérer pour produire des bulles de gaz localisées n'a pas d'importance, l'essentiel étant de pouvoir soumettre les bulles de gaz ainsi produites de manière localisée à des ultrasons.
Par ailleurs, l'invention n'est pas limitée à !a production de plusieurs bulles de gaz. Il est en effet tout à fait envisageable de s'intéresser à la production d'une bulle de gaz unique.
Par exemple, cela peut être obtenu avec le dispositif décrit à l'appui de l'exemple 1 , avec un signal issu de la source 4 qui est un pic de Dirac. L'amplitude de ce pic de Dirac peut être contrôlée et un tel pic comporte toujours une information fréquentielie qui permettra effectivement la production de ladite bulle. La salve d'ultrasons est alors générée en direction de ladite au moins une bulle de gaz conformément à ce qui a été décrit à l'appui de l'exemple 1 , Ainsi, ia salve est émise sur une durée de salve recouvrant au moins partiellement une durée sur laquelle du gaz est effectivement produit (durée du pic de Dirac, ici).
II n'est pas interdit de générer une succession de salves d'ultrasons, mais cela n'est pas nécessaire dans ce cas.
Dans ces conditions, on peut générer une bulle de gaz de taille bien contrôlée. La connaissance de cette taille de buile peut alors permettre de déterminer certaines caractéristiques du milieu dans lequel la bulle de gaz se déplace.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de contrôle d'au moins une bulle de gaz produite de manière localisée dans un milieu (3') autorisant le déplacement de ladite au moins une bulle de gaz, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à générer au moins une salve d'ultrasons en direction de ladite au moins une buile de gaz, ladite au moins une salve étant émise sur une durée de saive recouvrant au moins partiellement une durée sur laquelle du gaz est effectivement produit.
2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on contrôle des bulles de gaz produites de manière localisée à une fréquence contrôlée, on génère des salves d'ultrasons qui sont alors répétées à une fréquence de répétition égale ou sensiblement égale à la fréquence contrôlée de production des bulles de gaz de manière localisée.
3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- appliquer un signal de tension entre une électrode et une contre-électrode (2') plongées dans un milieu eiectrolytique (3'), l'électrode (1 ') présentant une forme de pointe (11 ') ;
- contrôler la fréquence et l'amplitude dudit signa! de tension pour produire des bulles de gaz dans le milieu électrolytique (3') de manière localisée au niveau de la pointe (1 ') de l'électrode (V) à une fréquence contrôlée.
4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la fréquence du signa! de tension est contrôlée pour que ledit signal soit périodique.
5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le signal de tension est sinusoïdal, rectangulaire, en dents de scies ou sous la forme d'un peigne de Dirac.
6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le signal de tension est alternatif.
7. Procédé selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'on modifie la fréquence de contrôle de production localisée des bulies de gaz ainsi que la fréquence de répétition des salves d'ultrasons pour que cette fréquence de répétition reste égaie ou sensiblement égale à la fréquence contrôlée de production des bulles de gaz de manière localisée pour modifier l'espacement entre les bulles.
8. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- appliquer un signal de tension entre une électrode (1 ') et une contre-électrode (2') plongées dans un milieu électrolytique (3'), l'électrode (V) présentant une forme de pointe (1 1 ') ;
- contrôler l'amplitude dudit signal de tension pour produire ladite au moins une bulle de gaz dans le milieu électrolytique (3') de manière localisée au niveau de la pointe (1 1 ') de l'électrode (1 ') .
9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le signal de tension est un pic de Dirac.
10. Procédé selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce qu'on modifie l'amplitude du signal de tension pour contrôler la taille de ladite au moins une bulle de gaz produite.
1 1 . Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à régler la durée de la ou chaque salve d'ultrasons, pour contrôler la taille de ladite au moins une bulle de gaz produite.
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à débuter une salve d'ultrasons après le début d'une production de ladite au moins une bulle de gaz.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu (3') autorisant le déplacement de ladite au moins une bulle de gaz est un milieu liquide ou un gel.
14. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que te milieu (3') autorisant le déplacement de ladite au moins une bulle de gaz est un milieu liquide chimiquement non contrôlé.
15. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le milieu liquide chimiquement non contrôlé est un milieu aqueux, tel que l'eau du robinet.
16. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression acoustique des ultrasons dans la ou chaque saive d'ultrasons est comprise entre 5kPa et 15kPa.
PCT/IB2015/057398 2014-09-26 2015-09-25 Procede de controle d'au moins une bulle de gaz produite de maniere localisee WO2016046806A1 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP15780940.1A EP3197595A1 (fr) 2014-09-26 2015-09-25 Procede de controle d'au moins une bulle de gaz produite de maniere localisee
US15/512,666 US10538848B2 (en) 2014-09-26 2015-09-25 Method for controlling at least one gas bubble produced in a localised manner

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1459127 2014-09-26
FR1459127A FR3026315B1 (fr) 2014-09-26 2014-09-26 Procede de controle d'au moins une bulle de gaz produite de maniere localisee

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016046806A1 true WO2016046806A1 (fr) 2016-03-31

Family

ID=51932482

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/IB2015/057398 WO2016046806A1 (fr) 2014-09-26 2015-09-25 Procede de controle d'au moins une bulle de gaz produite de maniere localisee

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10538848B2 (fr)
EP (1) EP3197595A1 (fr)
FR (1) FR3026315B1 (fr)
WO (1) WO2016046806A1 (fr)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110787751A (zh) * 2019-12-04 2020-02-14 中国矿业大学(北京) 一种控制气泡运动的装置和方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008140255A1 (fr) * 2007-05-16 2008-11-20 Energy Master Co., Ltd. Appareil permettant de produire un gaz mélangé d'oxygène-hydrogène
US20120055805A1 (en) * 2008-07-02 2012-03-08 Kirchoff James A Cavitation assisted sonochemical hydrogen production system
US8273236B2 (en) * 2005-12-28 2012-09-25 Omsi Co., Ltd. Process for producing carbon dioxide solution, production apparatus, and carbonated water
WO2013179684A1 (fr) * 2012-06-01 2013-12-05 Hasegawa Tadamasa Appareil de production d'hydrogène gazeux et procédé de production d'hydrogène gazeux

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009055581A2 (fr) * 2007-10-24 2009-04-30 Skintreet, Llc Procédé et dispositif portable destiné au traitement d'affections cutanées
ITTO20110826A1 (it) * 2011-09-15 2013-03-16 Guido Parisi Centrale domestica a piu' funzioni, dispositivo per la sua alimentazione con idrogeno e metodo di funzionamento della stessa

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8273236B2 (en) * 2005-12-28 2012-09-25 Omsi Co., Ltd. Process for producing carbon dioxide solution, production apparatus, and carbonated water
WO2008140255A1 (fr) * 2007-05-16 2008-11-20 Energy Master Co., Ltd. Appareil permettant de produire un gaz mélangé d'oxygène-hydrogène
US20120055805A1 (en) * 2008-07-02 2012-03-08 Kirchoff James A Cavitation assisted sonochemical hydrogen production system
WO2013179684A1 (fr) * 2012-06-01 2013-12-05 Hasegawa Tadamasa Appareil de production d'hydrogène gazeux et procédé de production d'hydrogène gazeux

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ASHOKKUMAR ET AL: "Bubbles in an acoustic field: An overview", ULTRASONICS: SONOCHEMISTRY, BUTTERWORTH-HEINEMANN, GB, vol. 14, no. 4, 2 March 2007 (2007-03-02), pages 470 - 475, XP005911827, ISSN: 1350-4177, DOI: 10.1016/J.ULTSONCH.2006.09.016 *
CATALDO ET AL: "Effects of ultrasound on the yield of hydrogen and chlorine during electrolysis of aqueous solutions of NaCl or HCl", JOURNAL OF ELECTROANALYTICAL CHEMISTRY AND INTERFACIAL ELECTROCHEMISTRY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 332, no. 1-2, 14 August 1992 (1992-08-14), pages 325 - 331, XP026534114, ISSN: 0022-0728, [retrieved on 19920814], DOI: 10.1016/0022-0728(92)80362-8 *
HAMMADI Z ET AL: "Field nano-localization of gas bubble production from water electrolysis", APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, US, vol. 103, no. 22, 25 November 2013 (2013-11-25), XP012178167, ISSN: 0003-6951, [retrieved on 19010101], DOI: 10.1063/1.4836095 *
HAMMADI: "Field nano-localization of gas bubble production from water electrolysis", APPLIED PHYSIC LETTERS, vol. 103, 2013, pages 223106
P. GARSTECKI ET AL.: "Formation of bubbles and droplets in microfluidic systems", BULLETIN OF THE POLISH ACADEMY OF SCIENCE, vol. 53, no. 4, 2005

Also Published As

Publication number Publication date
EP3197595A1 (fr) 2017-08-02
FR3026315A1 (fr) 2016-04-01
US20170292199A1 (en) 2017-10-12
US10538848B2 (en) 2020-01-21
FR3026315B1 (fr) 2018-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Probing pore wetting in membrane distillation using impedance: early detection and mechanism of surfactant-induced wetting
EP3233499B1 (fr) Procédé d'impression par laser et dispositif pour sa mise en oeuvre
EP1984110A1 (fr) Procede de controle de l'avancee d'un liquide dans un composant microfluidique
FR2498988A1 (fr) Appareil a jet d'encre et ensemble de jets d'encre
WO2018167402A1 (fr) Equipement et procede d'impression additive
EP3216607A1 (fr) Generateur de gouttes robuste
WO2013030691A2 (fr) Dispositif de manipulation d'objets par champ de force acoustique
FR2802836A1 (fr) Vaporisateur a ultrasons
FR2925894A1 (fr) Dispositif de dessalement de l'eau de mer par pulverisation a temperature ambiante
EP3197595A1 (fr) Procede de controle d'au moins une bulle de gaz produite de maniere localisee
FR2890595A1 (fr) Generation de gouttes pour impression a jet d'encre
FR2933316A1 (fr) Dispositif microfluide de deplacement controle de liquide
FR2562838A1 (fr) Procede pour faire fonctionner un appareil a jet d'encre dans un mode resonnant a plusieurs cycles selectifs pour regler la grandeur des points imprimes
Hauptmann et al. Time-resolved monitoring of cavitation activity in megasonic cleaning systems
WO2016083539A1 (fr) Procede et dispositif de generation d'une pluralite de jets de plasma froid a pression atmospherique
EP3138116B1 (fr) Procédé et système pour contrôler des flux d'ions dans un plasma rf
EP1977049A1 (fr) Pressiometre de precision automatise
EP1097773B1 (fr) Procédé et dispositif d'usinage par électroérosion
FR3039275B1 (fr) Dispositif de surveillance d'un produit liquide generant un gaz
Hayoun Partial wetting of thin liquid films in polymer tubes
EP1506284B1 (fr) Dispositif de culture de cellules
CH632340A5 (fr) Procede et dispositif pour controler la concentration de particules solides en suspension dans un liquide.
FR3013121A1 (fr) Dispositif de caracterisation du potentiel electroacoustique d'une solution
Lee et al. 3P4-3 Electrification of a bubble under SBSL
WO2015166146A1 (fr) Dispositif de caractérisation d'une interface d'une structure et dispositif correspondant

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15780940

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2015780940

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2015780940

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15512666

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE