Effet de l’azote et de l’ammoniaque sur les spectres de sonoluminescence et l’activité sonochimique

Effect of nitrogen and ammonia on sonoluminescence spectra and sonochemical activity

• Auteur / Autrice : Temim Ouerhani
• Direction : Sergueï Nikitenko
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 06/12/2016
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Séparative de Marcoule
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Dufrêche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sergueï Nikitenko, Jean-François Dufrêche, Thierry Belmonte, Claire Le Naour, Rachel Pflieger, Olivier Louisnard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Belmonte, Claire Le Naour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Azote

Bulles

Sonochimie

Plasmas (gaz ionisés)

Sonoluminescence

Spectroscopie

Mots clés libres

Spectroscopie

Sonoluminescence

Plasma

Sonochimie

Taille des bulles

Azote

Spectroscopy

Sonoluminescence

Plasma

Sonochemistry

Bubble size

Nitrogen

Résumé

Cette thèse présente les études de sonoluminescence multibulle (MBSL) effectuées à l’ICSM pour compléter de précédents résultats ayant mis en évidence la formation d’un plasma hors équilibre au cours de la cavitation multibulle dans l'eau. La sonoluminescence et la réactivité sonochimique de l’eau sous flux continu de mélanges gaz rare et N2 et d’une solution aqueuse d’ammoniaque sous flux continu de gaz rare sont étudiées par plusieurs techniques expérimentales. Nous avons observé, en plus de l’émission de OH (A2Σ+-X2Πi) et du continuum typique de SL, pour la première fois la sonoluminescence de NH (A3Π – X3Σ-). Les spectres de sonoluminescence, le suivi des rendements de formation des produits de la sonolyse et les résultats de fits de NH (A3Π- X3Σ-) et OH (A2Σ+-X2Πi) en utilisant le logiciel Specair confirment l’atteinte de conditions plus extrêmes au moment de l’implosion des bulles à haute fréquence ultrasonore. D’autre part, ces résultats indiquent clairement l’absence d’équilibre thermique à l’intérieur des bulles de cavitation au moment de l’implosion (Tv > Tr) quelles que soient les conditions expérimentales, et que la température vibrationnelle est plus élevée à haute fréquence US ce qui conduit au non suivi de la loi de Boltzmann des populations des niveaux vibrationnels et/ou rotationnels. En parallèle, l’évolution de la taille des bulles de cavitation a été mesurée par une technique d’ultrasons pulsés, dans le cadre d’une collaboration entre l’ICSM/LSFC et l’université de Melbourne en Australie. Nous avons en particulier mis en évidence un problème de coalescence des bulles sous flux continu de gaz, qui complique grandement l’interprétation des résultats de taille des bulles. Une autre observation est que la présence d’azote dans l’argon conduit à une diminution de la taille des bulles.

This thesis presents the studies on multibubble sonoluminescence (MBSL) performed at ICSM to complete previous results that have shown the formation of a non-equilibrium plasma in the multibubble cavitation in water. Sonoluminescence and sonochemical reactivity of water under continuous flow of noble gas and N2 mixtures and of aqueous ammonia solutions under continuous flow of noble gas are studied by several experimental techniques. In addition to OH (A2Σ+-X2Πi) band and continuum emission usually observed in the SL spectra of water in the presence of noble gases, the sonoluminescence of NH (A3Π) radicals was observed for the first time. Spectroscopy of sonoluminescence, the follow up of the sonochemical products and the spectral fits of NH (A3Π- X3Σ-) and OH (A2Σ+-X2Πi) systems using Specair software indicate more drastic conditions at high US frequency. On the other hand, NH* and OH* radicals generated inside the cavitation bubbles are far from equilibrium (Tv > Tr) whatever the experimental conditions and the vibrational temperatures at high frequency ultrasound are much higher compared to 20 kHz ultrasound which leads to strong deviation from the equilibrium (non-Boltzmann behavior). In parallel, the evolution of the bubble size is measured by a pulsed ultrasound technique, in the framework of a collaboration between ICSM / LSFC and the University of Melbourne in Australia. The problem of the coalescence of bubbles under continuous flow of gas was identified, which greatly complicates the interpretation of results of bubble size. Another interesting observation is that the presence of nitrogen in argon leads to a strong reduction in bubble size.