USING A BIO-INSPIRED COPPER COMPLEX TO INVESTIGATE REACTIVE MASS TRANSFER AROUND AN OXYGEN BUBBLE RISING FREELY IN A THIN-GAP CELL

USING A BIO-INSPIRED COPPER COMPLEX TO INVESTIGATE REACTIVE MASS TRANSFER AROUND AN OXYGEN BUBBLE RISING FREELY IN A THIN-GAP CELL

Francisco Felis, Florian Strassl, Larissa Laurini, Nicolas Dietrich, Anne-Marie Billet, Véronique Roig, Sonja Herres-Pawlis, and Karine Loubière

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250919306098

Chemical Engineering Science – Volume 207, 2 November 2019, Pages 1256-1269

https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.07.045

Issu d’une collaboration entre des chercheurs de FERMaT et de RWTH-Aachen University, cet article illustre comment les dernières avancées en chimie de coordination peuvent donner de nouvelles opportunités pour étudier le transfert de masse réactif d’oxygène.

La méthode développée repose sur la mise en œuvre de complexes de cuivre bioinspirés, synthétisés à façon, dont la cinétique et les propriétés peuvent être pilotées par modification de leur structure chimique (i.e. ligand). Le complexe considéré dans ce travail est le Cu(btmgp)I : initialement incolore dans l’acétonitrile, il s’oxyde en un complexe de cuivre orange Cu(III), qui, instable à température ambiante, se dégrade en quelques secondes pour former deux complexes de Cu(II), laissant une couleur vert pâle permanente du milieu réactionnel.

Nous nous sommes intéressés ici à des situations de transfert de masse autour de bulles isolées d’oxygène pur en ascension libre dans une cellule plane de type Hele-Shaw (400×200 mm²) dans laquelle l’espacement entre plaques est de 1 mm. Cette géométrie confinée, bien moins explorée que des bulles de Taylor, offre la possibilité de couvrir une large gamme de régimes de d’ascension de bulles (860 <Ar <18800, 580 <Re <8200).

Une caméra sCMOS 16 bits haute résolution, associée à des filtres spécifiques, a permis de capturer la dynamique de bulles, leur oscillation de forme et le dépôt d’oxygène autour et dans le sillage des bulles. Par un protocole de calibration ad hoc, les niveaux de gris relatifs aux signaux colorés induits par les réactions des complexes de cuivre ont pu être corrélés à des concentrations équivalentes en oxygène dissous.

Au final, des champs de concentration en oxygène, moyennés en profondeur et en temps, ont pu être déterminés, avec une fine résolution spatiale, dans le sillage des bulles.

De telles mesures vont permettre de mieux comprendre les mécanismes de transfert de masse en conditions réactives et ainsi de pouvoir établir des lois d’échelle (nombre de Sherwood).