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Mesure de l’enthalpie de réaction lors d’écoulement microfluidique

publié le , mis à jour le

Nous avons développé un microcalorimètre différentiel pour la caractérisation de réactions chimiques. Le principe original de cet appareil est l’utilisation d’un fluxmètre, placé sous le réacteur microfluidique, qui permet la mesure transitoire globale du flux total dégagé par le microréacteur. Le microréacteur est composé d’un substrat en silicium (bon conduteur thermique) et de PDMS (bon isolant thermique). Un modèle thermique associé à ce microréacteur permet de déterminer son comportement thermique et de conclure que la réaction est effectuée dans des conditions isothermes. De plus, ce microréacteur permet d’étudier des écoulements de type : co-écoulement segmenté (gouttes) ou non. Du fait de la petite dimension des microcanaux, le volume réactionnel est relativement faible (quelques ?L). De plus, l’important rapport surface/volume favorise les échanges thermiques.

Fig.1
Fig.1
Evolution de la chaleur de réaction

L’écoulement au sein de tels dispositifs est contrôlé par l’injection de fluides à débits volumiques imposés. Un simple étalonnage par effet Joule permet de convertir le signal mesuré en flux. La validité de l’appareil est effectuée par la détermination de l’enthalpie de la réaction entre l’acide chlorhydrique et l’hydroxyde de sodium. La première figure illustre le flux de chaleur dégagée par la réaction au cours du temps pour différents débits de réactifs. Puis, l’enthalpie de réaction est estimée par la représentation du flux de chaleur en fonction du débit molaire sur la seconde figure.

Fig.2
Fig.2
Détermination de la chaleur de réaction

Le champ d’application de ce mircocalorimètre est relativement vaste : estimation d’enthalpies de réaction (ex. estérification) ou de mélange (ex. mélange eau-éthanol), dosage calorimétrique, cinétiques de mélange ou de réaction.

Ce travail est réalisé en collaboration avec Christophe Pradère, Jean Toutain et Jean-Christophe Batsale de l’UMR8508 TREFLE.