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Solubilité des gaz dans l'eau

Sommaire de la page:

Coefficient de Henry
Solubilité de l'air
Sources

La connaissance de la solubilité des gaz dans l'eau et leur répartition entre les phase liquides et vapeur est importante pour le dimensionnement de procédés ou pour des études géophysiques ou environnementales.
Les données de solubilité à température ambiante sont abondantes. Elles sont beaucoup plus rares à températures élevées. Elles sont pourtant nécessaires pour le dimensionnement de procédés de dégazage d'eau de chaudière ou les applications géothermiques.

Coefficient de Henry

Le paramètre fondamental décrivant la solubilité des gaz dans les liquides est la constante de Henry.
Les valeurs pour de nombreuses substances et solvants sont publiées dans la littérature. Elle est souvent notée H_σ ou k_Hσ.

Attention! deux définitions co-existent:

H_σ = P_σ / X_σ ou bien H_σ = X_σ / P_σ

avec:
H_σ: coefficient de Henry
P_σ: pression partielle du soluté dans le gaz
X_σ: fraction molaire du soluté dans le liquide

Vérifier l'unité utilisée pour déterminer à quelle définition elle se rapporte.

Graphique donnant le coefficient de Henry de certains gaz dans l'eau en fonction de la température La "constante" de Henry varie avec la température; c'est pourquoi certains préfèrent parler de "coefficient" de Henry.

Une synthèse des données expérimentales disponibles a été publiée en 2003 par R. Fernandez-Prini, J. L. Alvarez et Allan H. Harvey.

H_{σ} = \frac{P_{σ}}{X_{σ}}

\ln (\frac{H_{σ}}{P v}) = \frac{A}{T_{R}} + \frac{B {(1 - T_{R})}^{0,355}}{T_{R}} + C {(T_{R})}^{- 0,41} e^{(1 - T_{R})}

\begin{matrix} H_{σ} & coefficient de Henry \\ P v & pression de vapeur saturante de l′eau \\ T_{R} & T ∕ T_{c} \\ T & température de travail \\ T_{c} & température critique de l′eau (647.1°K) \\ P_{σ} & pression partielle dans le gaz \\ X_{σ} & fraction molaire dans le solvant \end{matrix}

Paramètres de la régression:
	A	B	C	Tmin K	Tmax K
He	-3,53	7,13	4,48	273	553
Ne	-3,18	5,31	5,44	273	543
Ar	-8,41	4,30	10,53	273	568
Kr	-8,97	3,62	11,30	273	526
Xe	-14,22	4,00	15,61	273	57
H2	-4,73	6,09	6,06	273	636
N2	-9,68	4,72	11,71	278	636
O2	-9,45	4,44	11,42	274	616
CO	-10,53	5,13	12,01	278	589
CO2	-8,55	4,01	9,52	274	643
H2S	-4,51	5,24	4,42	273	533
CH4	-10,45	4,66	12,13	275	633
C2H6	-19,68	4,51	20,63	275	473
SF6	-16,56	2,15	20,35	283	506

avec:
H_σ: coefficient de Henry de la substance
Pv: pression de vapeur saturante de l'eau
T_R: T/Tc
T: température de travail
Tc: température critique de l'eau (647,1K)

Solubilité de l'air

La solubilité d'une substance gazeuse est proportionnelle à sa pression partielle dans le gaz. L'air ne contient qu'environ 20% en volume d'oxygène. A pression totale identique, l'oxygène pur est donc cinq fois plus soluble que l'oxygène de l'air.
Graphique donnant la solubilité de l'azote de l'air dans l'eau pour différentes températures et pressions

Graphique donnant la solubilité de l'azote de l'air dans l'eau pour différentes températures et pressions

Graphique donnant la solubilté de l'oxygène de l'air dans l'eau à différentes pressions et températures

A la température d'ébullition du solvant, sa pression partielle dans la phase gazeuse est égale à la pression totale. La pression partielle du gaz dissous est donc nulle. A l'équilibre, sa concentration dans la phase liquide est donc nulle.

Sources

R Fernandez-Prini, J L. Alvarez, Allan H. Harvey; J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 32, No. 2, 2003