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Modélisation des isothermes de sorption, caractérisation des propriétés thermodynamiques et détermination des humidités d’équilibre d’usage des bois tropicaux

M. Simo-Tagne 1, A. Zoulalian 2, Y. Rogaume 3, R. Rémond 3 et B. Bonoma 4

1 LERMaB, ENSTIB, Post Doctoral position, University of Lorraine, 27 rue Philippe Séguin, P.O. Box 1041, 88051 Epinal, France.
2 LERMaB, Faculty of Sciences and Technologies, University of Lorraine, Aiguillettes Campus- PO. Box 70239, 54506 Vandoeuvre les Nancy Cedex, Nancy, France.
3 LERMaB, ENSTIB, University of Lorraine, 27 rue Philippe Séguin, P.O. Box 1041, 88051 Epinal, France.
4 Higher Teacher Training College, Laboratory of Applied Physics, P.O. Box 47, Yaoundé, Cameroon.

Abstract

Tropical woods are widely produced in basin of Congo and Amazonian zones and its exportation gives most money. It is important to reduce the losses with using good drying in function of environment conditions (air temperature and air relative humidity). In this work, we were modeling sorption isotherms of six tropical woods (Sapele, Afzelia, Obeche, Ebony, Frake and Moabi) using eleven models and experimental data coming from literature with the drying temperature and drying relative humidity ranged from 15°C to 60°C and from 0.02 to 0.98 % respectively. According to the means average error, the best sorption isotherms models are GAB model, Modified Luikov model, and Nelson model, the bad models are Modified Halsey model, Modified Smith model, Iglesias, Chirife and Halsey model and Modified GAB model. The models which can give good descriptions are Modified Henderson model, Modified Oswin model and Modified Chung and Pfost model. BET’s model is appropriate to estimate equilibrium water content in the saturation of monolayer. The values of activation energy obtained ranged from 8420 J/mol to 13911 J/mol for desorption and from 3266 J/mol to 6499 J/mol for adsorption. Fiber saturation points (FSP) and Gibbs free energy per gram of sorbed water decrease when increase temperatures at constant relative humidity. The values of FSP obtained ranged from 0.16 kg/kg to 0.33 kg/kg. The means values of Gibbs free energy per gram of sorbed water obtained ranged from 149cal/g to 206cal/g. The difference of the molar sorption enthalpies between the monolayer and the multilayers on top of the monolayer is in general greater than the difference of the molar sorption enthalpies between the multilayers on top of the monolayer and the bulk liquid. The equilibrium moisture content at the saturation of monolayer ranged from 0.025 kg/kg to 0.08 kg/kg. At the lowest water content, isosteric heat of sorption of studied woods is higher and decreases with convergence of all them when increases water content until 1760 kJ/kg at 40°C. Temperature influences the isosteric heat of sorption of studied woods. Water contents to give at each board during drying process are function of air characteristics of the future utilization (town, interior, exterior, conditioned interior). These values are presented at the end part of this paper.

Résumé

Les bois tropicaux sont largement produits dans le bassin du Congo et en Amazonie et leurs exportations sont source de beaucoup d’argent. Il est important de réduire les pertes suite à une utilisation d’un bon processus de séchage lié aux conditions de l’environnement (température et humidité relative de l’air). Dans ce travail, nous modélisons les isothermes de sorption de six bois tropicaux (Sapele, Afzelia, Obeche, Ebony, Frake et Moabi) en utilisant onze modèles, les points expérimentaux sont prix dans la littérature avec la température de l’air comprise entre 15 et 60°C et l’humidité relative de l’air comprise entre 0.02 et 0.98 %. Selon les valeurs moyennes des erreurs obtenues, les modèles de GAB, Luikov modifié et de Nelson sont les meilleurs modèles recommandés pour traduire les isothermes de sorption des bois tropicaux. Les mauvais modèles sont les modèles d’Halsey modifié, Smith modifié, GAB modifié et le modèle d’Iglesias, Chirife et Halsey. Les modèles qui donnent une description assez satisfaisante sont ceux de Henderson modifié, Oswin modifié et Chung et Pfost modifié. Le modèle de BET est approprié pour estimer la teneur en eau d’équilibre lorsque la monocouche est saturée. Les valeurs des énergies d’activation obtenues sont rangées entre 8420 et 13911 J/mol lors de la désorption et entre 3266 et 6499 J/mol lors de l’adsorption. Les points de saturation des fibres (PSF) et les énergies libres de Gibbs par gramme d’eau adsorbée obtenus décroisent lorsqu’augmente la température à une humidité relative de l’air donnée. Les PSF obtenus sont confinés entre 0.16 et 0.33 kg/kg. Les valeurs moyennes des énergies libres de Gibbs par gramme d’eau absorbée varient de 149 à 206 cal/g. la différence des enthalpies molaires de sorption entre les monocouches et les multicouches au-delà de la saturation de la monocouche est en général supérieure de la différence entre les enthalpies molaires de sorption des multicouches au-delà de la saturation de la monocouche et l’eau à l’état liquide. La teneur en eau d’équilibre au niveau de la saturation de la monocouche est située entre 0.025 et 0.08 kg/kg. A de faibles teneurs en eau, la chaleur isostérique de sorption des bois étudiés est importante et décroît avec une convergence vers 1760 kJ/kg à 40°C lorsqu’augmente la teneur en eau d’équilibre. La température influence la chaleur isostérique de sorption des bois tropicaux étudiés. Les humidités des planches recherchées durant leur séchage sont fonction du milieu d’utilisation (ville, intérieur, extérieur, intérieur conditionné). Ces valeurs sont présentées dans la dernière partie de ce papier.

Keywords

Modélisation - Isothermes de sorption - Paramètres thermodynamiques - Humidités d’usage - Humidité relative – Température - Bois tropicaux.

Modélisation des isothermes de sorption, caractérisation des propriétés thermodynamiques et détermination des humidités d’équilibre d’usage des bois tropicaux
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