Brevet 3877642 – Nucléaire de congélation – 1975

1. Procédé de nucléation de la formation de glace par des noyaux d’ensemencement de nuages ​​à des températures plus élevées que celles des noyaux normalement présents comprenant naturellement:

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la quantité d’inadaptation du réseau est de -1,5% à +1,5% par rapport à la glace.

3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les autres atomes métalliques sont des atomes de cuivre et la proportion d’iodure cuivreux dans un noyau CuI-AgI est sensiblement de 25% molaires.

4. Procédé d’induction de la formation de cristaux dans un nuage atmosphérique naturel qui est surfondu naturellement entre -4 ° C et -5 ° C, qui comprend:

5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’autre iodure métallique est l’iodure cuivreux et la proportion d’iodure cuivreux dans les noyaux CuI-AgI desdits cristaux est sensiblement de 25 moles%.

6. Procédé pour induire la formation de cristaux dans une masse ayant une température de -4 ° C à -5 ° C et au-dessous qui comprend:

7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l’autre iodure est l’iodure cuivreux et la proportion d’iodure cuivreux dans la solution est sensiblement de 25% molaires.

8. Procédé d’induction de la formation de cristaux dans une masse ayant une température de -4 ° C à -5 ° C et inférieure, qui comprend:

La présente invention concerne des catalyseurs de nucléation et, plus particulièrement, un moyen de contrôle amélioré qui réduit l’inadéquation de réseau entre la glace et l’iodure d’argent.

Une des nombreuses explications offertes pour l’efficacité de l’iodure d’argent dans le déclenchement de la congélation de l’eau surfondue est que sa structure cristalline est similaire à celle de la glace. Une autre explication est que l’iodure d’argent, tel qu’il est habituellement préparé, a de 0,07 à 0,37% de sa surface couverte de sites hydrophiles et le reste est recouvert de sites hydrophobes.

On a également découvert que lorsqu’ils sont brûlés à la surface d’un oxyde insoluble tel que la silice, les halogénures et les iodates de sodium ou de potassium sont exceptionnellement efficaces pour modifier des substrats insolubles qui seraient totalement hydrophiles ou totalement hydrophobes, pour créer une relation de surfaces et d’espacements. des sites hydrophiles et hydrophobes qui sont favorables à la nucléation par congélation en fournissant un rapport volume de monocouche par isopropanol divisé par un volume de monocouche pour l’eau entre 0,35 et 0,75, de préférence entre 0,4 et 0,6 et le plus avantageusement environ 0,5. On peut utiliser l’un quelconque d’une grande variété d’oxydes insolubles solides tels que la silice précipitée solide relativement dense et d’autres oxydes solides insolubles dans l’eau tels que la magnésie, l’alumine, l’hématite et l’oxyde de titane.

On a en outre trouvé que dans le même intervalle de température que l’iodure d’argent et l’iodure de plomb, les substances suivantes sous forme dispersée agissent comme noyaux de formation de glace: iodure de cuivre, Cupro oxyde, CuS , le sélémide de cuivre (CuSe), le tellurure de mercure (HgTe), le pentoxyde de vanadium (V2 O5), le sulfure d’argent (AgS), le nitrate d’argent (AgNO3), l’oxyde d’argent (Ag2O) et le tellurure de cadmium (CdTe). Parmi ces composés, seuls le sulfure de cuivre et l’oxyde de cupro se sont révélés pratiques pour influencer les conditions météorologiques en raison de la toxicité ou du coût excessif des composés restants, parmi d’autres déficiences. Les demandeurs ont divergé de la direction prise dans les recherches antérieures pour des agents de nucléation plus efficaces et ont découvert un matériau d’ensemencement moins toxique, moins cher et plus efficace en obtenant une meilleure correspondance cristalline pour l’inadéquation de réseau entre la glace et l’iodure d’argent.

En conséquence, un objet de la présente invention est de fournir un catalyseur de nucléation amélioré pour l’ensemencement des nuages.

Un autre but de l’invention est de fournir un ensemencement de nuage amélioré en réduisant l’inadéquation de réseau entre la glace et l’iodure d’argent.

Un autre objet de l’invention est de fournir un ensemencement de nuage amélioré par une correspondance cristalline améliorée dans une composition qui comprend de l’iodure d’argent et réduit certains des aspects indésirables de cette substance.

D’autres objets, avantages et caractéristiques nouvelles de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, considérée conjointement avec les dessins annexés, sur lesquels des numéros identiques représentent des parties identiques partout et dans lesquels:

FIGUE. 1 est un graphique montrant les changements dans l’espacement du réseau dus aux changements dans les pourcentages molaires de CuI et d’AgI;

FIGUE. 2 est un graphique montrant la température de nucléation de seuil observée en fonction de la composition des deux fusions et des précipités; et

FIGUE. 3 est un graphique illustrant la symétrie des données de catalyseurs de désenregistrement variable.

On notera que bien que l’iodure cuivreux (CuI) ait été listé dans l’art antérieur comme l’une de plusieurs substances qui, sous forme dispersée, agissent comme noyaux glaçants, cette substance et beaucoup d’autres énumérées ont été considérées comme peu pratiques ou inadaptées en raison de leur caractère vénéneux ou pour des raisons économiques.

Contrairement aux découvertes de l’art antérieur, nous avons trouvé que bien que l’iodure cuivreux ait des caractéristiques indésirables comme ayant été jugées toxiques, la combinaison d’iodure cuivreux et d’iodure d’argent dans une solution solide est nettement moins toxique que l’iodure d’argent. seul. Ceci est dû au fait que le cuivre est moins toxique que l’argent. De plus, le composé CuI-AgI est moins coûteux que l’iodure d’argent et, par conséquent, le coût de l’ensemencement avec le composé serait sensiblement inférieur à celui de l’ensemencement avec de l’iodure d’argent pur. On pense également que le composé CuI-AgI est moins sensible à la photodéservation que l’iodure d’argent pur et, par conséquent, une augmentation de l’efficacité d’une opération d’ensemencement devrait être obtenue en raison d’un temps de séjour plus long dans l’atmosphère.

Selon notre invention, nous avons trouvé que lorsque la proportion d’iodure cuivreux dans un noyau CuI-AgI est augmentée à environ 25% molaire, la surfusion nécessaire pour initier la formation de glace diminue de 2 ° C pour l’iodure d’argent pur à une valeur minimale. d’environ 0,5 ° C. L’iodure cuivreux est formé dans des cristaux d’une solution solide d’iodure d’argent et d’iodure cuivreux et forme la formation de glace dans l’eau surfondue. Après une nouvelle augmentation du pourcentage de CuI, la surfusion augmente à nouveau jusqu’à atteindre une valeur de l’ordre de 2,5 ° C pour CuI pur, indiquant une supériorité des cristaux CuI-AgI sur les cristaux AgI utilisés seuls pour l’ensemencement des nuages ​​surfondus. Les composés de la solution solide d’iodure d’argent et d’iodure cuivreux peuvent être dispersés dans l’atmosphère avec un équipement similaire à celui utilisé pour la dispersion de l’iodure d’argent et l’aérosol résultant est égal ou supérieur à l’iodure d’argent pour nucléer les nuages.

Des solutions solides de CuI-AgI ont été préparées, chacune ayant un paramètre de maille inférieur à celui de AgI pur en utilisant deux méthodes séparées. La première méthode était la fusion directe à une pression de 10-2 torr et une température de 20 ° C au-dessus du point de fusion de la solution solide, environ 600 ° C. La deuxième consistait à dissoudre les proportions appropriées de CuI et de AgI de qualité réactif dans de l’acide hydriodique, puis à faire bouillir le solvant. La classe cristalline des solutions solides résultantes est cubique à faces centrées, mais dans le plan (111), la structure cristalline est similaire à celle de la glace dans le plan (0001). L’espacement du treillis dans le plan (111) est donné par α√2 / 2, où α est le bord d’une cellule unitaire dans le système cubique. Le graphique de la Fig. La figure 1 illustre qu’en faisant varier le pourcentage molaire de CuI dans AgI, une solution solide peut avoir un espacement quelconque entre 4,58 et 4,28 A mesuré dans le plan (111). Cette gamme d’espacements en treillis correspond à des dénombrements en treillis par rapport à la glace allant de 1,5% à -5,2%. Puisque CuI et AgI ne sont pas sensiblement solubles dans l’eau, 10-5 et 10-8 mole / litre, respectivement, ils ont un effet négligeable sur l’abaissement du point de congélation de l’eau.

Pour déterminer leur efficacité relative en tant que catalyseurs de nucléation, des échantillons en poudre d’environ 0,5 CuI-AgI ont été scellés dans des dilatomètres contenant environ 1 g d’eau distillée et la température de congélation a été observée lorsqu’ils ont été refroidis dans un bain agité vigoureusement. La température a été mesurée avec un thermomètre avec une précision de 0,01 ° C et a été abaissée à une vitesse de 0,5 ° C min-1. L’eau était légèrement distillée et avait une conductivité de 3 x 10-6 ohms-1 cm-1.

Le graphique de la Fig. La figure 2 montre la température de nucléation seuil observée en fonction de la composition pour 10 échantillons des fusions et des précipités. Les fusions ont été testées immédiatement après avoir été immergées dans l’eau. La réduction de la vitesse de refroidissement de 0,05 ° C à 0,01 ° C min-1 n’a produit aucune différence observable dans les températures de nucléation seuil.

La figure 3 présente des courbes pour la plus petite surfusion observée pour les fusions CuI-AgI et les précipités à 31 et 32, respectivement, en fonction du désenregistrement du réseau par rapport à la glace. Le désenregistrement est calculé pour le plan (111) de la solution solide CuI-AgI et le plan de glace (0001). Une courbe pour les solutions solides AgI-AgBr précipitées est montrée en 33 avec une courbe théorique pour la nucléation cohérente à 34.

On pense que l’énergie interfaciale entre la glace et un catalyseur de nucléation est un minimum lorsque la nucléation est cohérente. La nucléation cohérente se produit lorsque le réseau du cristal en formation correspond au réseau cristallin et peut être assimilé à la croissance cristalline. Si les réseaux sont légèrement désadaptés, la nucléation peut toujours être cohérente, mais la distorsion élastique qui en résulte augmentera l’énergie libre de l’embryon en formation. Par conséquent, la surfusion nécessaire à la nucléation augmente proportionnellement au carré du disque.

La symétrie des données de la Fig. 3 peut indiquer que les catalyseurs avec un désenregistrement positif ont à peu près la même capacité de nucléation que ceux avec un désenregistrement négatif égal. Ce résultat concorde avec une prédiction que ΔT = kδ2, où ΔT est la surfusion, δ est le registre, et k est une constante. Cependant, pour nos données, la surfusion ne se rapproche pas de 0 ° C car le désenregistrement tend vers zéro, mais atteint au minimum environ 0,5 ° C. Lorsque d’autres paramètres de nucléation sont pris en compte, l’équation de nucléation cohérente peut s’écrire ΔT = kδ2 + ΔT1 où ΔT1 est la surfusion due à l’effet combiné de tout paramètre de nucléation indépendant du désenregistrement. La nature parallèle des données de la Fig. 3 tend à confirmer ce type de relation.

La théorie de la nucléation cohérente prédit que la nucléation deviendra incohérente pour les grands désenregistrements où l’énergie libre de formation de la glace est inférieure à l’énergie libre nécessaire pour déformer le réseau de glace pour adapter au réseau de catalyseur. Si la nucléation n’est pas cohérente, une relation peut être prédite entre le désenregistrement et la surfusion. Les données pour les catalyseurs CuI-AgI de la Fig. 3 montrent une forte baisse de la surface des enregistrements de ± 1,5%. Cette région pourrait correspondre à une nucléation cohérente. La région comprise entre -1,5 et -5,2% de désenregistrement pouvant être assimilé à une nucléation incohérente, car la surfusion est une fonction assez linéaire du désenregistrement.

Puisque le fonctionnement et l’utilisation des noyaux d’ensemencement des nuages ​​sont basés sur la capacité de l’iode cuivreux et de l’idoïde d’argent à l’ancien des glaçons à des températures plus élevées que les noyaux normaux présente naturellement, le matériel d’ensemencement est composé d’iodure de cuivre et d’iodure d’argent. des noyaux qui sont significativement plus efficaces que ceux qui étaient disponibles dans le passé. En outre, il peut être souhaitable de contrôler la température de nucléation à n’importe quelle valeur désirée, le spectre continu de noyaux pouvant être obtenu en faisant varier la composition de la solution solide fournit un nouvel outil pour la technologie d ‘ensemencement des nuages.