Nanoréacteurs Multiphasiques Catalytiques à base des Dispersions à la Carte – MICHELANGELO

Les réacteurs multiphasiques gaz-liquide-solide sont très répandus dans l’industrie chimique pour des procédés de dépollution et de synthèse. Trois exemples typiques de réactions G/L/S concernent l’hydrodésulfuration catalytique des naphtas, l’oxydation catalytique d’hydrocarbures liquides avec le dioxygène ou l’air ou encore l’oxydation catalytique par voie humide de polluants dans l’eau. Les réacteurs G/L/S conventionnels comprennent des lits fixes (lits ruisselants, colonnes à barbotage), des réacteurs à cuve agitée et des colonnes de barbotage « slurry ». Ces technologies présentent souvent des performances amoindries à cause d’un contact G/L et L/S inefficace. Afin d’améliorer le contact G/L et la distribution du catalyseur entre les deux phases, des co-solvants, tensioactifs et catalyseurs de transfert de phase peuvent être utilisés, ayant toutefois un effet négatif sur l’économie et l’empreinte environnementale des procédés. D’autre part, les microréacteurs et les réacteurs catalytiques membranaires ont été étudies dans le but d’augmenter la surface de contact G/L. Néanmoins, ces dispositifs ont besoin d’équipements complexes et n’assurent pas un contact L/S efficace à la surface du catalyseur. Dans ce contexte, le développent de réacteurs permettant un contact triphasique accru à la surface du catalyseur apparaît comme une urgence technologique.

Ce projet vise au développent de nouveaux nanoréacteurs G/L/S avec un contact triphasique optimisé à la nano-échelle offrant une performance catalytique accrue dans des conditions douces (faible pression, faible d’agitation). Dans ce but, nous proposons le développement de micro/nanobulles de gaz et des billes liquides stabilisées par des particules catalytiques. Les objectifs du projet sont les suivants :

1. Préparation d’une série systématique de nanoparticules avec des tailles, formes et balance hydrophile-hydrophobe bien définies et incorporant des fonctions catalytiques ;

2. Génération de mousses, bulles de gaz et billes liquides stabilisées par des nanoparticules permettant des réactions à l’interface G/L/S et le recyclage des particules après chaque cycle catalytique ;

3. Visualisation des profils de réaction et diffusion sur la surface des nanoparticules et étude de la dynamique d’adsorption/désorption des nanoparticules à l’interface G/L avec l’action de stimuli extérieurs (hyperthermie, lumière, radiofréquence, ultrasons).

4. Etude de l’assemblage des nanoparticules a l’interface G/L et son effet sur l’activité catalytique au long de la réaction combinant des simulations avec des expériences, et

5. Remodelage des réacteurs multiphasiques G/L/S incorporant des nanoréacteurs stabilisés par des nanoparticules catalytiques afin d’atteindre des performances catalytiques accrues dans des conditions plus douces, permettant aussi une bonne stabilité, flexibilité et un plus faible encombrement.

Ces systèmes innovants seront utilisés en tant que plateforme pour remodeler les réacteurs multiphasiques conventionnels (cuves agitées, colonnes à barbotage, colonnes à spray), ce qui devrait permettre une performance catalytique accrue grâce à un contact triphasique optimisé à l’échelle du nanomètre. Par ailleurs, les nanoréacteurs G/L/S devaient bénéficier des propriétés nanoscopiques liées aux interfaces G/L confinées, ce qui permettrait de conditionner la réactivité et la répartition du gaz et du liquide aux environs des sites catalytiques.

Ce projet présente une stratégie nouvelle et innovante pour améliorer le transfert de matière et énergie dans les réacteurs G/L/S catalytiques, offrant une plus haute efficacité dans des conditions plus douces et sures. Cette stratégie repose sur la préparation de nouveaux nanoparticules catalytiques amphiphiles aux propriétés modulables, ainsi que sur l’intensification des procédés à la nano-échelle. En cas de succès, MICHELANGELO permettra un changement radical vers une plus haute efficacité et compétitivité dans l’industrie chimique.