Purification de l’eau usée par congélation : simulation par la méthode du champ de phase – WATERSAFE

Ce projet s’appuie sur une méthodologie classiquement utilisée en génie des procédés, combinant simulation numérique et observations expérimentales. Il est structuré en trois lots (WP1/WP2/WP3), chacun divisé en plusieurs tâches. Le sel étudié dans le projet est le chlorure de sodium au lieu de l'acide phosphorique, initialement prévu (trop corrosif pour le pilote). Cela permet aussi de développer le process pour la désalinisation de l'eau. Les essais se feront au moyen d’une solution de chlorure de sodium synthétique.

Le WP1 consiste à : tâche 1.1/ Modéliser le système (stagnant, purement diffusif, à l’échelle mésoscopique) par la méthode du champ de phase en s’appuyant sur une description quantitative thermodynamique des phases et de l’interface. tâche 1.2/ Réaliser des mesures thermodynamiques pour vérifier les données d’équilibre de la littérature par la méthode synthétique ou par Analyse calorimétrique différentielle à balayage et proposer des conditions opératoires adaptées pour faire la congélation sur le système eau/sel en se basant sur les mesures mais aussi l’étude bibliographique.

Le WP2 consiste à : tâche 2.1. / designer et construire le réacteur de congélation et l’instrumenter pour caractériser et suivre les évolutions de la phase solide et de la phase liquide durant la congélation simultanément ; 2.2/ Réaliser des essais en statique en faisant varier les conditions opératoires ; en dynamique (en mode continu et recycle) ;

Le WP3 consiste finalement : tâche 3.1/ à développer un outil de simulation 2D à l’échelle macroscopique sur la base des connaissances acquises dans le cadre du WP1. Le modèle sera uniquement développé en solution statique dans ce projet. La comparaison entre les résultats de simulation et les résultats expérimentaux sera ici abordée. tâche 3.2/ Les résultats du modèle en PFM seront comparés à ceux obtenus par la méthode de Stefan, qui y intègre la dynamique des fluides. Les outils développés permettront de simuler l’efficacité globale de l'appareil de congélation.

Les résultats sont présentés par WP et tâches. WP1 (T1.1) : la congélation de l’eau pur et du système eau/ NaCl, en milieu stagnant et en mode fermé, sur paroi froide ou en mode libre ont été simulées par la méthode du champ de phase à l’échelle mésoscopique [1-4]. Pour le mélange eau/NaCl, les densités d’énergie, ajustées via un modèle de Pitzer, reproduisent les propriétés thermodynamiques. ([3-4], (chap. 3) [1]). Un travail commun avec l’ANR IMPACTS (ANR-21-CE48-0018) mené sur l’eau pur a conduit à une publication [5]. WP1 (T1.2): Une étude bibliographique a permis de concevoir un pilote expérimental pour la congélation sur paroi froide. Des données thermodynamiques ont été mesurées (méthode synthétique et DSC) pour valider le diagramme d'équilibre liquide/solide. Des essais de congélation ont été réalisés pour valider la séparation par congélation, définir les conditions opératoires, et proposer un nouveau design(Chap1.,[1]]. WP2 (T2.1 et T2.2) Le nouveau pilote a été monté : il s’agit d’un réacteur sur paroi froide, équipé de plusieurs sondes de température, avec en ex situ une caméra reliée à un microscopique haute résolution (suivi de la glace en dynamique), et refroidi par deux bains thermostatés (pour la paroi froide ; pour la solution). La solution du réacteur peut être stagnante mais aussi en mode convectif en utilisant la boucle de recyclage. Une simulation a permis de déterminer le volume du bac tampon pour un suivi dynamique de la solution par mesure de conductivité. Des essais de congélation ont été menés en mode statique (Chap. 1[1], [7]) et en mode dynamique [8]. Une publication sur les essais en mode stagnant est en review [6]. WP3 T3.1 : Le modèle du système binaire a été amélioré pour y inclure des contre-flux permettant l'expulsion du sel de l'interface, évitant ainsi saut de potentiel chimique non désiré à l'interface [1]. Un outil de simulation 2D a également été développé pour simuler la congélation à l'échelle macroscopique, en utilisant une modélisation multi-échelle. La croissance directionnelle de la glace est résolue par un modèle PFM à méso-échelle, tandis que les phénomènes de transport dans les phases liquide et solide sont traités à l'échelle macroscopique. Ces résultats seront présentés dans une future publication. WP3 T3.2. Les résultats du modèle PFM (WP1, Tâche 1.1) ont été comparés à ceux obtenus par la méthode de Stefan incluant la dynamique des fluides (convection naturelle), et aux essais expérimentaux [4]. [1] X. Huang PhD⟨tel-05436916⟩ [2] Galfré et al. ⟨hal-04259425⟩ [3] X. Huang et al. doi.org/10.1016/B978-0-443-28824-1.50037-5. [4] X. Huang et al. ⟨hal-05518989⟩[5] Yaghi M. et al. ⟨hal-03854144⟩ [6] En cours de review. [6] En cours de review, non publié. Xiaoqian Huang et al. International communication of Heat and mass transfer 2026 [7,8] Rapports de Stage de L.Damon et L. Jarrin.

Les perspectives du projet sont les suivantes :

- Travailler sur un système multi constituants proche de l’eau de mer.

- Simuler le système en utilisant la méthode construite dans ce projet mais pour un système multi constituants et en y ajoutant l'hydrodynamique de la phase liquide.

- Améliorer et optimiser le procédé de congélation sur paroi froide en identifiant les paramètres clés de conduite du procédé pour que celui-ci devienne compétitif par rapport aux procédés existants (osmose inverse, ou procédés thermiques).

[1] X. Huang PhD?tel-05436916? [2] Galfré et al. ?hal-04259425? [3] X. Huang et al. doi.org/10.1016/B978-0-443-28824-1.50037-5. [4] X. Huang et al. ?hal-05518989?[5] Yaghi M. et al. ?hal-03854144? [6] En cours de review, non publié. Xiaoqian Huang et al. International communication of Heat and mass transfer 2026

La congélation sur paroi froide (ILC) est un procédé innovant de concentration des eaux polluées. Ce permet permet de séparer les eaux usées en deux phases: une phase solide (glace) dont la pureté dépend du procédé et des conditions opératoires; une phase liquide concentrée en polluant. Ce procédé n’a pas été industriellement mis en place car les puretés de glace sont hétérogènes et le rendement est faible. La croissance dynamique de la glace a été simulée pour étudier l’impact des conditions opératoires sur les mécanismes morphologiques d’incorporation de polluants dans la glace afin d’améliorer l’efficacité du procédé. Cependant, la morphogenèse des interfaces, c'est à dire la morphogenèse du front de cristallisation et de la couche de glace (les poches de solution, des interstice de liquide,les joints de grain) n'est pas aisément gérée en compte dans la simulation. en effet, les interfaces sont des discontinuités dans ces modèles. Ainsi, pour résoudre les équations du système, la forme du front de cristallisation est simplifiée et la couche de glace simulée ne comprend pas les défauts observés. Le projet WATERSAFE a pour premier objectif de simuler la croissance dynamique de la glace en utilisant la méthode du champ de phase (PFM). Dans cette méthode, les variables sont des champs qui varient de manière continue au travers d’interfaces diffuses. La dynamique des interfaces est contrôlée par une minimisation de l’énergie libre définie par une fonctionnelle de Ginsburg-Landau. Cette méthode simule avec succès des morphogenèses complexes de solide, qui sont typiquement rencontrées, en prenant en compte naturellement la dynamique des interfaces et leurs formes. Le second objectif du projet WATERSAFE est de tester un nouveau pilote de cristallisation fonctionnant en mode continu avec un recycle sur la phase liquide et en mode discontinu sur la phase solide. Par une approche combinant essais expérimentaux en mode dynamique et simulation, une amélioration de l'efficacité du procédé, en terme de qualité de glace, de productivité et de rendement, est attendue.