Réacteurs à mousse chargée en microalgues pour la capture et conversion du CO2 – MIAM-CO2

Les mousses aqueuses sont des systèmes a priori pertinents pour la séparation et capture de mélanges gazeux, notamment celle du CO2 de l’air. En effet, elles exhibent une grande surface de contact entre gaz et liquide et assurent une perméabilité hydraulique élevée ce qui permet d’apporter en continu du liquide frais, ainsi qu’une circulation du gaz via le déplacement global des bulles. En outre, les contrastes de solubilité entre différentes molécules de gaz (N2 et CO2 par exemple) assurent une sélectivité entre espèces chimiques. Pourtant, les procédés de séparation de gaz à base de mousse sont peu implémentés. L’origine de ce paradoxe est vraisemblablement géométrique : la connexion hydraulique entre les films de savon qui représentent une grande partie de la surface spécifique des mousses et les canaux liquides (à l’intersection de trois bulles) qui contiennent souvent la plupart du liquide, est assurée par une zone de très faible épaisseur. Ce pincement ralentit considérablement les échanges hydrauliques ce qui empêche le liquide des films d’être rapidement renouvelé. En outre, ces zones de faible épaisseur permettent vraisemblablement au gaz de s’échapper rapidement des bulles, ce qui limite leur temps de résidence dans la mousse ainsi que le transfert de masse qui en découle. L’objectif de MIAM CO2 est de proposer une étude expérimentale, théorique et numérique pour i) identifier les régimes de transfert maximal du gaz vers le liquide et ii) d’intensifier ce transfert en réalisant des mousses chargées en microalgues, ces dernières pouvant fixer et convertir le CO2 en biomasse in situ.
Dans un premier temps, nous proposons donc d’étudier comment le CO2 se répartit entre les phases liquide et gaz d’une mousse aqueuse dans une géométrie de colonne où la mousse aqueuse est formée par bullage continu du CO2 et le liquide apporté en drainage forcé gravitaire en l’absence de microalgues. L’instrumentation de la colonne avec des capteurs de CO2 dédiés permettra de mesurer la dynamique de transfert ainsi que le coefficient de partition gaz/liquide pour différentes valeurs des paramètres de contrôle (débit de gaz et de liquide, taille des bulles, fraction volumique de liquide, teneur en CO2 du gaz). En parallèle, un cadre théorique et numérique sera implémenté en développant à la fois des équations continus (dans l’esprit des équations de drainage) et une modélisation numérique en écrivant les ingrédients physiques des échanges sur une mousse minimale dans un solveur COMSOL pour comparaison avec les expériences.
Dans un deuxième temps, nous incorporerons des microalgues dans la mousse afin d’étudier si la dynamique de transfert et le coefficient de partition sont modifiés par celles-ci. Avant de réaliser des expériences à l’échelle de la mousse, nous prendrons soin de trouver des couples surfactants/algues compatibles et étudierons comment les algues se répartissent spatialement à l’échelle d’un film unique et de la mousse. Nous faisons l’hypothèse que la présence de microalgues dans les films permettra d’obtenir des films de savon plus épais ce qui exacerbera le transfert puisque les échanges hydrauliques entre films et canaux liquides seront facilités et l’échappement trop rapide du gaz d’intérêt ralenti par une grande épaisseur de film. Ensuite, nous mesurerons la quantité de CO2 absorbée par une mousse chargée en microalgues et la corrélerons avec la surface d'échange du système, la répartition des particules, la vitesse du liquide et la concentration initiale en CO2 du mélange. Les résultats expérimentaux obtenus seront implémentés dans le cadre théorique développé précédemment qui tiendra compte de la présence des microalgues, modélisées comme un puit absorbant le CO2 dans le modèle continu ou comme des objets transportés passivement ou activement par l’écoulement liquide et capables d’absorber le CO2 dans le solveur COMSOL.