Description

Les mousses aqueuses sont des suspensions denses de bulles de gaz enserrées dans une phase continue liquide, stabilisées par des molécules tensioactives. Les mousses sont caractérisées par une faible densité, une surface spécifique élevée et la possibilité de varier les propriétés physico-chimiques des tensioactifs utilisés. Ces caractéristiques originales sont mises à profit dans les procédés de flottation en extraction minière pour séparer des particules hydrophiles et hydrophobes en suspension dans un liquide [Lem68,Ste12]. La pertinence d’un procédé similaire pour séparer différents gaz d’un mélange (atmosphère ou effluents d’usine), les uns restant dans les bulles tandis que les autres seraient solubilisés dans la phase liquide, n’a jamais été quantifié avec succès, malgré quelques travaux prometteurs [Wat16].

Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est d’étudier et d’optimiser le potentiel des mousses aqueuses pour séparer le dioxyde de carbone (CO2) des autres gaz de l’atmosphère et de le capturer dans la phase liquide. Nous avons déjà montré que la grande solubilité du CO2, rapportée à celles des autres gaz dans l’air, est à l’origine de dynamiques originales de transfert entre bulles [Apr25]. L’idée est maintenant d’exploiter cette grande solubilité pour la capture. Pour ce faire, nous explorerons deux voies en jouant sur la composition chimique de la phase liquide. Tout d’abord, nous augmenterons son pH par adjonction de soude ou de potasse ; l’idée est de déplacer les équilibres acido-basiques des espèces obtenues par dissolution du CO2 en phase liquide (acide carbonique et ions hydrogénocarbonate et carbonate) pour maximiser le passage du CO2 des bulles au liquide. Ensuite, nous ajouterons des ions calcium ou magnésium en solution, ceux-ci formant des précipités permettant de piéger le CO2 sous forme solide. Cette stratégie est considérée comme très prometteuse pour la séquestration [Mat16].

Compétences requises

Le candidat (ou la candidate) sera issu d'un Master de physique, de mécanique ou de génie chimique. Il/elle devra faire preuve d'un goût à la fois pour la recherche expérimentale (conception et utilisation de dispositifs expérimentaux, mesures rigoureuses et systématiques, traitement approfondi des expériences) et théorique (conception de modèles et résolution numérique ou analyse de ceux-ci). Des connaissances en mécanique des fluides, en physique de la matière molle, sur les mécanismes de transfert de masse et/ou sur les procédés du génie chimique seront appréciées ; plus généralement, il/elle évoluera dans un environnement interdisciplinaire et devra faire preuve d'ouverture vers différentes disciplines.

Bibliographie

[Apr25] C. Aprili, G. Coupier, E. Lorenceau, B. Dollet, Tuanble effective diffusion of CO2 in aqueous foams, Proc. Natl. Acad. Sci. 122, e2504617122 (2025).
[Lem68] R. Lemlich, Adsorptive bubble separation methods: Foam fractionation and allied techniques, Ind. Eng. Chem. 60, 17-29 (1968).
[Lin22] Y. C. Lin, K. Setnickova, D. K. Wang, Y. F. Chu, V. Sima, Y. Y. Chiang, P. Uchytil, H. H. Tseng, Innovative water-based dynamic liquid bubble membrane generation device for gas/vapour separation, Chem. Eng. J. 450 (2022).
[Mat16] J. M. Matter et al., Rapid carbon mineralization for permanent disposal of anthropogenic carbon dioxide emissions, Science 352, 1312 (2016).
[Sho08] D. Sholl, R. Lively, Sevan chemical separations to change the world, Nature 532, 435-437 (2008).
[Ste12] P. Stevenson, Foam Engineering: Fundamentals and Applications, Wiley (2012).
[Wat16] A. Watson et al., Carbon dioxide capture using Escherichia coli expressing carbonic anhydrase in a foam bioreactor, Environ. Technol. 37, 3186 (2016).

Mots clés

mousses, dioxyde de carbone, transferts, capture, acido-basique, précipitation