Simulation Numérique Directe et modélisation thermodynamique du transfert de matière gaz-liquide en présence d'espèces tensioactives

Le transfert de matière gaz-liquide constitue un mécanisme clé dans de nombreux procédés industriels et environnementaux. Les échanges gazeux atmosphère-océan contribuent aux bilans de CO₂ et d'O₂, tandis que le transfert gaz-liquide est au cœur de technologies de capture du CO₂ (absorption intensifiée, culture de microalgues), de traitement des eaux et de restauration de l'environnement (par exemple, l'aération contre la prolifération des algues), ainsi que de procédés chimiques et biologiques tels que les (bio-)réacteurs et les fermentations. La description prédictive du transfert de matière gaz-liquide devient difficile dans les environnements complexes et évolutifs rencontrés dans ces applications. L'eau et les autres liquides peuvent contenir matière organique, alcools, molécules biologiques, polluants, et autres tensio-actifs. Ces espèces amphiphiles peuvent s'adsorber aux interfaces et en modifier les propriétés physico-chimiques, affectant l'hydrodynamique et le transfert de matière. Une réduction drastique du transfert interfacial a été observée pour des bulles en ascension dans des mélanges complexes. Comment la présence de plusieurs espèces tensio-actives modifie-t-elle le transfert, et comment intégrer ces effets dans des modèles prédictifs ? La contamination interfaciale affecte le transfert de matière par deux mécanismes fondamentalement différents. D'une part, l'adsorption modifie la tension interfaciale et génère des contraintes de Marangoni, modifiant l'hydrodynamique des bulles, la mobilité interfaciale et le transport convectif. D'autre part, la couche adsorbée peut constituer une résistance supplémentaire au transfert moléculaire à travers l'interface, dont la contribution reste à élucider. Distinguer ces deux contributions est essentiel en vue d'une modélisation fiable. La thèse développera des simulations numériques et une approche basée sur la thermodynamique pour interpréter les résultats de transfert autour de bulles. Des expériences contrôlées sur des bulles confinées ellipsoïdales ou de Taylor fournissent des données sur l'inhibition du transfert dans différentes solutions de tensio-actifs. Des simulations numériques directes (DNS) de l'hydrodynamique et du transfert de matière seront d'abord réalisées. Dans un premier temps, elles prendront en compte les gradients de concentration en espèces adsorbées et les contraintes de Marangoni qui en découlent, afin de quantifier leur contribution à la réduction mesurée du transfert. Cette approche permettra alors d'évaluer l'importance de l'autre contribution, due à la barrière interfaciale au transfert, pour les bulles confinées. Ensuite, une approche thermodynamique prenant en compte la composition du mélange interfacial et la production d'entropie sera couplée aux DNS afin de compléter le modèle par la résistance associée à la couche adsorbée. Les résultats seront confrontés aux expériences. Une modélisation globale, basée sur la théorie du double film, sera ensuite développée et affinée, de telle sorte qu'elle repose sur des paramètres d'entrée facilement mesurables ou accessibles. Après validation, la méthodologie sera étendue aux bulles non confinées, offrant une configuration plus générale dans laquelle les effets Marangoni solutaux et ceux dus à la couverture interfaciale interagissent davantage. Enfin, l'approche sera appliquée à des milieux plus complexes : mélanges concentrés avec des tensioactifs ioniques et des sels, eau de mer, eaux usées à traiter… L'objectif est ainsi d'établir un cadre reliant thermodynamique interfaciale et transfert gaz-liquide, avec une méthodologie de validation par approche couplée entre DNS et expériences. Cela fournira une base pour prédire l'efficacité du transfert gaz-liquide lorsque les conditions et la composition évoluent, en milieux complexes, et en vue d'optimiser les technologies intensifiées d'aération et autres procédés diphasiques multi-constituants. École doctorale : MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Direction : Benjamin LALANNE Financement : MSCA COFUND BEST