Thèse Capture de Dioxyde de Carbone par Solubilisation et Précipitation dans les Mousses H/F - Doctorat_Gouv

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique
Direction de la thèse : Benjamin DOLLET ORCID 0000000217567543
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-18T23:59:59

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].

Dans le cadre de la lutte contre le changement climatique, il existe un intérêt majeur pour développer des procédés de capture et de séquestration du dioxyde de carbone. Les procédés impliquant des membranes permettent de réduire considérablement la consommation d'énergie [Sho08], et les membranes liquides sont particulièrement intéressantes [Lin22], notamment si on peut les renouveler pour lutter contre leur encrassement. Dans ce cadre, les mousses liquides sont un matériau potentiellement idéal, grâce à leur grande surface spécifique, leur petite fraction volumique en liquide, la facilité de les renouveler et de moduler leur stabilité, et le contrôle possible des flux à la fois dans leur phase liquide et dans leur phase gazeuse. Cependant, les mousses ont été peu utilisées dans ce contexte de capture du CO2. Partant de notre expertise sur la maîtrise de fabrication des mousses et leurs propriétés physiques et physico-chimiques, nous nous proposons d'investir ce créneau scientifique et technologique, en étudiant les transferts et la capture de CO2 aux différentes échelles des films, des bulles et des mousses dans leur ensemble. Dans cette thèse, l'accent sera mis sur la capture 'par voie chimique' pour maximiser la solubilisation du CO2.

L'objectif final sera d'offrir un outil de dimensionnement pour l'optimisation de la masse de CO2 capturée, avec une quantité de mousse et un encombrement minimaux.

Concrètement, les expériences de cette thèse s'appuieront sur deux dispositifs expérimentaux déjà disponibles ou en cours de conception : (i) une cellule de Hele-Shaw où les bulles constituant la mousse sont confinées en une monocouche, permettant de visualiser les transferts de masse à toutes les échelles ; (ii) une colonne 3D de mousse, permettant le contre-écoulement de la phase gazeuse (bullage) et liquide (drainage forcé), permettant d'optimiser les échanges et instrumentée en capteurs de CO2 dans les différentes phases. Les résultats seront interprétés par deux approches à deux échelles complémentaires. (i) À l'échelle de la bulle, la structure sera fidèlement implémentée dans un code multi-physique (type COMSOL) permettant de simuler les écoulements, les transferts, les cinétiques des réactions chimiques et d'adsorption-désorption aux interfaces. (ii) À l'échelle de la mousse vue comme un continuum, l'ensemble de ces phénomènes seront écrits sous forme d'équations aux dérivées partielles couplées, dont la résolution analytique (méthodes asymptotiques) ou numérique sera confrontée aux mesures des capteurs.

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.