Etude expérimentale et modélisation d'une réaction de photooxygénation avec sensibilisateur soluble ou supporté dans des photoréacteurs continus milli-structurés éclairés par des LED - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Experimentation and modelling of a sensitized photooxygenation in continuous LED-driven microstructured photoreactors

Etude expérimentale et modélisation d'une réaction de photooxygénation avec sensibilisateur soluble ou supporté dans des photoréacteurs continus milli-structurés éclairés par des LED

Robbie Radjagobalou
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1272453
  • IdRef : 233079866

Résumé

Organic photochemistry becomes a key synthesis pathway for sustainable chemistry thanks to its ability to address molecular complexity and diversity with a “flick of a switch”, often in one step. Sensitized photooxygenations are particularly attractive: singlet oxygen 1O2 is here generated by photosensitization of the triplet molecular oxygen 3O2, most often in the visible range with catalytic amounts of an organic sensitizer (dye). Despite the several advantages, these reactions have not found widespread implementations in the chemical industry, mainly due to currently available technology based on outdated batch reactors (poor light penetration, high dilution) equipped with energy demanding mercury lamps (intensive cooling and optical filter needs). In that way, continuous flow microstructured technologies have recently emerged as alternatives to batch processing and their suitability for photoreactions has been highlighted; the combination with narrowly emitting LED light sources additionally enables energy savings, increased yields and selectivity. At present, however, there are few attempts to understand these benefits using a chemical engineering perspective. In keeping with this context, this thesis investigates photooxygenation in different continuous-flow microreactor devices with the aim at (i) understand how and why the operating conditions can affect the yield and the selectivity; and (ii) providemodelling tools for defining a methodology for smart scale-up. For that, three types of LED-driven microreactors were considered: the Vapourtec® photoreactor, the home-made spiral-shaped photoreactor and the advanced-flow G1 photoreactor from Corning®. As a case of study, the photooxygenation of -terpinene into ascaridole was selected, in the sustainable solvent ethanol and using rose Bengal as a sensitizer of industrial interest. In a first step, a revised protocol of actinometry using the Reinecke’s salt (visible domain) was proposed to measure the incident photon flux (i. e the one arriving at the reactor surface). It was successfully implemented in the spiral-shaped microreactor, and based on simplified 1D model, this parameter could be estimated. Secondly, the kinetic law based on all mechanistic steps was established for the chosen reaction. From this, the set of operating conditions potentially influencing the photoreaction rate were identified. Subsequently, experiments with soluble Rose Bengal were carried in both lab-scale and meso-scale microreactors, enabling to cover a large operating window and thus to collect an important database. Whatever the continuous-flow reactors, the conditions enabling minimization of sensitizer bleaching while achieving quantitative conversion were identified. A 1D model of representation, taking into account the Lambertian nature source and the potential reflection at the back optical surface, was proposed. It enabled to formalize the different coupled phenomena, to analyze and estimate the experimental trends at different scales. Finally, the photooxygenation of -terpinene was performed under continuous-flow with solid-supported sensitizer. The latter consisted in photoactive microgels (~300 nm) transported by the liquid phase: the sensitizer Bengal rose was grafted on a polymer matrix that had the ability to swell into water or alcoholic solvents and thus induced a decrease of their average refraction index. The underlying idea was to test a new-resource efficient photochemical synthesis concept that could circumvent the downstream separation processes and also protect the sensitizer from its ability to photodegrade during the irradiation time. The implementation of these photoactive microgels lead to very promising results, in terms of both conversion, bleaching reduction and reusability, and thus offer very interesting perspectives for supported photooxygenation in the future.
La photochimie préparative est un outil puissant en synthèse organique, donnant accès à des produits de haute complexité moléculaire, souvent en une étape. Parmi le vaste portefeuille de réactions photochimiques, on distingue les photooxygénations sensibilisées qui mettent en jeu l’oxygène singulet généré par photosensibilisation du dioxygène via l’utilisation d’un colorant. Malgré leurs fortes potentialités, leur transposition industrielle demeure limitée, essentiellement à cause de verrous scientifiques et technologiques. Aujourd’hui, les technologies microstructurées continues éclairées par des LED offrent des avantages majeurs (meilleure pénétration de la lumière, illumination homogène des surfaces optiques, contrôle aisé du temps d’irradiation, plus grande flexibilité en termes de dimensionnement). Or, à ce jour, peu de travaux portant sur l’étude de la photooxygénation dans ces nouvelles technologies existent, en particulier avec une approche de génie des photoréacteurs. Dans ce contexte, ce doctorat vise à étudier la photooxygénation de l’-terpinène en ascaridole, avec un solvant vert (éthanol) et un sensibilisateur d’intérêt industriel (rose de Bengale), dans des photoréacteurs continus milli-structurés. Les objectifs sont de comprendre l’influence des conditions opératoires sur les rendement et sélectivité, et d’apporter des outils de modélisation en vue de proposer une stratégie de changement d’échelle. Pour cela, trois milli-photoréacteurs éclairés par des LED visible ont été considérés : le photoréacteur de Vapourtec®, un photoréacteur spiralé conçu au LGC et le Photo Réacteur G1 de Corning®. Dans un premier temps, un protocole révisé de la méthode actinométrique utilisant le sel de Reinecke a été proposé pour déterminer le flux de photons incident, donnée essentielle pour la modélisation. Par la suite, il a été appliqué dans le photoréacteur spiralé, où un modèle simple a permis d’estimer cette grandeur. Dans un deuxième temps, à partir de considérations mécanistiques, la loi cinétique de la photooxygénation a été rigoureusement établie. Son expression a permis d’identifier les paramètres opératoires pouvant potentiellement influencer le taux de conversion. Par la suite, les expériences réalisées à l’échelle du laboratoire et à la méso-échelle, ont montré que, dans chaque photoréacteur, des conditions opératoires pouvaient être définies, conduisant à des conversions complètes et sélectives, tout en minimisant la photo-dégradation du rose de Bengale. Il a été ensuite proposé un modèle de représentation 1D prenant en compte le caractère quasi-Lambertien d’émission des LED, et la réflexion de la lumière à la surface optique arrière du photoréacteur. Ce modèle, même s’il a vocation à être affiné, est un outil intéressant pour formaliser le couplage des phénomènes impliqués, mais aussi pour analyser et estimer les cinétiques aux différentes échelles de productivité. Enfin, la photooxygénation de l’-terpinène a été conduite avec des photosensibilisateurs supportés transportés par la phase liquide au sein des photoréacteurs millistructurés continus. Constituées d’un réseau polymérique dans lequel sont greffées les molécules de rose de Bengale, ces nanoparticules photosensibles sont des microgels (~ 300 nm) qui ont donc la capacité de gonfler dans l’éthanol. Les résultats obtenus sont très prometteurs, démontrant une capacité à convertir efficacement, à réduire la photodégradation du rose de Bengale et à être réutilisable après plusieurs cycles de photooxygénation. Ces microgels photosensibles ouvrent donc des perspectives très intéressantes pour une conduite, énergétiquement efficace et économe en atomes, des réactions de photooxygénation en phase hétérogène dans les technologies milli-structurés continues éclairés par des LED
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04169505 , version 1 (24-07-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04169505 , version 1

Citer

Robbie Radjagobalou. Etude expérimentale et modélisation d'une réaction de photooxygénation avec sensibilisateur soluble ou supporté dans des photoréacteurs continus milli-structurés éclairés par des LED. Génie des procédés. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2019. Français. ⟨NNT : 2019INPT0101⟩. ⟨tel-04169505⟩
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