Approches micro- et millifluidiques pour étudier la production d’hydrogène dans les milieux multiphasiques CO2/H2O dans les conditions géologiques

Micro- and millifluidic approaches for studying the hydrogen production in multiphasic CO2/H2O media under geological conditions

• Auteur / Autrice : Cyrielle Fauveau
• Direction : Samuel Marre, Cyril Aymonier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 29/03/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samuel Marre, Cyril Aymonier, Séverine Camy, Mohamed Azaroual, Olivier Joubert, Sébastien Cargou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Séverine Camy, Mohamed Azaroual

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux poreux

Aquifères

Microréacteurs chimiques

Microfluidique

Mots clés libres

Production d'hydrogène

Corrosion du fer

Milieux géologiques

Haute pression

Réacteurs micro- et millifluidiques en saphir

Hydrogen production

Iron corrosion

Geological media

High pressure

Sapphire micro- and millifluidics reactors

Résumé

Le principal challenge lié au réchauffement climatique concerne la gestion des émissions de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone (CO2). Une des stratégies pour répondre à cette problématique repose sur le stockage géologique de ce déchet au sein des aquifères salins. Une voie envisagée pour combiner stockage et valorisation du CO2 est sa bioconversion en méthane (CH4) par des micro-organismes vivant dans ces environnements profonds par méthanogénèse (objectif du projet ERC BIGMAC). Toutefois, cette bioconversion nécessite la présence d’hydrogène. Ainsi, une voie prometteuse pour générer artificiellement de l’hydrogène in situ est l’oxydation du fer dans les milieux aqueux saturés en CO2 (Fe + CO2 + H2O -> FeCO3 + H2). Le principal objectif de ce travail de thèse concerne donc la détermination des cinétiques de production d’hydrogène dans un milieu aqueux contrôlé en pression de CO2 (1-200 bar) et en température (25-80 °C). Pour réaliser les expériences, un réacteur millifluidique en saphir a été développé, optimisé et couplé avec des techniques de caractérisation spécifiques (i.e. chromatographie en phase gazeuse, diffraction des rayons X, etc.). Cela a permis d’étudier et de quantifier la production d’hydrogène principalement en fonction du temps, de la température et de la pression. L’acquisition de ces données a permis une première estimation de la quantité d’hydrogène pouvant être produite au sein d’un aquifère. Cependant, afin de prendre en compte les caractéristiques géométriques du lieu de stockage (i.e. milieu poreux), nous avons développé et utilisé des outils microfluidiques mimant des milieux géologiques profonds (porosité, perméabilité, pression et température). Des microréacteurs en saphir ont été spécialement conçus pour répondre aux objectifs visés. Les propriétés mécaniques et optiques du saphir ont permis de réaliser des analyses in situ de la réaction de production d’hydrogène sous pression de CO2 et en température. La formation des produits (FeCO3) et/ou la disparition des réactifs (CO2) de la réaction ont notamment pu être étudiées via l’utilisation d’un spectromètre infrarouge.

The main challenge related to global warming concerns the management of greenhouse gas emissions such as carbon dioxide (CO2). One of the strategies envisioned to overcome this issue is based on the geological storage of this waste within saline aquifers. A promising way considered combining storage and valorization of CO2 through its bioconversion to methane (CH4) by microorganisms living in these deep environments by methanogenesis (objective of the ERC BIGMAC project). However, this bioconversion requires hydrogen. Hence, it is necessary to generate hydrogen in situ and this can be achieved by oxidizing iron in aqueous media saturated with CO2 (Fe + CO2 + H2O -> FeCO3 + H2). The main objective of this PhD thesis therefore concerns the determination of the hydrogen production kinetics in an aqueous media under CO2 pressure (1-200 bar) and temperature (25-80 °C). To carry out these experiments, a millifluidic sapphire reactor was developed, optimized and coupled with specific characterization techniques (i.e. gas chromatography, X-ray diffraction, etc.). This set up allows studying and quantifying hydrogen production as a function of time, temperature and pressure. A first estimation of the amount of hydrogen produced in an aquifer is then possible. However, in order to take into account the geometrical characteristics of the storage site (i.e. porous medium), we have developed and used microfluidic tools mimicking deep geological environments (porosity, permeability, pressure and temperature). Sapphire microreactors have been specially manufactured to reach these objectives. The mechanical and optical properties of sapphire allow performing in situ analysis for hydrogen production under CO2 pressure and temperature. The formation of the product (H2) and by product (FeCO3) and / or the disappearance of the reactants (CO2) of the reaction could in particular be studied using an infrared spectroscopy.