Étude du transfert de matière gaz-liquide en milieu complexe : application au traitement des eaux résiduaires urbaines
Auteur / Autrice : | Gaëlle Lebrun |
Direction : | Nicolas Dietrich, Gilles Hebrard |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Génie des Procédés et de l'Environnement |
Date : | Soutenance le 18/11/2021 |
Etablissement(s) : | Toulouse, INSA |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI |
Jury : | Président / Présidente : Sylvie Beaufils |
Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Dietrich, Gilles Hebrard, Annabelle Couvert, Sylvie Gillot, Anne-Marie Billet, Benjamin Lalanne, Olivier Bremond | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Annabelle Couvert, Sylvie Gillot |
Mots clés
Mots clés contrôlés
Mots clés libres
Résumé
Les performances des bassins d’aération dans les stations de traitement des eaux usées sont directement liées au transfert de l’oxygène de la phase gaz à la phase liquide, afin d’approvisionner en oxygène des bactéries responsables de la biodégradation de la matière organique. Une prédiction précise du transfert de l’oxygène est donc nécessaire mais reste toutefois difficile, et notamment en raison de la composition de la phase liquide, qui présente une rhéologie complexe mais aussi des agents tensioactifs, qui diminuent drastiquement le coefficient de transfert. L’objectif de cette thèse est d’apporter des éléments de réponse quant aux mécanismes régissant le transfert de matière dans de telles conditions. Pour cela, la technique d’inhibition de fluorescence induite par plan laser (PLIF-I) a été utilisée afin d’effectuer des mesures de transfert de l’oxygène depuis une bulle isolée en ascension dans un liquide au repos et d’avoir ainsi accès à des informations sur l’hydrodynamique de la bulle et sur le transfert de matière. Des mesures de transfert de l’oxygène ont été réalisées dans un milieu visqueux et en présence de tensioactifs afin de s’approcher au maximum des conditions de stations d’épuration. La présence de tensioactifs a été identifiée comme l’élément rendant la prédiction du coefficient de transfert la plus délicate par les corrélations usuelles, ce qui permet de penser que tous les mécanismes régissant le transfert de matière en présence de tensioactifs ne sont pas encore appréhendés. Afin d’identifier ces mécanismes, deux pistes ont été envisagées. Tout d’abord, afin de mieux comprendre quels impacts les tensioactifs ont sur l’interface et son voisinage, une synthèse de la littérature sur les techniques permettant de visualiser les tensioactifs a été réalisée. A l’issu de ce travail, un tensioactif fluorescent a été synthétisé et visualisé dans un canal. Cela a permis de déterminer un coefficient de diffusion du tensioactif, loin de l’interface. La seconde approche adoptée s’intéresse à la structure des tensioactifs. Dix tensioactifs ont été sélectionnés afin d’étudier des tensioactifs chargés : cationiques et anioniques présentant différentes longueurs de chaînes hydrophobes, et des tensioactifs nonionique, avec différentes longueurs de chaîne hydrophile. Ainsi, nous avons pu mettre en relation (i) longueurs des chaînes des tensioactifs, (ii) colonisation de l’interface par des mesures de tension superficielle et construction d’isothermes d’adsorption et (iii) coefficient de transfert de l’oxygène par des mesures PLIF-I. Il a donc été montré que colonisation de l’interface et transfert de matière étaient étroitement liés. La longueur de la chaîne hydrophobe a été identifiée comme le paramètre ayant un impact sur la colonisation de l’interface et le transfert de matière, à concentration dans la phase liquide identique, tandis que changer la longueur de la chaîne hydrophile n’a pas d’impact sur le transfert de matière, à concentration molaire égale. Ce travail a été réalisé sur près de 300 bulles isolées avec différents tensioactifs à différentes concentrations. Ce large panel permet de comparer les résultats avec la corrélation de Frössling, prévoyant le coefficient de transfert de matière pour des bulles complètement contaminées en prenant en compte les paramètres hydrodynamiques des bulles. A forte concentration en tensioactifs dans la phase liquide, la corrélation semble trouver ses limites et le coefficient de transfert prévu surestime celui obtenu expérimentalement. Les résultats montrent que l’aspect hydrodynamique des bulles ne peut pas rendre compte à lui seul de la diminution du coefficient de transfert de l’oxygène côté liquide, à forte concentration en tensioactifs. Quelques pistes sont proposées pour construire un modèle prenant en compte des paramètres supplémentaires comme les constantes d’adsorption et la concentration en tensioactifs, qui constituent des perspectives intéressantes de ce travail.