Étude du transfert de matière gaz-liquide en milieu complexe : application au traitement des eaux résiduaires urbaines

Optimization of gas/liquid oxygen transfert in complex media for water treatment application

• 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
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Dietrich, Gilles Hebrard, Annabelle Couvert, Sylvie Gillot, Anne-Marie Billet, Benjamin Lalanne, Olivier Bremond
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annabelle Couvert, Sylvie Gillot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Technique de la production

Interfaces gaz-liquide

Mots clés libres

Transfert

Tensioactif

Gaz/liquide

Interface

Bulle

Génie des procédés

Surfactant

Gas/liquid

Transfer

Interface

Bubble

Chemical engineering

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.

The performance of tanks in sewage treatment plants is highly dependent on the oxygen transfer from gas to liquid phase, a vital process for the bacteria responsible for biodegradation. A precise prediction of the mass transfer in these tanks is thus necessary but very difficult, mainly because of the complexity of the liquid phase: It presents a complex rheology and surfactants composition, which drastically decrease the mass transfer coefficient. The aim of this PhD is to better understand the mechanisms responsible for the mass transfer decrease in these situations. For that purpose, the technique of Planar Laser Induced by Fluorescence with Inhibition (PLIF-I) has been used to simplify the system toward the measurement of mass transfer from a single bubble rising in a quiescent liquid. Thanks to this technique, we get access to information about (i) hydrodynamic parameters of bubbles and (ii) mass transfer. For the purpose of running an experiment in a system close to that of a real wastewater treatment plant, measurements of oxygen transfer are done in viscous media and in presence of surfactants. The presence of surfactants has been identified as the parameter that complicates the prediction of the mass transfer coefficient. This fact indicates that mechanisms of mass transfer in presence of surfactants are not yet fully understood. In order to identify the mechanisms, two strategies have been applied. First, for a better understanding of the impact of surfactants at the interface and in its surroundings, a literature review on optical techniques allowing visualization of surfactants at interfaces and in liquid phases has been done. Based on this review, a fluorescent surfactant has been synthetized and visualized in a channel. A reflection phenomenon on the interface has been observed which makes measurements impossible in this zone, but a diffusion coefficient of the surfactant in the bulk has been determined. The second approach dealt with the molecular structure of surfactants. Ten surfactants have been selected to cover a wide variety of properties such as charged surfactants: cationic and anionic, surfactants whose hydrophobic tails have different lengths and nonionic surfactants whose hydrophilic heads have different lengths. Thus, we linked (i) surfactant length, (ii) interface contamination determined by surface tension measurement and adsorption isotherms and (iii) mass transfer coefficient by PLIF-I experiment. Results showed that interface contamination and mass transfer coefficient are closely linked. The hydrophobic chain length has been identified as the parameter impacting the interface contamination and the mass transfer coefficient at constant bulk concentration. On the contrary, the hydrophilic chain length of nonionic surfactants did not impact the mass transfer coefficient, at constant bulk concentration. This study presents measurements ran with close to 300 single bubbles with different surfactants at different concentrations. This large panel allows us to compare experimental results with the Frössling correlation, which predicts mass transfer coefficients from fully contaminated bubbles with hydrodynamic parameters of bubbles. At high concentrations, it seems that this correlation finds a limitation leading to an overestimation of the experimental mass transfer coefficient. These results show that the hydrodynamics of a bubble alone cannot explain the decrease of the mass transfer coefficient of highly contaminated bubbles. Some ideas are proposed to build a model that takes into account more parameters like coverage ratio, adsorption constant and concentration, which is an interesting perspective of this work.