Dynamique de capture du CO2 par des mousses aqueuses chargées en algues

Qu'il s'agisse de purifier l'air de la pollution par les particules fines ou d'obtenir des gaz, nos besoins en matière de filtration et de séparation des gaz augmentent rapidement. Ce besoin est crucial dans le contexte du réchauffement climatique, car même si nos émissions de CO2 devenaient nulles aujourd'hui, il faudra probablement aussi capter le CO2 de l'atmosphère pour tenter d'enrayer l'augmentation de la température à la surface de la Terre. Le CO2 étant présent dans l'atmosphère à des concentrations de l'ordre de 0,04%, les volumes d'air à filtrer sont gigantesques et il est nécessaire de développer des procédés de séparation à la fois économes en énergie et rapides.

Parmi les différentes techniques utilisées, l'utilisation de membranes, qui forment une barrière perméable entre deux milieux à travers laquelle les différents composés gazeux sont filtrés en fonction de leur taille, de leur diffusivité ou de leur solubilité dans les membranes, est en plein essor. Cependant, ces membranes se bouchent facilement, ce qui pose un énorme problème. Pour contourner ces problèmes, il a été proposé d'utiliser des mousses aqueuses, composées d'une myriade de films liquides agissant comme des membranes sélectives pour séparer le CO2 qui se solubilise dans la phase liquide et l'air qui reste principalement dans les bulles.

En outre, l'ajout de petites algues dans la phase liquide permettrait de convertir directement le CO2 capturé en biomasse. Dans ce problème, plusieurs échelles de temps sont impliquées : celle de la solubilisation, de la diffusion à travers le film, de la consommation de CO2, ou de l'écoulement à travers le film et ses limites.

Pour avancer dans la compréhension de ce problème, nous proposons une étude de la dynamique du transfert et de la capture du CO2 à travers un seul film. Dans ce stage, l'approche sera essentiellement expérimentale, tandis qu'un développement théorique pourra également être envisagé à travers des modèles d'advection-diffusion pour le transport. La configuration de l'étude envisagée est la suivante : un seul film de savon, potentiellement ensemencé d'algues, sera produit dans une puce microfluidique (voir Figure). Des mélanges de CO2 et d'air seront injectés de part et d'autre du film. La phase liquide pourra être renouvelée en imposant un flux entre deux de ses extrémités, comme ce serait le cas dans une mousse sous l'action d'un drainage induit par la gravité ou d'une injection de liquide frais par les opérateurs. Plusieurs grandeurs seront suivies dans le temps : la teneur en CO2 de chaque côté du film, la quantité d'algues piégées, leur organisation, leur flux, et la concentration en CO2 de la phase liquide. Ces expériences seront réalisées pour différentes proportions de gaz, différents débits de liquide, différents types et concentrations d'algues. Les aspects biologiques seront traités en collaboration avec le Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale (LPCV), hébergé au CEA Grenoble.
 

Le stagiaire d’un niveau M2 ou équivalent devra posséder de bonnes connaissances de thermodynamique et de matière molle ou mécanique des fluides. Un goût pour l’expérimentation et le développement instrumental est vivement souhaité. Le stage devra durer quatre mois au minimum, idéalement 6 mois et pourra se poursuivre en thèse. Le stagiaire bénéficiera d’une gratification de stage à hauteur de 550 euros environ par mois.