Activité sonochimique à l'interface solide-liquide: mise en œuvre dans un lit fluidisé ultrasonore bi-fréquence // sonochemical activity at solid-liquid interface: dual-frequency ultrasonic fluidized bed

Topic description

Qu'ils relèvent de la basse ou de la haute fréquence, les ultrasons de puissance sont connus pour leurs effets physiques et chimiques. De nombreuses applications existent, qu'elles relèvent de l'intensification de procédés physiques (nettoyage, dégazage, extraction solide-liquide, …) ou de l'activation de réactions chimiques (catalyse) [1-2]. Pour autant, peu de travaux fondamentaux ont été menés afin d'apporter une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu, et de fournir des paramètres opératoires pertinents à la conduite de ces applications, notamment en milieu hétérogène.
Dans ce contexte, l'objectif de la thèse proposée est de développer un nouveau type de réacteur sonochimique, s'appuyant sur une irradiation ultrasonore à double fréquence mise en œuvre dans un lit fluidisé. L'intérêt de la double fréquence est ici justifié par la juxtaposition d'effets chimiques et physiques qui conduisent à une synergie jusqu'ici rapportée essentiellement en milieu homogène. Par ailleurs, la fluidisation est une opération bien connue pour améliorer l'accessibilité au milieu divisé et favoriser les possibles transferts de chaleur et matière. Dans le domaine des procédés d'extraction solide/liquide par exemple, l'utilisation d'un réacteur de type lit fluidisé permet notamment une extraction plus rapide, plus homogène et plus efficace, avec moins de colmatage et garantit la possibilité d'un fonctionnement continu [3]. Ainsi, le dispositif envisagé dans le cadre de la thèse s'appuiera sur une double innovation : le développement de la fluidisation assistée par ultrasons et le couplage de fréquences ultrasonores distinctes.
A la suite d'une phase préliminaire bibliographique qui devrait entre autres confirmer le caractère innovant de ce type de réacteur, la première étape de ce travail consistera au dimensionnement du dispositif et à sa mise en place. La caractérisation énergétique et les performances sonochimiques du lit fluidisé assisté par ultrasons seront ensuite réalisées à partir d'une méthodologie développée au laboratoire. L'approche hydrodynamique classique viendra compléter cette caractérisation.
Cette étape devrait permettre de définir les conditions optimales d'utilisation du lit fluidisé ultrasonore qui seront à la suite mises en œuvre et validées pour une/des application(s) en milieu hétérogène qui aura/ont été choisie(s) dans le cadre de la valorisation de biomasse et/ou de la récupération de molécules d'intérêt.
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Whether low or high frequency, high-power ultrasound is known for its physical and chemical effects. Numerous applications exist, ranging from the intensification of physical processes (cleaning, degassing, solid-liquid extraction, etc.) to the activation of chemical reactions (catalysis for instance) [1-2]. However, little fundamental research has been conducted to improve the understanding of the phenomena and to provide relevant operating parameters for these applications, particularly in heterogeneous media.
In this context, the objective of this thesis is to develop a new type of sonochemical reactor based on dual-frequency ultrasonic irradiation implemented in a fluidized bed. The advantage of dual frequency is justified here by the juxtaposition of chemical and physical effects, leading to a synergy mainly observed in homogeneous media. Furthermore, fluidization is a well-known process for improving accessibility to the particles and facilitating heat and mass transfer. In the field of solid/liquid extraction processes, for example, the use of a fluidized bed reactor allows for faster, more homogeneous, and more efficient extraction, with less clogging and ensuring continuous operation [3]. Thus, the device envisioned in this thesis will be based on a dual innovation: the development of ultrasound-assisted fluidization and the coupling of distinct ultrasonic frequencies.
Following a preliminary literature review, which should confirm the innovative nature of this type of reactor, among other things, the first step of this work will consist of designing and implementing the device. The energy characterization and sonochemical performance of the ultrasound-assisted fluidized bed will then be carried out using a methodology developed in the laboratory. A classical hydrodynamic approach will complement this characterization.
This step should allow us to define the optimal conditions for using the ultrasonic fluidized bed which will then be implemented and validated for one or more applications in heterogeneous media which will have been chosen in the context of biomass valorization and/or the recovery of molecules of interest.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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Concours pour un contrat doctoral