Description du sujet de thèse

Une mousse aqueuse est facilement obtenue en mélangeant quelques molécules de surfactant, un peu de liquide et beaucoup de gaz. Il s'agit de systèmes auto-organisés et multi-échelles dans lesquels le liquide est réparti entre des films, des bords de Plateau et des nœuds, qui se trouvent respectivement à l'intersection de deux, trois et quatre bulles. Les mousses sont caractérisées par une faible densité, des propriétés rhéologiques inhabituelles et une surface spécifique élevée, qui est notamment utilisée dans le processus de flottation par mousse permettant de séparer des matériaux hydrophobes et hydrophiles en suspension dans un liquide [Can, Stev]. La pertinence du développement d’un procédé similaire pour des mélanges de gaz qui permettrait de séparer deux gaz de nature chimique différente, l'un restant dans la bulle tandis que l'autre serait solubilisé dans la phase aqueuse liquide, n'a jamais été quantifié avec succès, malgré quelques travaux prometteurs [Wat, Jan] et l’urgence des objectifs de réduction du CO2 dans l’atmosphère pour limiter le dérèglement climatique.
Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d’étudier le potentiel des mousses aqueuses chargées en microalgues pour séparer le CO2 des autres gaz de l’atmosphère et le convertir en biomasse au sein de la mousse. La géométrie d’étude sélectionnée permet de combiner i) la grande surface spécifique des mousses qui assure une séparation du CO2 des autres gaz et ii) la capacité des microalgues à convertir le CO2 en biomasse via la photosynthèse. La géométrie d’étude permet un contre écoulement des deux intrants nécessaires à la photosynthèse, le CO2 étant apporté par les bulles, alors que les différents nutriments sont apportés via l’écoulement de la phase liquide.
Ce sujet soulève plusieurs questions. Tout d’abord, il faudra quantifier l’activité photosynthétique des microalgues dans les différents éléments de la mousse, notamment dans les films de savon dont l’épaisseur est du même ordre de grandeur que les algues. Ensuite, il faudra étudier comment les microalgues se distribuent dans les différents éléments de la mousse afin de répartir le liquide contenant les nutriments de façon optimale. Enfin il faudra quantifier l’efficacité du procédé en termes de capture et conversion du CO2 en biomasse. Pour répondre à ces questions, nous proposons une étude multi-échelle autour d’un film unique et d’une assemblée de films, organisés en 2D ou en 3D (mousse aqueuse). Ces études seront réalisées expérimentalement en utilisant les fonctionnalités offertes par la microfluidique ainsi qu’à plus grande échelle grâce à une cellule dédiée récemment développée au LIPhy et permettant de mesurer et contrôler la concentration en CO2 d’une atmosphère gazeuse et son humidité. Les résultats seront analysés via des approches en loi d’échelle, développement de modèles ou simulation numérique (type COMSOL) en collaboration avec des théoriciens et numériciens.

[Can] Cantat et al., Foams Structure and dynamics, Oxford University Press.
[Stev] Stevenson Foam Engineering: fundamentals and applications, Wiley & Sons (2012)
[Wat] Watsona et al. Carbon dioxide capture using Escherichia coli expressing carbonic anhydrase in a foam bioreactor Env. Tec. 37, 3186 (2016).
[Jan] Janoska et al. A liquid foam-bed photobioreactor for microalgae production Chem. Eng. J. 313, 1206 (2017)

Contexte de travail

En remplaçant un procédé de séparation de gaz thermique par un procédé membranaire, il est attendu que la consommation d’énergie associée à cette séparation peut être réduite d’un facteur allant jusqu’à 10. Nous voulons étudier le potentiel des films liquides aqueux en écoulement comme membranes de filtration et conversion de CO2. Pour augmenter les capacités de stockage des films et assurer une conversion du CO2, nous voulons fonctionnaliser les films en les ensemençant en microalgues ayant une forte affinité avec le gaz à filtrer et, dans ce cas, le filtrat peut être facilement transporté vers son lieu de stockage ou d'utilisation.

Ce projet interdisciplinaire sera encadré par Gwennou Coupier et Elise Lorenceau au LIPhy en collaboration avec des chercheurs du LCPV dans le cadre d’un projet ANR financé en 2024. Le LIPhy est un laboratoire de l'université Grenoble Alpes, dont le campus est considéré comme l'un des plus beaux d'Europe. L’étudiant sera en charge de tous les aspects inhérents à son projet : réalisation des montages expérimentaux, mesure et analyse des données, discussion, synthèse et rédaction d’articles, l’objectif étant de le rendre parfaitement autonome et leader de son projet de recherche. Pour aider l’étudiant dans cette tâche, une réunion de suivi entre l’étudiant et les chercheurs aura lieu toutes les semaines à un horaire régulier. Cette réunion permettra de discuter de l’avancement du travail pendant la semaine passée ainsi que de déterminer le programme de travail pour la semaine future. Une réunion aura lieu avec tous les membres du consortium ANR tous les deux mois. Par ailleurs, des interactions informelles et des séances de travail communes (notamment pour le montage des expériences) auront lieu en fonction des besoins de l’étudiant. L’étudiant bénéficiera également du système de tutorat en place au LIPhy et d’une évaluation des progrès réalisés par un comité individuel de suivi de thèse en accord avec les règles de l'école doctorale (CIST).

Nous recherchons donc un étudiant ayant de l’attrait pour les expériences en mécanique des fluides, hydrodynamiques et matière molle ainsi qu’une formation solide en physique ou physico-chimie ou mécanique des fluides. De bonnes capacités de présentation et d’interaction sont également attendues car le projet sera l’occasion de nombreuses collaborations, notamment avec des biologistes.


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.