PRIMO

Les procédés membranaires sont des procédés de séparation de mélanges impliquant l'utilisation d’un film polymère ou inorganique, qui peut être dense ou microporeux, la membrane. Selon les caractéristiques de la membrane, on peut séparer des mélanges monophasiques, gaz ou liquide, ou diphasiques, liquide-solide. Pour la séparation de mélanges monophasiques, les procédés membranaires constituent une alternative aux procédés de séparation moléculaire conventionnels. Leurs principaux avantages sont une faible consommation d'énergie, comparé à la distillation, et une mise en œuvre simple, comparé à l’adsorption. Grâce à leurs qualités intrinsèques, les procédés membranaires connaissent un essor important et leur domaine d’utilisation en milieu industriel est en constante et forte augmentation.

On distingue différents procédés membranaires, selon la taille des constituants à séparer, la nature physique de la force motrice permettant de franchir la barrière membranaire et l’état physique des fluides circulant de part et d’autre de la membrane. Des procédés membranaires variés sont étudiés au sein de l’axe PRIMO. La liste ci-dessous de sujets abordés, non exhaustive, en donne un aperçu.

• Perméation de gaz pour la séparation de gaz industriels en général et pour la capture du CO₂ en particulier.
• Contacteurs membranaires gaz-liquide pour la capture du CO₂ et le dégazage et la désolvatation d’effluents industriels.
• Contacteurs membranaires liquide-liquide pour la purification de composés phénoliques issus de bio-huiles.
• Nanofiltration pour la récupération sélective de colorants dans le traitement d’effluents liquides de l’industrie textile.
• Osmose inverse pour le traitement d’effluents de l’industrie nucléaire.
• Distillation membranaire pour le dessalement des eaux saumâtres.

L’objectif des recherches menées au sein de l’axe PRIMO est de développer de nouveaux procédés membranaires ou d’intensifier les procédés existants. Ceci passe par la modélisation des phénomènes impliqués à toutes les échelles, partant des mécanismes moléculaires, passant par l’hydrodynamique et les transferts puis allant jusqu’à l’architecture de l’ensemble du procédé. Des procédés multifonctionnels et hybrides sont également envisagés.

Les procédés de catalyse hétérogène fluide-solide représentent la majorité des procédés réactifs de l’industrie et leur maîtrise est fondamentale pour mener à bien la transition vers une industrie durable. Le développement de nouveaux procédés dans une approche multi-échelle constitue une priorité thématique de l’axe PRIMO, tout particulièrement les procédés clés de la transition énergétique, tels ceux basés sur l’hydrogène et la valorisation de CO₂. Les applications étudiées concernent l’utilisation de l’hydrogène pour la mobilité, la micro-cogénération ou la production de e-fuels (filière Power-to-Chemicals) et la séparation et la valorisation du CO₂ dans une logique d’ingénierie circulaire. De nombreux défis doivent être relevés pour développer ces nouveaux procédés : réduction de leur empreinte spatiale et environnementale, augmentation de la modularité des équipements, nécessité d’une production décentralisée et gestion du caractère intermittent des flux de matière et d’énergie entrants.

D’un point de vue méthodologique, les travaux menés à l’échelle du catalyseur consistent d’une part à développer, sur la base de résultats expérimentaux, des modèles cinétiques exploitables aux échelles supérieures, et d’autre part, à synthétiser et à caractériser ces matériaux catalytiques, ceci en partenariat avec d’autres axes du LRGP, voire avec d’autres laboratoires. Dans ce cadre, une installation pilote permettant de tester la performance et la stabilité des matériaux catalytiques a été construite au LRGP en 2023-2024. Les travaux de modélisation et d’optimisation des réacteurs à l’échelle de l’équipement intègrent les phénomènes cinétiques, thermodynamiques, et hydrodynamiques et de transferts de matière et de chaleur. Ces modèles sont intégrés dans des modèles de procédé complets, afin de calculer des indicateurs de performance globaux (coût de production, efficacité énergétique, impact environnemental, etc.) et d’identifier par la suite l’architecture optimale du procédé, c.à.d. celle permettant de minimiser/maximiser ces indicateurs.

L'intensification, définie comme l'ensemble des technologies et méthodes permettant d'augmenter la productivité volumique, et la synthèse des procédés, vue comme l’agencement optimal des opérations unitaires, font partie des méthodologies scientifiques de l’axe. Elles visent la conception de nouveaux appareillages et de procédés innovants dans un souci d’optimisation des efficacités technique et énergétique.

Les principales stratégies d’intensification développées au sein de l’axe sont les suivantes.

• Structuration géométrique et miniaturisation des équipements permettant la mise en œuvre des transferts ou de la réaction.
• Passage de procédés discontinus aux procédés continus.
• Conception d’appareils multifonctionnels, réacteur-échangeur compact ou réacteur-séparateur, permettant de tirer profit d’éventuelles synergies.

La synthèse de procédés est une thématique scientifique importante de l’axe PRIMO et d’intérêt pour le LRGP dans son ensemble, étant donné les multiples applications possibles. Les travaux menés consistent d’une part à déterminer l’architecture et les conditions opératoires optimales d’un procédé par optimisation de superstructures sur la base d’indicateurs de performance. D’autre part, des méthodes évolutionnaires, sont développées pour identifier des structures de procédés ab initio. Afin de limiter les temps de calcul des algorithmes d’optimisation, des approches utilisant l’apprentissage automatique (machine learning) ainsi que les méthodes de graphes sont employées.