Séchage de fluides complexes microfluidiques : extraction des coefficients de transports, mesures thermodynamiques pour la modélisation d’aérosols

Au croisement des Sciences et de la Technologie, le LGC  participe aux dernières avancées du Génie Chimique et développe des travaux de recherche expérimentaux et théoriques pour apporter la connaissance au cœur des procédés de transformation de la matière et de l’énergie.

Soutenu par ses trois tutelles, le CNRS, l’Institut National Polytechnique de Toulouse et l’Université Paul Sabatier de Toulouse, le LGC compte plus de 300 collaborateurs répartis dans 6 départements de recherche qui s’attachent à répondre à 5 enjeux sociétaux : les eaux et effluents, l’énergie, la bio-raffinerie, les procédés d’élaboration des matériaux et l’ingénierie de la santé.

Le département GIMD travaille sur les échanges et les interactions qui ont lieu à l’interface entre deux phases.

Ces échanges et interactions jouent un rôle majeur dans l’élaboration d’une grande diversité d’objets (particules, cristaux, gouttes, membranes, émulsions) par des procédés technologiques (précipitation, émulsification, broyage, séchage, mélange) mais aussi dans leur mise en œuvre dans des applications (séparation/purification, texturation, vectorisation, encapsulation). Ces objets et interfaces qui existent dans les milieux ou fluides naturels, comme le sang, le rein, la boue ou le lait sont d’une grande importance dans un large éventail de développements industriels allant de la production de médicaments au traitement de l’eau en passant par le transport sous-marin off-shore ou les revêtements protecteurs.

Dans tous ces domaines, iI existe un besoin critique de relier les échanges et les interactions siégeant aux interfaces aux propriétés effectives du milieu ou à l’efficacité du procédé. La nature des échanges et des interactions à ces interfaces est par ailleurs extrêmement diverse : transfert d’espèces à travers l’interface, adsorption, coalescence, agrégation et leur complexité est d’autant plus grande qu’ils concernent généralement toute une collection d’objets de propriétés parfois différentes. 

Les études menées qu’elle soient expérimentales ou numériques mettent ainsi en jeu plusieurs niveaux depuis l’échelle nano ou microscopique jusqu’à celle d’une unité de laboratoire représentative d’un dispositif industriel

Pour comprendre et décrire la nature de ces échanges afin de faire le lien avec un dispositif industriel, il faut faire appel à la chimie, à la physique, à la mécanique et développer des instrumentations ou des modélisations mathématiques spécifiques.

Proposé et encadré par Kevin Roger, Chargé de Recherches CNRS, HDR

https://www.researchgate.net/profile/Kevin-Roger

Thématique : 

Les aérosols sont des dispersions de petites gouttes/particules dans l’air ambiant. La petite taille des objets peut leur permettre de rester en suspension sur des durées assez longues (heures, jours, semaines), ce qui va être déterminant dans de nombreuses problématiques environnementales et de santé publique. Essentiels pour des phénomènes naturels comme le cycle de l’eau ou la régulation du climat, les aérosols sont aussi responsables de nombreux problèmes, comme la pollution de l’air ou la transmission de maladies.

Ainsi, les aérosols biologiques constitués de fluides physiologiques contenant des pathogènes (virus, bactéries) jouent un rôle majeur dans la transmission d’infections. D’autres aérosols comme ceux issus des brouillards d’huile de coupe dans l’industrie sont directement responsables de pathologies professionnelles. Enfin, dans le domaine du nucléaire, des aérosols liquides peuvent se former accidentellement lors des opérations de retraitement du combustible et devenir des vecteurs de contamination. 

Comprendre et modéliser l’évaporation des fluides complexes composant ces aérosols, ainsi que la taille et structure finale des particules résultantes est ainsi un verrou générique et crucial pour un grand nombre de problématiques de santé publique et professionnelle. La proposition de stage est ainsi une première étape préparatoire à un projet ambitieux associant l’institut national de recherche et de sécurité (INRS), le laboratoire de Génie Chimique de Toulouse (LGC) et l’institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN). 

Objectif du stage :

L’objectif du stage est de caractériser le séchage de plusieurs fluides complexes représentatifs comme des solutions aqueuses de tensioactifs et des nanoémulsions. Lorsque l’eau s’évapore de tels systèmes, des gradients de concentrations des solutés non-volatils se forment qui vont conditionner la dynamique de séchage et la structure finale de la particule séchée. Pour étudier finement le couplage entre les phénomènes de transport de matière (diffusion multi-composants) et d’interactions intermoléculaire (thermodynamique des mélanges), nous proposons d’utiliser dans le stage un dispositif microfluidique simple constitué d’un canal en verre instrumenté, qui fait l’objet de développement au LGC depuis 10 ans. Cette géométrie permet de contrôler parfaitement les conditions aux bords et aussi de caractériser les gradients de composition par spectroscopie Raman associée à un microscope confocale. Il est alors possible d’extraire les coefficients de diffusion d’un système complexe, qui pourront ensuite être utilisés dans des modélisations d’aérosols et confrontés à des expériences en spray. Par ailleurs, la thermodynamique du système peut également être caractérisée par détermination d’isothermes de sorption et mesures de pressions de vapeur saturantes, ainsi que l’établissement de diagrammes de phase. 

Ce stage offre ainsi l’opportunité de travailler sur des méthodes de pointe dans un environnement collaboratif de recherche académique de haut niveau, à fort impact sociétale (santé, sécurité, sureté). Il se déroulera au sein du laboratoire de génie chimique de Toulouse (LGC – UMR 5503), dans l’équipe colloïdes & fluides complexes, un environnement multidisciplinaire. 

Intérêt du stage : Réalisation d’expérimentations microfluidiques/spectroscopiques permettant de déterminer coefficients de diffusion et grandeurs thermodynamiques d’un fluide complexe pour pouvoir les utiliser dans des modèles d’évaporation d’aérosols.

Profil : Étudiant.e de niveau Master 2 (issu d’une formation d’ingénieur ou universitaire). Des connaissances/compétences/appétences en phénomènes de transport de matière/physico-chimie seront appréciés ainsi qu’une motivation à poursuivre en thèse