Optimisation énergétique du recyclage de solvants organiques par pervaporation

Bien souvent, les solvants usagés générés par l’industrie chimique sont incinérés alors qu'il existe des procédés qui permettent de les recycler (distillation, extraction, pervaporation, ...). Recycler ces solvants permet de réduire l'impact environnemental aussi bien du point de vue de l'économie de ressources que des rejets polluants. Les procédés classiques sont parfois inopérants car les mélanges présentent des azéotropes ou des propriétés ne permettant pas leur séparation par distillation. L'extraction implique l'ajout d'un tiers corps pour réaliser la séparation puis nécessite d'autres procédés de séparation pour finalement éliminer le tiers corps. La pervaporation est un procédé de séparation alternatif à ces techniques apte à optimiser la dépollution. Dans le contexte actuel de réduction des impacts environnementaux, appliquer le procédé de pervaporation apparait une réponse pertinente au besoin de réduction des rejets de nombre d’industries polluantes.

La pervaporation est un procédé de séparation membranaire réputé économe en énergie. Elle permet de réaliser des séparations complexes en fonction du choix de la membrane. Par exemple il est possible, à l’échelle industrielle, de déshydrater du bioéthanol, d'extraire des traces de solvants d'un effluent aqueux, ou d'effectuer des séparations organique - organique. Les mécanismes de transfert mis en jeu et les densités de flux de matières sont très éloignés de ceux rencontrés dans les membranes poreuses utilisées en micro et ultrafiltration. L’échelle sub-nanométrique où les phénomènes opèrent ne laisse aucune de place aux techniques d’observation conventionnelles. Néanmoins, des modèles existent, leur validation repose sur des mesures globales réalisées à l’échelle du procédé en régime permanent.

Le principe de séparation communément admis repose sur une différence d’affinité chimique du matériau des membranes envers les divers constituants du mélange liquide à séparer. La matière est transférée selon trois mécanismes successifs. Dans un premier temps, il s’effectue une absorption sélective fortement conditionnée par les affinités respectives que le matériau membranaire manifeste envers les différentes entités présentes dans la charge à traiter. Dans un second temps, une diffusion sélective de la matière s’effectue au travers du matériau de la membrane due à l’inégale mobilité des espèces dans le matériau constituant la membrane. Ce deuxième processus constitue le facteur limitant majeur du transfert de matière sous l’influence du gradient d’activité local qui existe pour chaque entité et en chaque point de la membrane. Enfin, la dernière étape du transfert consisterait en une désorption à l’état de vapeur de la matière ayant diffusé, sur la face aval de la membrane maintenue sous pression partielle réduite. Chacune de ces trois étapes contribue à la sélectivité et à la perméabilité qui sont les caractéristiques qui quantifient les performances du procédé.

Les récents résultats obtenus au laboratoire ont mis en évidence du point de vue expérimental et modélisation que les quantités de chaleurs mises en jeu pour réaliser le transfert étaient bien inférieures à celles attendues si l’on considère le modèle de transfert de matière précédemment exposé. Ces résultats soulèvent des questions fondamentales relatives à la transition de phase liquide/vapeur dans une membrane polymère dense. De nombreuses perspectives en découlent tant sur la compréhension des phénomènes que sur les optimisations industrielles. Cette optimisation passera par la sélection de membranes efficientes, par le choix de points de fonctionnement (pression amont, aval, mode de chauffage, recirculation) mais aussi la modélisation des transferts couplés masse/chaleur. L’objectif visé est d'avoir simultanément une production et une sélectivité convenable en utilisant le moins possible d'énergie. Cette approche génie des procédés s’inscrit dans les thématiques du laboratoire relatives aux enjeux de développement durable

L'unité mixte de recherche est rattachée à l’Université Aix-Marseille, à CNRS Ingénierie et à Centrale Méditerranée. Le laboratoire est aussi membre de la Fédération Fabri de Peiresc, et de l'Institut de Mécanique et Ingénierie (IMI). Le laboratoire possède une position originale avec une recherche couvrant les domaines de la Mécanique des Fluides Numérique et du Génie des Procédés. Cette activité est menée au sein de six équipes localisées sur le Technopôle de Château-Gombert à Marseille et l’Europôle de l’Arbois à Aix en Provence. 

3 axes transverses complètent cette structuration matricielle pour explorer de nouvelles pistes de recherche, sur des projets innovants et actuels, en profitant des compétences inter-équipes.

Le candidat recherché devra avoir suivi une formation en génie des procédés (master ou ingénieur) ou une formation en génie thermique ou en physique des transferts. Il devra avoir une bonne connaissance des phénomènes de transfert et si possible des transferts couplés matière et chaleur.  Une connaissance des procédés membranaires sera un plus. Le candidat devra montrer des qualités d’expérimentateur : précision, soin dans les manipulations, rigueur…

Des compétences relationnelles, ainsi que des qualités d’expression et de présentation des résultats sont attendues. Très bonne maitrise de l’anglais (oral et écrit).