Soutenance de thèse de M. Zafar Sadain

ZAFAR Sadain, Laboratoire PhLAM - UMR8523 - Equipe PMI

Titre: Les hydrates de CO₂ comme solution alternative au dessalement de l'eau et à l'atténuation des gaz à effet de serre

Jury: B. CHAZALLON (PhLAM, encadrant), C. PIRIM (PhLAM, encadrant), S. PICAUD (Université de Franche-Comté, UTINAM, Rapporteur), L. FOURNAISON (UR INRAE Antony, FRISE, Rapporteure), C. FOCSA  (PhLAM, membre), L. KRIM (Sorbonne Université, MONARIS, membre), M. DUBOIS (Université de Lille, LGCgE)

Résumé:

La libération de quantités importantes de CO₂ dans l’atmosphère, notamment par le biais des émissions de gaz de combustion, n’est pas durable sur le plan environnemental et doit être réduite en raison de son impact profond sur le réchauffement climatique. En parallèle, la pénurie d’eau potable est un défi important qui pourrait s’aggraver dans les années à venir et nécessite une attention immédiate. La technologie de distillation à base d’hydrates (HBD) est l’une des approches potentielles qui offre une solution prometteuse pour lutter à la fois contre les émissions de CO₂ et la pénurie d’eau potable. Elle élimine efficacement les ions de sel et capture simultanément le CO₂. L’objectif de cette étude est d’améliorer la croissance des hydrates dans le but d’améliorer la récupération de l’eau et les paramètres de capture du CO₂.

Un dispositif capillaire unique à haute pression est couplé à un spectroscope micro-Raman pour étudier la formation d'hydrates dans des solutions de NaCl à 0,0, 3,5, 7,0, 10,5 et 15 % en poids à pression constante. La spectroscopie Raman s'est avérée être un outil sensible pour analyser la formation d'hydrates dans des solutions salines en sondant la bande d'élongation OH et les modes de vibration du CO₂ en fonction des paramètres thermodynamiques et cinétiques. Tout d'abord, des hydrates ont été synthétisés en utilisant deux protocoles expérimentaux différents. Le premier protocole étudie l'influence des solutions saturées en CO₂ et non saturées en CO₂ sur la formation d'hydrates dans une solution de NaCl à 3,5 % en poids. La solution de NaCl à 3,5 % en poids est utilisée pour reproduire la concentration de l'eau de mer. Pour la première fois, nous avons mis en évidence que la distribution spatiale des hydrates secondaires dans le réacteur dépendait de celle du CO₂ dans la solution saline initiale de NaCl. Le deuxième protocole est établi pour assurer l'équilibre et des conditions saturées en CO₂ pendant la formation d'hydrates dans les solutions salines. A 263K, des hydrates secondaires ont été observés à l'interface et dans les parties centrales du capillaire pour les échantillons de NaCl à 0,0 et 3,5 % en poids. Cependant, pour les échantillons de NaCl à 7,0, 10,5 et 15 % en poids, nous n'avons observé que des hydrates proches de l'interface. Nos résultats soulignent que les dissociations partielles et complètes de l'hydrate primaire ont un impact significatif sur la formation de l'hydrate secondaire, ainsi que l'effet de l'inhibition du sel.

Deuxièmement, différents protocoles de microscopie optique sont utilisés pour déterminer la solubilité du CO₂, le taux de croissance des cristaux d'hydrates et la capture du CO₂. Nos résultats suggèrent que la solubilité du CO₂ est la plus élevée dans l'eau pure et qu'elle diminue à mesure que la concentration en sel augmente. En outre, le taux de croissance des cristaux d'hydrate de CO₂ diminue à un sous-refroidissement élevé. Ce comportement inattendu est observé lorsque nous appliquons un régime de limitation du transfert de masse sans flux de diffusion de la phase gazeuse vers le cristal, c'est-à-dire dans une situation qui est souvent rencontrée dans les lignes d'extraction en raison de la formation de bouchons d'hydrates. De plus, notre nouveau protocole permet d’évaluer quantitativement la quantité totale de CO₂ capturé. Une plus grande quantité de CO₂ est capturée dans l'eau pure que dans les solutions salines. En outre, la quantité capturée dans les hydrates secondaires dépend fortement de la distribution des hydrates primaires et de la concentration des solutions salines.

Enfin, pour la première fois, la spectroscopie Raman in situ est appliquée pour évaluer les paramètres de récupération de l'eau. Il s'agit de déterminer les concentrations finales de sel (S_f) dans la phase liquide en présence d'hydrates, en utilisant des courbes d'étalonnage. La récupération de l'eau est déterminée à l'aide de la bande d'étirement OH, qui est sensible aux températures et aux concentrations de sel. Nous avons observé une récupération d'eau plus importante dans une solution de NaCl à 3,5 % en poids que dans d'autres solutions salines. La récupération d'eau dépend de la distribution/formation des hydrates primaires et secondaires, qui sont également des fonctions des températures partielles et de dissociation.