Etude du transfert de matière gaz/liquide en milieux complexes : quantification du transfert d'oxygène par techniques optiques

par Mélanie Jimenez

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Gilles Hebrard et de Nicolas Dietrich.

Le président du jury était Dominique Legendre.

Le jury était composé de Gilles Hebrard, Nicolas Dietrich, Anne-marie Billet, Olivier Bremond, Sylvie Gillot.

Les rapporteurs étaient John Grace, Jack Legrand.


  • Résumé

    Les performances des bassins de stations d'épuration sont directement liées au transfert d'oxygène de bulles d'air généralement insufflées par des aérateurs vers des micro-organismes capables de détériorer certains polluants des eaux usées. Une prédiction précise du transfert de matière de l'oxygène dans ces bassins reste toutefois encore délicate. L'objectif de cette thèse est de développer des outils d'analyse aux interfaces afin de mieux appréhender localement les différents mécanismes régissant le transfert de matière gaz/liquide. Cette simplification se base sur l'étude du transfert d'oxygène : (i) pour une bulle millimétrique isolée, (ii) dans un liquide au repos, (iii) sans particules solides (système diphasique). À l'aide de techniques de visualisation, il est possible d'évaluer l'influence de la composition de la phase liquide sur le coefficient de transfert côté́ liquide par PLIF (Fluorescence Induite par un Plan Laser) et sur le comportement hydrodynamique de la bulle (diamètre, vitesse, forme) par caméra rapide. L'influence du diamètre de la bulle sur le transfert de matière visualisé est également évaluée. Le coefficient de transfert côté liquide n'étant pas le seul paramètre représentatif du transfert de matière, des techniques expérimentales spécifiques sont développées afin d'estimer avec précision le coefficient de diffusion de l'oxygène dans la phase liquide d'intérêt ainsi que sa concentration à saturation au travers d'une interface gaz/liquide plane en cellule de Hele-Shaw. Via ces différentes techniques expérimentales développées durant la thèse, une cartographie précise de l'influence de la phase liquide sur le transfert d'oxygène est établie en évaluant dans un premier temps l'influence de certains composants isolés (sel, glucose, alcool, tensio-actifs, médicaments, etc.). Ainsi, il sera observé que certains composants, comme les tensio-actifs, peuvent fortement diminuer le transfert de matière. Les corrélations généralement utilisées afin de caractériser ce transfert de matière ne parvenant pas toujours à représenter de telles diminutions, ces résultats seront par la suite comparés à ceux obtenus dans des eaux de stations d'épuration afin d'approfondir la compréhension des différents mécanismes limitant ce transfert d'oxygène

  • Titre traduit

    Study of gas/liquid mass transfer in complex media : quantification of oxygen mass transfer by optical techniques


  • Résumé

    The performance of tanks in sewage treatment plants is highly related to the oxygen transfer from air bubbles, usually injected through di��users, to microorganisms able to degrade pollutants contained in wastewaters. However, characterizing accurately the oxygen mass transfer in such processes is still a challenging issue mainly because of the liquid phase complexity. The aim of this PhD manuscript is to develop specific techniques to better understand the various mechanisms that locally govern the gas/liquid mass transfer process. This study focuses on the oxygen mass transfer, (i) from a single bubble, (ii) rising in a stagnant liquid, (iii) free from solid particles (biphasic system). Efficient visualization techniques allow the impact of the liquid phase composition on the liquid- side mass transfer coefficient (using PLIF (Planar Laser-Induced Fluorescence)) and on the bubble hydrodynamic behavior (bubble diameter, shape, velocity) using high-speed cameras to be evaluated. Moreover, the impact of the bubble diameter on the mass transfer visualized is considered. Since the liquid-side mass transfer coefficient is often not sufficient to fully characterize mass transfer, specific experimental techniques, based on planar gas/liquid interfaces in Hele-Shaw cells, are proposed to estimate the diffusion coefficient of oxygen and the oxygen saturation concentration in several liquids of interest. Using the visualization techniques developed during this PhD thesis, the impact of the liquid phase on the oxygen mass transfer is evaluated by introducing different compounds in the liquid phase (salts, glucose, alcohol, surfactants, drugs, etc.). It is interesting to note that some compounds, such as surfactants, can drastically bother the oxygen mass transfer. Since the correlations classically used to characterize mass transfer cannot explain such performance degradation, the results obtained (with liquids whose composition is known) are finally compared to those obtained with wastewater from sewage treatment plants to better understand the factors that can alter the oxygen mass transfer


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2013 par INSA à Toulouse

Etude du transfert de matière gaz/liquide en milieux complexes : quantification du transfert d'oxygène par techniques optiques


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Informations

  • Sous le titre : Etude du transfert de matière gaz/liquide en milieux complexes : quantification du transfert d'oxygène par techniques optiques
  • Détails : 1 vol. (xxviii-182 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 171-182
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