Capture du CO2 par des mousses aqueuses chargées en microalgues / CO2 capture by microalgae-lad[...]

European Commission; France; Sur place; EUR 25 000 - 30 000; Plein temps

Résumé du poste

A leading research institution is seeking a motivated student for a thesis project focused on using aqueous foams loaded with microalgae to separate CO2 from atmospheric gases. The project combines fluid mechanics, hydrodynamics, and soft matter experiments, aiming to convert CO2 into biomass. Candidates should possess a strong background in physics or physical chemistry and excellent collaboration and presentation skills.

Qualifications

• Interest in fluid mechanics and hydrodynamics.
• Solid background in physics or physical chemistry.

Responsabilités

• Study potential of aqueous foams for CO2 separation.
• Quantify photosynthetic activity of microalgae.
• Optimize nutrient distribution in foam.

Connaissances

Fluid Mechanics

Hydrodynamics

Soft Matter Experiments

Presentation Skills

Collaboration

Formation

Physics

Physical Chemistry

Fluid Mechanics

Description du poste

Une mousse aqueuse est facilement obtenue en mélangeant quelques molécules de surfactant, un peu de liquide et beaucoup de gaz. Il s'agit de systèmes auto-organisés et multi-échelles dans lesquels le liquide est réparti entre des films, des bords de Plateau et des nœuds, qui se trouvent respectivement à l'intersection de deux, trois et quatre bulles. Les mousses sont caractérisées par une faible densité, des propriétés rhéologiques inhabituelles et une surface spécifique élevée, qui est notamment utilisée dans le processus de flottation par mousse permettant de séparer des matériaux hydrophobes et hydrophiles en suspension dans un liquide [Can, Stev]. La pertinence du développement d'un procédé similaire pour des mélanges de gaz, permettant de séparer deux gaz de nature chimique différente, l'un restant dans la bulle tandis que l'autre serait solubilisé dans la phase aqueuse liquide, n'a jamais été quantifiée avec succès, malgré quelques travaux prometteurs [Wat, Jan] et l'urgence des objectifs de réduction du CO2 dans l'atmosphère pour limiter le dérèglement climatique.

Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier le potentiel des mousses aqueuses chargées en microalgues pour séparer le CO2 des autres gaz de l'atmosphère et le convertir en biomasse au sein de la mousse. La géométrie d'étude sélectionnée permet de combiner i) la grande surface spécifique des mousses qui assure une séparation du CO2 des autres gaz, et ii) la capacité des microalgues à convertir le CO2 en biomasse via la photosynthèse. La géométrie d'étude permet un contre-écoulement des deux intrants nécessaires à la photosynthèse, le CO2 étant apporté par les bulles, tandis que les nutriments sont fournis via l'écoulement de la phase liquide.

Ce sujet soulève plusieurs questions. Tout d'abord, il faudra quantifier l'activité photosynthétique des microalgues dans les différents éléments de la mousse, notamment dans les films de savon dont l'épaisseur est du même ordre de grandeur que celle des algues. Ensuite, il faudra étudier comment les microalgues se distribuent dans les différents éléments de la mousse afin d'optimiser la répartition du liquide contenant les nutriments. Enfin, il faudra quantifier l'efficacité du procédé en termes de capture et conversion du CO2 en biomasse. Pour répondre à ces questions, nous proposons une étude multi-échelle autour d'un film unique et d'une assemblée de films, organisés en 2D ou en 3D (mousse aqueuse). Ces études seront réalisées expérimentalement en utilisant les fonctionnalités offertes par la microfluidique ainsi qu'à plus grande échelle grâce à une cellule dédiée récemment développée au LIPhy, permettant de mesurer et contrôler la concentration en CO2 d'une atmosphère gazeuse et son humidité. Les résultats seront analysés via des approches en lois d'échelle, développement de modèles ou simulation numérique (type COMSOL) en collaboration avec des théoriciens.

[Can] Cantat et al., Foams Structure and dynamics, Oxford University Press.

[Stev] Stevenson Foam Engineering: fundamentals and applications, Wiley & Sons (2012).

[Wat] Watsona et al. Carbon dioxide capture using Escherichia coli expressing carbonic anhydrase in a foam bioreactor Env. Tec. 37, 3186 (2016).

[Jan] Janoska et al. A liquid foam-bed photobioreactor for microalgae production Chem. Eng. J. 313, 1206 (2017).
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Aqueous foams are easily obtained by mixing a few surfactant molecules, a little liquid and a lot of gas. These are self-organizing, multi-scale systems in which the liquid is distributed between films, Plateau edges and nodes, which lie respectively at the intersection of two, three and four bubbles. Foams are characterized by low density, unusual rheological properties and high specific surface area, which is notably used in the foam flotation process for separating hydrophobic and hydrophilic materials suspended in a liquid [Can, Stev]. The relevance of developing a similar process for gas mixtures, which would enable two gases of different chemical nature to be separated, one remaining in the bubble while the other is solubilized in the liquid aqueous phase, has never been successfully quantified, despite some promising work [Wat, Jan] and the urgency of atmospheric CO2 reduction targets to limit climate disruption.

In this context, the aim of this thesis is to study the potential of aqueous foams loaded with microalgae to separate CO2 from other atmospheric gases and convert it into biomass within the foam. The study geometry selected combines i) the high specific surface area of foams, which ensures separation of CO2 from other gases, and ii) the ability of microalgae to convert CO2 into biomass via photosynthesis. The study geometry allows counter-flow of the two inputs required for photosynthesis, with CO2 supplied by the bubbles, while the various nutrients are supplied via the flow of the liquid phase.

This subject raises several questions. Firstly, we need to quantify the photosynthetic activity of microalgae in the various foam elements, particularly in soap films whose thickness is of the same order of magnitude as that of the algae. Next, we need to study how the microalgae distribute themselves in the different foam elements, so as to optimize the distribution of the liquid containing the nutrients. Finally, we need to quantify the efficiency of the process in terms of capturing and converting CO2 into biomass. To answer these questions, we propose a multi-scale study based on a single film and an assembly of films, organized in 2D or 3D (aqueous foam). These studies will be carried out experimentally using the functionalities offered by microfluidics, as well as on a larger scale using a dedicated cell recently developed at LIPhy for measuring and controlling the CO2 concentration of a gaseous atmosphere and its humidity. The results will be analyzed via scaling law approaches, model development or numerical simulation (COMSOL type) in collaboration with theoreticians.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/2025

Funding category:

Financement d'une fondation pour la recherche française

Nous recherchons un étudiant ayant de l'attrait pour les expériences en mécanique des fluides, hydrodynamiques et matière molle ainsi qu'une formation solide en physique ou physico-chimie ou mécanique des fluides. De bonnes capacités de présentation et d'interaction sont également attendues car le projet sera l'occasion de nombreuses collaborations, notamment avec des biologistes.We are looking for a student with an interest in fluid mechanics, hydrodynamics and soft matter experiments, as well as a solid background in physics or physical chemistry or fluid mechanics. Good presentation and interaction skills are also expected, as the project will involve numerous collaborations, particularly with biologists.