Thèse Activité Sonochimique à l'Interface Solide-Liquide Mise en Oeuvre dans un Lit Fluidisé Ultrasonore Bi-Fréquence H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Laboratoire Rhéologie et Procédés
Direction de la thèse : Stéphane BAUP ORCID 0000000312333665
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-18T23:59:59

Qu'ils relèvent de la basse ou de la haute fréquence, les ultrasons de puissance sont connus pour leurs effets physiques et chimiques. De nombreuses applications existent, qu'elles relèvent de l'intensification de procédés physiques (nettoyage, dégazage, extraction solide-liquide, ...) ou de l'activation de réactions chimiques (catalyse) [1-2]. Pour autant, peu de travaux fondamentaux ont été menés afin d'apporter une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu, et de fournir des paramètres opératoires pertinents à la conduite de ces applications, notamment en milieu hétérogène.
Dans ce contexte, l'objectif de la thèse proposée est de développer un nouveau type de réacteur sonochimique, s'appuyant sur une irradiation ultrasonore à double fréquence mise en oeuvre dans un lit fluidisé. L'intérêt de la double fréquence est ici justifié par la juxtaposition d'effets chimiques et physiques qui conduisent à une synergie jusqu'ici rapportée essentiellement en milieu homogène. Par ailleurs, la fluidisation est une opération bien connue pour améliorer l'accessibilité au milieu divisé et favoriser les possibles transferts de chaleur et matière. Dans le domaine des procédés d'extraction solide/liquide par exemple, l'utilisation d'un réacteur de type lit fluidisé permet notamment une extraction plus rapide, plus homogène et plus efficace, avec moins de colmatage et garantit la possibilité d'un fonctionnement continu [3]. Ainsi, le dispositif envisagé dans le cadre de la thèse s'appuiera sur une double innovation : le développement de la fluidisation assistée par ultrasons et le couplage de fréquences ultrasonores distinctes.
A la suite d'une phase préliminaire bibliographique qui devrait entre autres confirmer le caractère innovant de ce type de réacteur, la première étape de ce travail consistera au dimensionnement du dispositif et à sa mise en place. La caractérisation énergétique et les performances sonochimiques du lit fluidisé assisté par ultrasons seront ensuite réalisées à partir d'une méthodologie développée au laboratoire. L'approche hydrodynamique classique viendra compléter cette caractérisation.
Cette étape devrait permettre de définir les conditions optimales d'utilisation du lit fluidisé ultrasonore qui seront à la suite mises en oeuvre et validées pour une/des application(s) en milieu hétérogène qui aura/ont été choisie(s) dans le cadre de la valorisation de biomasse et/ou de la récupération de molécules d'intérêt.

Lorsqu'elles se propagent dans un milieu liquide et sous certaines conditions, les ondes ultrasonores sont connues pour produire de la cavitation acoustique, phénomène central à l'origine des effets physiques et chimiques associés aux ultrasons et à l'origine de la sonochimie. La nature de ces effets induits fait qu'ils sont utilisés et étudiés comme méthode d'amélioration de la réactivité et des transferts de chaleur et de matière [4-6]. Si la sonochimie en milieu homogène est particulièrement bien documentée, ce n'est pas le cas de l'utilisation des ultrasons en milieu hétérogène. Paradoxalement, bon nombre d'applications, notamment à l'échelle industrielle, relève d'un tel contexte.
Les travaux scientifiques réalisés à Grenoble sur l'intérêt des ultrasons dans le traitement de la biomasse ont débuté avec une première étude fondamentale menée au Cermav afin de comprendre les interactions des ondes ultrasonores avec des microfibrilles de cellulose comme objet d'études. Ces expériences ont montré que la sonication engendrait plusieurs types d'endommagement et de modification des microfibrilles de cellulose, d'ordre morphologique et structural : création de défauts localisés, sous-fibrillation et transition de phase cristalline. Cette variabilité des effets était dépendante de la fréquence des ultrasons utilisés [7]. Suite à cette recherche, une collaboration CERMAV-LRP a permis d'élaborer un premier pilote de couplage des US en vue d'effectuer dans une seule installation la défibrillation de microfibrilles de cellulose et la fonctionnalisation de surface de ces mêmes microfibrilles, permettant ensuite de les utiliser comme renfort dans les nanocomposites. Une preuve de concept sur l'efficacité du couplage physique et chimique des ultrasons a ainsi été réalisée [8]. Néanmoins, la problématique de gestion de la viscosité du mélange fluide dans le réacteur utilisé en boucle fermé a rendu difficile son extrapolation à l'échelle industrielle. De plus, une baisse de l'efficacité des US en fonction de la viscosité mais aussi en fonction de la concentration et la taille des microfibrilles interroge sur la réactivité dans un milieu hétérogène. Cette dernière question a conduit à une première thèse dans le cadre d'une seconde collaboration entre Cermav et LRP portant sur la réactivité sonochimique à l'interface solide/liquide.
Ainsi, soutenu en 2020, le doctorat de Ayoub Barchouchi [9] a mis l'accent sur le rôle clé d'un paramètre totalement nouveau dans le pilotage des réacteurs à ultrasons : la surface développée par le solide divisé au sein d'un réacteur ultrasonore. Ses études ont été menées sur un réacteur monofréquence (variable entre 20 et 1000 kHz) avec des billes de verre de différents diamètres. En outre, il est ressorti de ce travail que l'activité ultrasonore, initialement constante, chute brutalement au-delà d'un certain seuil de surface développée au sein du réacteur [10], ce résultat ayant été validé à différentes concentrations et pour différents diamètres de billes.
Parallèlement, des travaux sur le site grenoblois sur l'intensification des transferts ont illustré l'intérêt d'une irradiation ultrasonore bi-fréquence qui se traduit par un effet de synergie conduisant à une réduction de la puissance mise en oeuvre et donc à une économie d'énergie. L'intensification des procédés par technique ultrasonore, si elle est largement abordée en conditions homogènes, reste peu développée en présence de solides divisés. Aussi, le développement d'un procédé de valorisation de biomasse intensifié par ultrasons nous offre la possibilité de poursuivre dans la voie dans laquelle nous sommes désormais engagés [11].Le développement de stratégies durables pour la réduction du gaspillage alimentaire et la valorisation des sous-produits agricoles suscite un intérêt de plus en plus marqué. Ces sous-produits sont souvent encore riches en composés bioactifs de grandes valeurs : polyphénols qui peuvent jouer le rôle d'antioxydant, pigments naturels, hémicelluloses ou polysaccarides résiduels, ... L'objectif sera alors d'utiliser le nouveau réacteur en lit fluidisé comme nouveau procédé d'extraction et de le comparer à la méthode plus traditionnelle de macération. La cavitation acoustique devrait permettre, entre autres, de favoriser la rupture de la paroi cellulaire. Différents matériaux sont envisagés : algues ou microalgues (collaboration CEA Tech Cadarache) ou des déchets agricoles (peaux de myrtilles, coques de noix, ...)
Le processus de cavitation ultrasonore suscite également un vif intérêt dans la recherche sur la conversion de la biomasse en tant que processus de prétraitement, en particulier pour la déconstruction et la délignification de la biomasse. Un travail récent [12] montre l'intérêt du couplage entre les ultrasons et le réactif Fenton sur la dépolymérisation de la lignine. Cette dépolymérisation permet de conduire à des produits chimiques à haute valeur ajoutée ou servant de plateforme chimique. Sans aller jusqu'à une dépolymérisation complète, une maîtrise de la diminution de la masse molaire de ce polymère permettrait de moduler ces propriétés en vue de son utilisation comme colle ou adhésif dans les panneaux isolants par exemple.

Concevoir et développer un réacteur à ultrasons innovant, basé sur la combinaison ultrasons et fluidisation
Mettre en oeuvre une irradiation bi-fréquence afin d'étudier la synergie attendue
Proposer une caractérisation fine des performances du réacteur en conditions hétérogènes modèles selon différentes configurations
Evaluer le procédé sur des applications d'intérêt en milieu solide/liquide, notamment dans le cadre de la valorisation de la biomasse.

La première étape de ce travail consistera à dimensionner, concevoir et construire le dispositif expérimental qui sera au coeur de cette recherche.
Viendra dans un second temps, la caractérisation du lit fluidisé avec des particules modèles : étude hydrodynamique, influence de la surface développée par détermination de l'intensité ultrasonore à partir d'outils spécifiques tels que différentes capteurs chimiques (iodométrie, oxydation du diméthylphénol, réactif de Fricke, ...), la sonoluminescence, la calorimétrie et la puissance de radiation selon la méthodologie développée par Ayoub Barchouchi dans son travail de thèse [8-9]
Par la suite, des particules de morphologie et porosité différentes seront mises en oeuvre, avec une attention particulière sur le suivi de la viscosité du milieu selon les applications visées, mais aussi sur le caractère fluidisable de ces particules. Une étude de la fluidisation de différentes particules issues de la biomasse sera à effectuer afin de définir l'application à développer sur le réacteur fluidisé bifréquence.