Microtechnologie, fluide supercritique et liquide ionique

Micro technologie : vision générale

Différents types de dispositifs

La miniaturisation de procédés chimiques a des effets réels sur l’homme et l’environnement (Ehrfeld, Hessel et Loiwe, 2000). La miniaturisation peut présenter certains avantages comme l’utilisation optimale de matériaux et d’énergie, la réduction du coût, les conditions de sécurité et de gestion des déchets. (Ehrfeld, Hessel et Loiwe, 2000). Ces avantages permettent à l’ingénierie des micro-procédés de répondre aux exigences de la chimie verte et de l’intensification de procédés. Tout d’abord, la microtechnologie concerne la conduite chimique ou physique (opérations unitaires) à l’intérieur de petits volumes. Usuellement, les phénomènes se produisent au sein de canaux de diamètre inférieur à 1000 µm (micro-canal). Ces processus sont généralement effectués en continu avec la possibilité de faire du génie des micro-procédés un outil d’analyse dans différents domaines (Chang et al., 2008). La technologie des micro-systèmes (MST) est considérée comme une stratégie générale de succès, non seulement pour les composants électroniques, mais aussi pour une  grande variété mécanique, optique, acoustique, thermique, fluidique, chimique ou biochimique des unités fonctionnelles (M. Abraham et al., 1998). Cependant, de nombreuses études mélangent les deux termes microtechnologie et micro-système. D’une part un micro-système peut être défini comme un système intelligent de détection miniaturisé comprenant, le traitement et/ou commande des fonctions intégrées à un module unique (micropuce) ou à un multichip (boîtier électronique spécialisé intégré à plusieurs circuits électroniques) (M. Abraham et al., 1998). D’autre part, la microtechnologie est un outil, avec lequel une structure géométrique particulière peut être produite. Les dimensions de cette structure se trouvent dans la région du micromètre (Menz, Mohr et Poul, 2001). D’une façon générale, par le biais de la microtechnologie, il est possible de fabriquer des micro composants et de les intégrer à des matrices. Ces matrices font partie intégrante des micro-systèmes, capable de faire le traitement du signal et du contrôle, et de fournir des interfaces avec l’extérieur du micro-dispositif (Menz, Mohr et Poul, 2001). La miniaturisation des composants électroniques s’est développée à partir des années 1960 avec le développement des circuits intégrés et du traitement de l’information. Cette technologie a permis la miniaturisation d’un grand nombre de systèmes, qu’ils soient mécaniques, fluidiques, électromécaniques ou thermiques. Depuis la fin des années 1970, l’essor de la technologie du silicium a permis le développement de dispositifs conçus à partir de la micro-électromécanique (MEMS). Les systèmes micro-électromécaniques, les micro-systèmes d’analyses chimiques (µTAS), également appelés « lab-on-a-chip » et la microtechnologie à base de systèmes énergétiques et chimiques (MECS) sont des exemples de micro-systèmes. Spearing, 2000 a défini les MEMS comme des dispositifs dans lesquels les composants mécaniques et électriques sont intégrés dans une seule puce de silicium (ou une structure équivalente). Ces systèmes possèdent une capacité à contrôler le transport des fluides dans les micro-canaux grâce à des micro-pompes (Chow, 2002). Les µTAS représentent une extension naturelle des dispositifs de la technologie de micro-fabrication en biologie et en chimie, avec des applications en chimie combinatoire, criblage à haut débit, et mesures analytiques (Charpentier, 2005). Ces dispositifs permettent le pré-traitement d’échantillons, ainsi que la séparation et la détection pour l’analyse chimique (Chow, 2002).

Enfin, les dispositifs des systèmes MECS ont la capacité de traiter de grandes quantités de fluide visant à décentraliser et à fabriquer des systèmes portables comme les pompes à chaleur et les usines chimiques. Ces systèmes permettent une amélioration des transferts de chaleur et de masse en raison de la valeur élevée du rapport surface-volume des micro-canaux. La figure 1.1 (adaptée de Chang et al., 2008.) montre différentes applications des micro-systèmes. Selon le terme micro système, les micro-réacteurs sont définis en général comme des systèmes de réaction utilisant, au moins en partie, les méthodes de la microtechnologie (Ehrfeld, Hessel et Loiwe, 2000). Ces dispositifs permettent de réaliser des réactions chimiques à l’échelle du micromètre. Ils se composent d’un certain nombre d’interconnexions de micro-canaux dans lesquels de petites quantités de réactifs sont manipulées et mélangées pendant une période de temps spécifique (Chang et al., 2008, Zhang et al., 2006). Ces systèmes miniaturisés à réaction chimique ont des dimensions transversales entre 10-500 µm et sont normalement fabriqués avec différentes variétés de substrats tels que le verre, les polymères, les céramiques et les métaux (Zhang et al., 2006). La miniaturisation des réacteurs chimiques offre de nombreux avantages fondamentaux et pratiques pour la protection de l’environnement car ces micro-dispositifs permettent une utilisation optimale du matériel et de l’énergie. De plus, le processus dans des micro-dispositifs est beaucoup plus efficace car, par exemple, les étapes de nettoyage sont simplifiées (Nguyen et Wereley, 2006). En effet, il est aisé de changer les conditions opératoires (T, P, concentrations…) sans étapes de nettoyage des canaux. Les micro-réacteurs présentent des opérations uniques par rapport aux réacteurs discontinus conventionnels. Par exemple, ils ont un ratio surface/volume élevé ce qui renforce le transfert de chaleur et de matière. Ces dispositifs permettent un contrôle spatial et temporel des réactifs et des produits, mais également la génération de gradients de concentration et la possibilité d’intégrer des systèmes de mesure automatisés (Zhang et al., 2006). Il est essentiel de connaître l’effet d’échelle dans les micro dispositifs afin de comprendre les phénomènes induits par la réduction de la taille. Le tableau 1.1 montre certains de ces effets. Il faut noter que dans les micro-dispositifs, la tension de surface et les forces visqueuses sont relativement dominantes par rapport aux forces d’inerties (Mae et al., 2004). D’autres effets induits par la réduction de la taille seront illustrés par la suite.

Augmentation du rapport de l’aire sur volume 

La surface S et le volume V d’un système sont respectivement proportionnels au carré et au cube d’une longueur déterminée alors que le rapport S/V est inversement proportionnel à la longueur. Cette valeur est fortement élevée dans les micro systèmes en raison de la diminution de la couche de fluide. La surface spécifique dans les micro-canaux est d’environ 10 000 à 50 000 m2/m3 . Par contre dans les réacteurs classiques cette surface ne dépasse pas 1000 m2/m3 (Ehrfeld, Hessel et Loiwe, 2000). Par conséquent, les forces motrices pour le transfert de chaleur, le transfert de matière ou de flux diffusionnelle augmentent lors de l’utilisation des micro-dispositifs. Les zones d’interface pour les micro-systèmes diphasiques comme pour les systèmes gaz-liquide peuvent être à 9 000 m2/m3 . Cette valeur dépasse d’un ou de deux ordres de grandeur les valeurs dans les colonnes à bulles et dans les contacteurs classiques industriels gaz-liquide (Yue et al., 2007a).

Hydrodynamique 

Le terme microfluidique est en général utilisé dans les situations où l’échelle de petite taille cause des changements dans le comportement des fluides. Le principal avantage de la microfluidique résulte de ce changement d’échelle qui provoque des effets et une meilleure performance sur les transfert de matière et de chaleur (Nguyen et Wereley, 2006). Ces phénomènes sont liés à la miniaturisation de l’espace où le fluide doit être transporté. Par conséquent, la taille de l’instrumentation et le matériau dont le dispositif est fait ne sont pas important. L’écoulement de fluide dans des micro-canaux a un comportement différent de celui de l’écoulement dans des macro-canaux. Les dispositifs macroscopiques présentent un écoulement turbulent dans la plupart des cas, alors que dans les dispositifs microscopiques l’écoulement est laminaire. Le nombre adimensionnel caractérisant cette différence de comportement est le nombre de Reynolds. Il correspond au rapport entre les forces d’inertie et les forces visqueuses. Les forces visqueuses sont complètement négligeables pour les réacteurs macroscopiques. Par contre, ces forces ont le même ordre de grandeur que les forces inertielles pour les réacteurs microscopiques (Ehrfeld, Hessel et Loiwe, 2000). Il est important d’évaluer les différents phénomènes physiques pertinents dans la technologie standard et dans les micro-processus. Pour l’écoulement, il a été démontré que le micro-réacteur continu est un outil idéal pour permettre un balayage des paramètres. Ces opérations peuvent être exécutées en mode continu beaucoup plus rapidement qu’en mode batch (Pohar et Plazl, 2009). La figure 1.2 montre le transport de bulles de gaz à partir de deux types d’opérations: en réacteur batch et en micro-réacteur. Contrairement à la technologie standard, qui est généralement de type batch, l’emploi du micro-dispositif permet le traitement de l’écoulement de façon continue. Les forces qui agissent sur les fluides changent considérablement de la macro à la micro-échelle. Avec la réduction d’échelle, les forces gravitationnelles et les forces d’inerties sont de moins en moins importantes. En revanche, les forces visqueuses et les forces de tension de surface deviennent de plus en plus prédominantes (Nguyen et Wereley, 2006). Les effets de la réduction d’échelle sur l’écoulement dans des micro-canaux peuvent être vérifiés à partir de nombres adimensionnels. La tableau 1.3 page ci-contre donne les principaux nombres adimensionnels qui caractérisent l’écoulement en réacteur classique (cuve agitée) et en micro-dispositif. Les dimensions géométriques respectives de 1 m et de 100 µm ont été utilisées comme dimension caractéristique L. La vitesse d’écoulement a été prise égale à 1 m.s−1 pour la cuve agitée et 0,01 m.s−1 pour le micro-dispositif. Les forces gravitationnelles et les forces de tension de surface peuvent être comparées grâce au nombre de Bond (Bo). Dans les macro et micro-dispositifs, les forces gravitationnelles peuvent généralement être négligées par rapport aux forces de tension de surface (Ehrfeld, Hessel et Loiwe, 2000). Le nombre capillaire est utilisé afin d’estimer le rapport entre les forces visqueuses et les forces de tension de surface. Ce nombre adimensionnel est le plus utile pour décrire les phénomènes d’écoulement diphasiques en microfluidique (Shui, Eijkel et Berg, 2007). Le nombre de Froude (F r) correspond à l’effet des forces gravitationnelles en comparaison avec les forces inertielles. Finalement, le nombre de Weber (W e) est utilisé pour prédire la rupture d’une interface sous l’action des forces d’inertie. Plus précisément, le nombre de Weber est le rapport des forces d’inertie et des forces de tension de surface. Dans les deux cas, les forces de tension surface sont plus importantes pour l’écoulement.

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Table des matières

Introduction
1 État de l’art : microtechnologie, fluide supercritique et liquide ionique
1.1 Micro technologie : vision générale
1.1.1 Différents types de dispositifs
1.1.2 Augmentation du rapport de l’aire sur volume
1.1.3 Hydrodynamique
1.2 Intensification des transferts de matière
1.2.1 Intensification du transfert de chaleur
1.3 Systèmes diphasiques en microfluidique
1.3.1 Applications des micro-systèmes diphasiques
1.3.2 Formation d’écoulements diphasiques en micro-canal
1.3.3 Formation de bulles/gouttes – types de connections
1.4 Écoulement dispersé – (Taylor flow/slug flow)
1.4.1 Génération des dispersions (bulles/gouttes) en micro-canal
1.4.2 Épaisseur du film formé en écoulement intermittent dans un micro-canal
1.4.3 Caractéristiques de la vitesse de la phase dispersée
1.5 Les liquides ioniques
1.5.1 Présentation
1.5.2 Propriétés physico-chimiques
1.5.3 Domaines d’application
1.6 Fluides Supercritiques
1.6.1 Présentation
1.6.2 Propriétés physico-chimiques
1.6.3 Domaines d’application
1.7 Conclusion
2 Matériel et méthodes
2.1 Fabrication de systèmes microfluidiques sous pression
2.1.1 Systèmes microfluidiques sous pression en Silicium/Verre
2.1.2 Systèmes microfluidiques sous pression en Métal
2.1.3 Systèmes microfluidiques sous pression à base de capillaires
2.2 Fabrication du micro-dispositif coaxial
2.2.1 Matériels
2.2.2 Étapes de fabrication
2.2.3 Exemples de difficultés rencontrées pendant les étapes de fabrication et l’avantage de la méthodologie adoptée
2.3 Montage expérimental à haute pression
2.3.1 Alimentation du système microfluidique : Injection des fluides
2.3.2 Contrôle de la pression
2.3.3 Contrôle de la température
2.4 Système optique
2.5 Système de traitement des images
2.6 Conclusion
3 Étude du binaire CO2/[BMIm][PF6]
3.1 Propriétés du mélange binaire CO2 supercritique / 1-Butyl-3-Méthyl Hexafluorophosphate
3.2 Étude expérimentale du système diphasique
3.2.1 Produits
3.2.2 Alimentation du micro dispositif
3.2.3 Procédure expérimentale
3.2.4 Positionnement de la caméra
3.2.5 Conditions opératoires
3.2.6 Stabilité de l’écoulement diphasique
3.3 Reconstruction des données – particularités du système diphasique étudié
3.4 Caractéristiques de l’écoulement diphasique
3.4.1 Les nombres adimensionnels
3.4.2 Cartographie de l’écoulement
3.5 Génération de bulles dans le micro-dispositif coaxial
3.5.1 Influence des débits des phases sur la taille de bulle
3.5.2 Adimensionnalisation de la taille de bulle
3.6 Vitesse de bulles
3.7 Bilan de matière sur la phase continue
3.8 Conclusion
4 Transfert de Matière pour le système diphasique [BMIm][PF6] – CO2
4.1 Transfert de matière : Quelques généralités
4.2 Transfert de matière en micro-dispositifs
4.3 Transfert de matière entre du liquide ionique [BMIm][PF6] et du CO2 supercritique en micro-canal
4.3.1 Caractéristiques du système diphasique
4.4 Construction du modèle
4.4.1 Transfert de matière entre les interfaces des trois zones
4.5 Modèle : les équations et les inconnues
4.6 Le comportement du transfert de matière du système diphasique [BMIm][PF6] / CO2 supercritique
4.6.1 Évolution de la fraction massique au cours du capillaire
4.7 Conclusions
Conclusion générale

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