Thème
Microfluidique et Microréacteurs

Responsables du thème

  • Karine Loubière – karine.loubiere@cnrs.fr

  • Marcos Rojas-Cardenas – marcos.rojas@insa-toulouse.fr

La microfluidique et les microsystèmes fluidiques connaissent un essor remarquable et relèvent de secteurs applicatifs très nombreux tels que la chimie, l’aéronautique, la biologie médicale ou l’environnement, avec de forts enjeux en termes de recherche et d’innovation technologique. Selon le contexte, les problématiques scientifiques peuvent être très différentes et mettre en jeu des phénomènes nouveaux liés au confinement poussé, tels que les effets de raréfaction dans les gaz et les effets électrocinétiques dans les liquides. D’autre part, l’augmentation des rapports surface/volume s’accompagnent d’une intensification forte des transferts aussi bien en écoulements monophasiques que diphasiques, modifie le poids relatif des forces linéiques et surfaciques par rapport aux forces volumiques, et donne un rôle prépondérant à tous les phénomènes interfaciaux.

Dans ce contexte, le thème Microfluidique et Microréacteurs de FERMaT s’intéresse aux mécanismes hydrodynamiques et de transferts thermiques ou de masse intervenant à des échelles micrométriques, dans des écoulements liquides, gazeux ou polyphasiques, éventuellement avec changements de phase ou réactions chimiques, au sein de micro-canaux ou de microsystèmes plus complexes. Les applications faisant l’objet de ces travaux sont variées et concernent aussi bien les micro-échangeurs thermiques que les microréacteurs ou les micro-séparateurs. La complexité des situations rencontrées positionne les recherches qui sont menées dans ce thème au carrefour de plusieurs disciplines (mécanique des fluides expérimentale et numérique, thermodynamique, microbiologie, chimie, micro-fabrication). En conséquence, les projets FERMaT faisant appel à la microfluidique s’étendent bien au-delà de ce seul thème.

Les projets en cours

  • Transfert de matière gaz-liquide autour de bulles en écoulement dans les canaux micro-millimétriques.
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Laboratoires concernés :

  • Laboratoire de Génie Chimique (LGC)
  • Toulouse Biotechnology Institute (TBI)

Contacts :   

Résumé

Ce projet s’inscrit dans un contexte d’intensification des procédés dont l’objectif global est de traiter/produire de manière plus propre, plus sûre tout en consommant moins d’énergie. Il vise à mieux comprendre et à caractériser les phénomènes de transfert de matière gaz-liquide ayant lieu lors de la mise en contact d’une phase liquide et d’une phase gazeuse dans des canaux micro/millimétriques, et en particulier en écoulement à bulles de Taylor. Les applications visées concernent le domaine de l’environnement (traitement d’effluents) et la synthèse de molécules d’intérêt pour la chimie fine et l’industrie pharmaceutique (réactions de oxydation, d’hydrogénation catalytique, de photooxygénations)

Les objectifs sont doubles :

  • Développer des méthodes expérimentales et numériques adaptées à ces échelles-là, donnant accès à des informations locales (i.e. champ de concentration en gaz dissous) et globales (coefficients de transfert de matière)
  • Etudier l’influence sur les mécanismes de transfert gaz-liquide de la géométrie des micro/millicanaux (topographie, diamètre, état de surface, etc) ainsi que des propriétés physico-chimiques de la phase liquide (dont la présence de tensioactifs)

Ce projet a pour finalité le développement de lois d’échelle capables de prédire le transfert de matière gaz-liquide en milieux confinés.

Champs (en fausse couleur) de concentration d’oxygène dissous entre 2 bulles d’un écoulement de Taylor, obtenus par PLIF-I (post-doctorat de Colin Butler, LGC, 2018)

 

Liste des publications récentes

Dietrich N., Wongwailikhit K., Mei M., Felis F., Kherbeche A., Hébrard G., Loubière K. (2019), Using the “red bottle” experiment for the visualization and the fast characterisation of gas-liquid mass transfer. Journal of Chemical Education 96 979−984. DOI: 10.1021/acs.jchemed.8b00898

Mei M., Felis F., Dietrich N., Hébrard G., Loubière K. (2020), Hydrodynamics of gas-liquid slug flows in a long in-plane spiral-shaped milli-reactor, Theoretical Foundations of Chemical Engineering (TFCE) 54 1 25-47. DOI: 10.1134/S0040579520010169

Mei M., Hébrard G., Dietrich N., Loubière K. (2020),Gas-liquid mass transfer around Taylor bubbles flowing in a long in-plane spiral-shaped milli-reactor, in Chemical Engineering Science 222 115717. DOI: 10.1016/j.ces.2020.115717

Butler C., Cid E., Billet A.M., Lalanne B. (2021), Numerical simulation of mass transfer dynamics in Taylor flows, Int. J. of Heat and Mass Transfer, Volume 179, 121670  DOI : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121670

Mei M., Le Men C., Loubière K., Hébrard G., Dietrich N. (2022). Taylor bubble formation and flowing in a straight millimetric channel with a cross-junction inlet geometry. Part I: Bubble dynamics. Chemical Engineering Science, DOI: 10.1016/j.ces.2022.117609

Mei M., Le Men C., Loubière K., Hébrard G., Dietrich N. (2022). Taylor bubble formation and flowing in a straight millimetric channel with a cross-junction inlet geometry. Part II: Gas-liquid mass tranfer. Chemical Engineering Science, DOI: 10.1016/j.ces.2022.117752

  • Fabrication de systèmes microfluidiques pour les flux de gaz par lithographie sans masque à faible coût
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  • Transferts thermiques localement renforcés à l’aide de micro-oscillateurs fluidiques
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  • Micro-thermométrie dans les fluides par marquage moléculaire
  • Micro-écoulements gazeux : analyse expérimentale par marquage moléculaire
  • Suspensions de particules inertes et biologiques en écoulement dans des microcanaux. Application à la microséparation
  • Microfluidique Supercritique : hydrodynamique et transfert de matière de systèmes diphasiques liquide/CO² supercritique en micro-écoulement