Document annexe

Sujet de stage : Etude de la cinétique de dissolution de solides organiques/polymères en eau
supercritique
Durée du stage : 6 mois
Lieu : CEA Marcoule
Département d’études du Traitement et du Conditionnement des Déchets
Service des Procédés de Décontamination et d’Enrobage des déchets
Laboratoire des Procédés Supercritiques et de Décontamination
Informations pratiques :
- Stage rémunéré + aide au logement
- Service gratuit de bus pour trajets : domicile – CEA
Objet du stage :
Le procédé d’oxydation hydrothermale consiste en une réaction entre les composés organiques à
détruire et un oxydant (air) en milieu eau supercritique (c'est-à-dire au-delà du point critique de l’eau
P = 221 bar et T = 374°C). Du fait de la modification des interactions entre ses molécules avec la
température, l’eau supercritique possède des propriétés de solvatation proches de celles des
solvants organiques et présente la capacité de solubiliser des composés organiques insoluble dans
l’eau à l’état liquide. Elle constitue alors un solvant pour conduire des réactions chimiques mettant
en jeu des composés organiques en milieu monophasique, engendrant ainsi des cinétiques de
réactions très rapides.
Le LPSD étudie ce procédé afin de minéraliser des déchets polymériques (résines échangeuses d’ions
à squelette monomérique styrènedivinylbenzene) ou de reprendre des déchets historiques à base de
de résines incorporées dans des matrices gravats.
L’objectif de ce travail est dans une première étape d’effectuer une étude expérimentale de la
cinétique de dissolution de solides en milieu eau supercritique. Les solides considérés seront des
résines échangeuses d’ions. La décomposition des résines est un phénomène complexe à étudier car
la chimie est fortement couplée à des processus de transfert de matière et de chaleur. Par
conséquent, la progression de la réaction va différer en fonction de la taille et de la forme des solides
à étudier. Le candidat étudiera les conditions opératoires du procédé déjà existant pour contrôler
l’écoulement autour du solide à traiter et son impact sur la cinétique de dissolution et les
rendements de conversion en liquide. La détermination des rendements de conversion et des lois
cinétiques se basera sur les mesures du carbone organique total, de la concentration en une espèce
majoritaire identifiée dans la phase liquide et de la taille finale du solide. Le candidat pourra
également étudier l’ajout d’un oxydant en quantités sous-stœchiométriques, l’effet de modifieurs

(alcool de faible masse molaire, acide) ou de catalyseurs (oxydes de métaux). L’analyse des
intéractions entre l’eau, les résines et les espèces minérales présente dans la matrice gravats sera
également nécessaire pour comprendre les mécanismes de dissolution en milieu hydrothermal.
Dans une deuxième phase, le candidat paramètrera dans un modèle simple préalablement mis en
place dans le logiciel CFD ANSYS, les lois cinétiques déterminées expérimentalement. Cette étude
permettra d’observer l’influence de l’hydrodynamique et le couplage entre la cinétique chimique, les
transferts de matière et de chaleur et la turbulence.
Pour réaliser cette étude, le LPSD dispose de nombreux équipements sous haute pression (réacteurs
en batch, continu), ainsi que de moyens analytiques permettant de caractériser le solide et l’effluent
liquide après traitement hydrothermal : mesure du carbone organique total, chromatographie,
analyse IR, UV…
Profil du candidat :
Etudiant en génie chimique/génie des procédés avec des connaissances dans le domaine de la chimie
analytique de niveau master 2 ou 3ème année d’école d’ingénieurs. Une expérience avec les fluides
supercritiques ainsi que des compétences en mécanique des fluides, turbulence seraient un plus.
Intérêt prononcé pour les expérimentations. La connaissance du logiciel ANSYS Fluent est un plus
mais le stagiaire pourra se former à son utilisation durant le stage.
Pour informations complémentaire et candidature :
Antoine LEYBROS –DTCD/SPDE/Laboratoire des Procédés Supercritiques et de Décontamination
Email : [e-mail]
Tel : [phone]