Projet ANR-15-CE08-0008 – TAMTAM : Transport et Adsorption dans les Matériaux Poreux Multiéchelles
Programme : Matériaux et procédés (DS0303) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur Benoit Coasne (Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (UMR5588))
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire public; Laboratoire public; Laboratoire public
Montant : 466958.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 48 mois
Résumé : Les matériaux poreux hiérarchisés, combinant plusieurs porosités, sont très utilisés dans l’industrie (adsorption, séparation, catalyse) pour contourner la diffusion lente dans les solides microporeux (< 2 nm) et augmenter l’accès à leur large surface. Les bénéfices de la combinaison de porosités par l’ajout de méso (2-50 nm) et macro (> 50 nm) pores à la microporosité ont été démontrés mais l’ingénierie de ces solides, qui sont hétérogènes en taille, forme et connectivité, repose toujours sur des stratégies « essais-erreurs ». Les approches de design existantes, même lorsqu’elles reposent sur un socle physique, sont limitées à des paramètres empiriques qui ne peuvent être dérivés à partir des coefficients moléculaires d’adsorption/transport. En particulier, les approches disponibles ne permettent pas de développer un modèle bottom up de l’adsorption/transport dans des matériaux multiéchelles puisqu’elles (1) ne décrivent que de manière empirique le couplage adsorption/transport, (2) ne prennent pas en compte l’invalidité de l’hydrodynamique à l’échelle du nm et (3) ne sont pas multiéchelles par nature.
Ce projet vise à développer un modèle bottom up de l’adsorption et du transport dans des matériaux poreux multiéchelles en couplant expérience, simulation moléculaire et théorie. Cette stratégie multiéchelles fournira un cadre compréhensif de l’adsorption/transport dans des milieux poreux pour permettre le design d’échantillons optimaux pour une application donnée reposant sur des paramètres accessibles à partir d’expériences simples. Ces échantillons seront synthétisés et testés pour valider définitivement notre nouveau formalisme. Grâce à l’emploi de la Mécanique Statistique et d’expériences d’adsorption, de RMN et de chromatographie pour des solides hiérarchisés ayant des propriétés contrôlées (synthétisés « à façon »), ce modèle permettra le design d’adsorbants optimaux pour l’intensification des procédés. Les approches moléculaires, au cœur de ce projet, permettront de dépasser les barrières qui ont empêché l’émergence d’un formalisme multiéchelle : invalidité de l’hydrodynamique à l’échelle ~nm, couplage adsorption/transport et problème du passage d’échelles. Les forces de ce projet sont : (1) Utilisation de solides avec des porosités, morphologies, etc. contrôlées obtenus par synthèse pseudomorphique. Ceci permettra d’étudier l’adsorption/transport à chaque étape de la synthèse (macro, macro + méso, macro + micro, macro + méso + micro). (2) Etude expérience/théorie de l’adsorption/transport dans des solides hiérarchisés (RMN à gradient de champ pulsé, chromatographie, simulation moléculaire, etc.). (3) Passage d’échelle rigoureux via la Mécanique Statistique pour connecter les paramètres moléculaires à ceux de l’ingénierie sans perdre l’information de la plus petite échelle. L’emploi de données prennant explicitement en compte les différents régimes d’adsorption/transport lorsque l’on varie la pression, la taille des pores, etc., permettra de ne pas reposer sur l’hydrodynamique et ainsi de ne pas supposer un type d’adsorption/flux donné. 
Ce projet multidisciplinaire combine les compétences expérimentales/théoriques qui mèneront à un changement de paradigme pour relever un important défi industriel : design rationnel de matériaux hiérarchisés pour la filtration et la séparation. Particulièrement pertinent pour le DEFI 3, ce projet stimulera l’émergence de procédés pour la séparation industrielle (propylène/propane, CO2/CH4), purification (déshydratation EtOH, purification H2) et capture (CO2 et MeOH, NH3 des effluents), etc. Les percées attendues sont : (1) Etendre les développements de la nanofluidique à l’adsorption/transport dans des milieux multiéchelles, (2) Développer un formalisme pour le design rationnel d’adsorbants sur la base de paramètres structuraux simples. (3) Utiliser la richesse inexploitée des phénomènes à l’échelle ~nm (glissement, transport non linéaire, etc.) pour améliorer l’efficacité des procédés.