Développement du procédé de traitement de l’eau polluée par congélation

Development of wasterwater treatment process by freezing: Experimentation &Modélisation dynamique

Etudiant :HUANG XiaoQiang

Directeur ou Directrice :GALFRE Aurélie

Début :01/10/2021

Fin :30/09/2024

Financement :ANR WATERSAFE

Commentaire :

La congélation sur paroi froide (ILC) est un procédé innovant de concentration des eaux polluées. Ce permet permet de séparer les eaux usées en deux phases: une phase solide (glace) dont la pureté dépend du procédé et des conditions opératoires; une phase liquide concentrée en polluant. Ce procédé n’a pas été industriellement mis en place car les puretés de glace sont hétérogènes et le rendement est faible. La croissance dynamique de la glace a été simulée pour étudier l’impact des conditions opératoires sur les mécanismes morphologiques d’incorporation de polluants dans la glace afin d’améliorer l’efficacité du procédé. Cependant, la morphogenèse des interfaces, c’est à dire la morphogenèse du front de cristallisation et de la couche de glace (les poches de solution, des interstice de liquide,les joints de grain) n’est pas aisément gérée en compte dans la simulation. en effet, les interfaces sont des discontinuités dans ces modèles. Ainsi, pour résoudre les équations du système, la forme du front de cristallisation est simplifiée et la couche de glace simulée ne comprend pas les défauts observés. Le projet WATERSAFE a pour premier objectif de simuler la croissance dynamique de la glace en utilisant la méthode du champ de phase (PFM). Dans cette méthode, les variables sont des champs qui varient de manière continue au travers d’interfaces diffuses. La dynamique des interfaces est contrôlée par une minimisation de l’énergie libre définie par une fonctionnelle de Ginsburg-Landau. Cette méthode simule avec succès des morphogenèses complexes de solide, qui sont typiquement rencontrées, en prenant en compte naturellement la dynamique des interfaces et leurs formes. Le second objectif du projet WATERSAFE est de tester un nouveau pilote de cristallisation fonctionnant en mode continu avec un recycle sur la phase liquide et en mode discontinu sur la phase solide. Par une approche combinant essais expérimentaux en mode dynamique et simulation, une amélioration de l’efficacité du procédé, en terme de qualité de glace, de productivité et de rendement, est attendue.

Commentary :

Ice layer crystallisation (ILC) on a cooling wall is an innovative purification process of freezing proposed to concentrate wastewater. Many works demonstrated the process feasibility but because of pollutant incorporation in ice and low ice yield, its industrial up-scaling was not done. The deadlock status of ILC process could however possibly be circumvented through: i) performing a process intensification study in order to improve its global efficiency; ii) improving process issue that include batch to continuous approach (process efficiency and management).To fulfil this, the WATERSAFE project intends to: i) carry out a comprehensive analysis of local phenomena of the ice crystallization explaining how, why, where and when impurities incorporation takes place in the ice and the ice growth rate in the relation of process parameters by using an approach combining simulation of solidification process and experimental observations; ii) improve the ILC global efficiency by operating the crystallisation on continuous and recycle modes on the liquid phase and by optimising the process parameters.To carry out the first target, WATERSAFE project proposes to develop an innovative dynamic model based on the Phase Field Method (PFM) to simulate the 2D axisymmetric non-isothermal solidification of ice issue from a synthetic wastewater in the ICL process. The PFM is a strong innovative way in the chemical engineering science to model a dynamic system in transition to represent i) the liquid/solid front complex morphology by taking into account ice microstructure; (ii) the pollutant migration in ice; (iii) the solid layer morphogenesis; (iv) the liquid phase hydrodynamics. In literature, solidification process simulation was also proposed to link the morphologic crystallisation phenomena to the operating parameters in order to improve the overall process efficiency. But, the works partially failed because of the simplification of the morphogenesis of interfaces, which is not the case of the PFM method. Indeed, the PFM takes advantage of continuous fields defined in the global system to represent the interfaces and phases. The interfaces dynamic is controlled by the dissipative law of energy defined according the thermodynamic functional of Ginsburg-Landau. The model easily handles time dependent complex geometries, which are typically met in freezing process.In parallel, the WATERSAFE project proposes to design a new lab-scale ILC unit. The process will be enable to operate on continuous and recycling modes on the liquid phase and batch mode on the solid phase. It will be equipped with a high-resolution camera in order to capture the ice layer and front morphologies to perform the crystallisation analysis and complete data. The developed tools allow us combining experimental observations and solidification process simulation to complete the targets. The ILC process development is a major of interest for several industrials applications (pharmaceutical and chemical industries, food processing, electronics and energy industries, micro plastics particles water depollution).