Cette thèse de doctorat porte sur l’intégration de membranes polymériques denses dans les procédés d’extraction au CO2 supercritique (CO2-sc), afin de réduire la demande énergétique liée au recyclage du CO2. Les cycles de détente recompression utilisés habituellement pour régénérer le CO2 constituent, en raison de leur forte consommation énergétique, un obstacle majeur au déploiement à grande échelle de l’extraction CO2-sc pour des huiles de commodité telles que l’huile de tournesol (HT) et l’huile de son de riz (HR). La séparation membranaire apparaît comme une alternative prometteuse, permettant de recycler le CO2 à haute pression tout en retenant les solutés, réduisant ainsi de façon significative les besoins en recompression. Le travail combine une revue de la littérature, une investigation expérimentale, une analyse thermodynamique et une évaluation technico-économique. La revue classe les études existantes en trois configurations opérationnelles, en soulignant les rôles du type de polymère, de la configuration du procédé et des interactions CO2 polymère, et identifie des lacunes concernant la stabilité et le changement d’échelle.Expérimentalement, des membranes commerciales vitreuses (AG) et de type caoutchouteux (Puramem® Flux) ont été étudiées avec du CO2 pur et des mélanges CO2 huile à l’échelle pilote, jusqu’à 280 bar. Les expériences avec du CO2 pur ont fourni des valeurs de perméance de référence de 2 6 kg.h-1.m-2.bar-1 pour AG et jusqu’à 118 kg.h-1.m-2.bar-1 pour Puramem® Flux, ainsi que des corrélations de la résistance avec la viscosité et la densité du CO2, confirmant le mécanisme de transfert par solution diffusion. Avec CO2 saturé en huile, le taux de rétention a diminué d’environ 96% à 160 bar à 66 % à 280 bar, en lien avec l’augmentation de la solubilité de l’huile dans le CO2. La pression transmembranaire s’est stabilisée en 2 3 h, confirmant un régime pseudo-stationnaire. Aucune polarisation de concentration classique n’a été observée, le nombre de Peclet étant resté inférieur à l’unité dans toutes les conditions testées ; au contraire, le transfert d’huile est gouverné par la solubilité thermodynamique et un colmatage réversible, la résistance augmentant proportionnellement à la charge en soluté. Des tests comparatifs avec l’HT et l’HR ont confirmé que la plus grande solubilité (jusqu’à 7,0 ghuile.kg-1CO2 pour l’HT et environ 11,5 ghuile.kg-1CO2 pour l’HR à 280 bar) intensifie la perméation d’huile et le colmatage.Avec ces résultats, une analyse technico-économique a été développée pour évaluer la viabilité du procédé. Un indice de performance membranaire (Ip) a été proposé, intégrant la perméance, la rétention, le coût et la durée de vie de la membrane en un critère unique. La modélisation analytique a montré que le coût opérationnel minimal (C*oper) est inversement proportionnel à la racine carrée de Ip. Pour la production d’HT, le procédé conventionnel avec détente conduit à des coûts de l’ordre de 1.0 €.kg 1 d’HT, tandis que le couplage avec des membranes réduit ce coût environ 0.06 €.kg-1 d’HT dans des conditions réalistes (ΔP=20 bar). Cela représente une réduction de plus de 90% par rapport au cycle conventionnel. Cette thèse met en évidence le rôle déterminant que peuvent jouer les membranes denses dans le recyclage du CO2 de manière économe en énergie lors des procédés d’extraction au CO2-sc. Bien que des défis techniques subsistent, en particulier en termes de stabilité à long terme et de changement d’échelle, la combinaison de résultats expérimentaux et de modélisation économique met en évidence le potentiel de ce procédé hybride pour réduire la consommation énergétique ouvrant la voie à l’application industrielle de l’extraction au CO2-sc pour des produits de commodité.
Ana Paula Kaucz (Wed,) studied this question.