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| Dynamique de colmatage d'un milieu poreux par des particules colloïdales (Clogging dynamics of a porous medium by colloidal particles) Delouche, Nolwenn - (2021-12-15) / Universite de Rennes 1 - Dynamique de colmatage d'un milieu poreux par des particules colloïdales
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Langue : Anglais Directeur(s) de thèse: Tabuteau, Hervé Discipline : Physique Laboratoire : Institut de Physique de Rennes Ecole Doctorale : Matière, Molécules et Matériaux Classification : Physique Mots-clés : colmatage, agrégats, chute de débit, milieu poreux, microparticules, microfluidique
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Résumé : Le transport d’une suspension à travers une membrane ou une constriction entraîne inévitablement son colmatage, dans les milieux industriels aussi bien que naturels. Ce processus est complexe et dépend de plusieurs paramètres physico-chimiques comme les interactions inter-particules, particules-paroi et hydrodynamiques, qui favorisent ou limitent le dépôt des particules, ainsi que du degré de confinement correspondant au rapport de la taille du pore sur celle de la particule W/D. Plusieurs études ont permis de comprendre le rôle de ces paramètres grâce à la microfluidique, cependant aucune n’a fait le lien entre la dynamique complète du colmatage et la chute de vitesse associée. L’objectif de ce travail est de comprendre comment le colmatage progressif d’un pore a lieu et quel est son impact sur l’écoulement à travers le milieu. Dans un premier temps, nous nous sommes limités à l’étude du colmatage d’un pore unique. Nous avons imagé la croissance du dépôt qui conduit à l’obstruction du pore, particule par particule, que nous avons relié à la chute de débit aux bornes du milieu, à partir des vitesses des particules. Nous avons constaté que des agrégats composés de microparticules sphériques sont systématiquement responsables des bouchons, alors qu’ils sont très peu représentés dans des suspensions monodisperses. Dans un second temps, nous avons étendu notre étude à un milieu poreux dont les pores sont interconnectés. Nous avons constaté une concentration des bouchons à l’entrée du milieu dont nous avons expliqué la présence par un modèle de colmatage prenant en compte uniquement la distribution de taille des agrégats et leur probabilité de capture. Pour finir, nous avons relié le degré de colmatage du milieu à la chute de débit associée et proposé un modèle hydrodynamique pour retrouver la chute de débit. Abstract : The transport of a suspension through a membrane or a constriction eventually leads to its clogging, in industrial as well as natural environments. This process is complex and depends on several physico-chemical parameters such as inter-particle, particle-wall and hydrodynamic interactions, which promote or limit particle deposition, as well as the degree of confinement corresponding to the pore size to particle size ratio W/D. Several studies investigate the role of these parameters thanks to the microfluidic, however none of them link the complete dynamics of clogging to the flow decline. The objective of this work is to understand how the progressive clogging of a pore takes place and what is its impact on the flow through the medium. First, we focused on a single pore. We imaged the fouling and clogging of a pore, particle by particle, and we link it to the associated flow decline, thanks to the particle velocities. We observed that aggregates, composed of microparticles, are systematically responsible of the clogging while they are present in minute quantities in monodisperse suspensions. In a second part, we perform the same analysis on a medium with interconnected pores. We observed the medium is clogged at its entrance that we explained with a simple model taking only into account the aggregate size distribution and their capture probability. Finally, we establish the relationship between the degree of fouling of the medium and the associated flow decline. We also proposed a model that fits well our data. | |||