Colmatage des milieux poreux : de la particule colloïdale au bouchon – COLLMAT

La structure de ce projet s’articule autour des différentes étapes de la vie d’un bouchon. Tout d’abord, dans une première partie nous étudierons la formation du bouchon, puis nous nous concentrerons sur l’évolution des propriétés du bouchon aux temps longs dans une deuxième partie.
1-Au cours de la première étape, qui correspond à la nucléation d’un bouchon, nous étudierons les conditions d’adhésion de particule unique sur la paroi. Nous verrons comment varient ces conditions avec différentes vitesses d’écoulement, la géométrie des pores et les paramètres physico-chimie de la solution. Des simulations numériques seront menées en parallèles pour mieux cerner l’hydrodynamique du problème.
2- Nous étudierons ensuite la formation d’agrégats à partir de la paroi du pore. Nous voulons déterminer les conditions de croissance de ces agrégats (formes et structures) sous fort confinement et sous écoulement.
3- Dans une dernière étape, nous déterminerons comment la connexion entre les agrégats, au cours de leur croissance, conduit au colmatage du pore.
Cette première partie va nous permettre de définir les conditions générales d’apparition du colmatage mais aussi la structure interne des bouchons. Les résultats acquis dans cette partie vont permettre de cibler plus rapidement les expériences à réaliser dans la deuxième tache.
Dans la deuxième partie, nous aborderons l’étude de la résistance hydrodynamique et de la perméabilité d’un bouchon au cours de sa formation, de l’étape de nucléation jusqu’au colmatage effectif. Puis nous nous intéresserons à l’évolution de ces propriétés hydrodynamiques, une fois que le bouchon est bien formé . Nous voulons étudier le couplage entre l’écoulement de perméation au sein du bouchon et sa structure interne.

Nous avons mis en évidence les différents scénarii du colmatage d'un pore dont la taille est très proche de celle des particules qui viennent l'obstruer (rapport entre la taille du pore et le diamètre de la particule compris entre 1,1 et 1,75). Nous avons obtenu un diagramme des phases où l'on peut distinguer clairement les différentes zones où les particules ne sont pas capturées et celles où le pore est obstrué.Nous avons aussi montrer qu'il existe un un débit critique en dessous duquel les particules bloquent le pore à son entrée. Pour des valeurs supérieures les particules peuvent envahirent une bonne partie du pore avant que ce dernier ne soit bloquer. Nous avons pu expliquer ces différents comportements en les reliant aux conditions de filtration (géométrie du pore, débit ou pression imposée et force ionique de la solution) et aussi en utilisant des visualisation basées sur des mesures de fluorescence permettant d'avoir accès à la dynamique de l'obstruction. De cette manière, nous avons aussi pu montrer que les particules déjà déposées dans le pore permettent une meilleure capture des particules incidentes.

Dans la suite du projet nous comptons mettre en évidence les différents mécanismes qui sont responsables du colmatage pour différents diamètres de pore. Nous allons déterminer l'ensemble de la dynamique de l'obstruction, du dépôt de la première particule jusqu'au bouchage. Cette va permettre l'étude du colmatage à l'échelle du milieux poreux

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Je propose de développer le présent programme de recherche dans le cadre du nouvel axe de recherche que j’ai initié lors de mon arrivée en octobre 2010 à l’institut de physique de Rennes.
La formation de bouchon est un problème récurrent et presque inévitable lors de l’écoulement de solutions diluées dans des milieux poreux. A cause de la complexité du processus de colmatage, des études récentes se sont concentrées plus spécifiquement sur les caractéristiques du bouchage, à l’échelle du pore, principalement au sein de dispositifs microfluidique. Ces études ont identifié les conditions dans lesquelles les particules adhèrent sur les parois des canaux. Elles ont aussi mise en évidence que le colmatage est le résultat de dépôts successifs de particule unique ; le nombre moyen de particules qui peut passer dans un pore avant qu’il ne soit obstrué dépendant du rapport entre la largeur du canal et le diamètre de la particule. Cependant, la grande incertitude sur ce nombre de particules rend le modèle très peu prédictif. De plus, on ne sait toujours pas comment, à partir du processus initial de déposition de particules à la paroi, les particules s’accumulent dans le pore et finissent par le boucher. Les mécanismes de croissance d’agrégats, à partir de la surface du pore, sous écoulement ne sont toujours pas connus.
L’idée générale du projet est de visualiser et d’étudier l’écoulement de particules colloïdales au sein de matériaux poreux modèles (canaux microfluidiques), dont la taille des pores est proche de celle des objets transportés. Nous pourrons ainsi déterminer quelle est la part de la physico-chimiques, de l’hydrodynamique et des interactions particule/particule et particule/paroi, sur les différentes étapes du colmatage de matrices poreuses. Ce projet expérimental est composé de deux parties :
1-Notre premier objectif est de mieux comprendre l’ensemble du processus de colmatage. Nous commencerons par définir les conditions, hydrodynamiques, physico-chimiques mais aussi de confinement, qui sont à l’origine du dépôt de particules à la surface des parois des pores. Puis nous déterminerons comment commence la croissance des agrégats à partir de cette surface. Nous étudierons aussi la stabilité des agrégats une fois formé (forme et structure) sous écoulement. Finalement, nous déterminerons comment la croissance d’agrégats conduit au colmatage des pores.
2-Dans une deuxième partie nous aborderons l’étude de la dynamique de formation du bouchon. Nous déterminerons tout d’abord la structure du bouchon, reliée à la perméabilité, au cours de sa formation ainsi que la variation de résistance hydrodynamique associée, à l’aide d’une nouvelle technique de mesure de pression in-situ. De cette manière, nous pourrons montrer comment la cinétique de formation du bouchon modifie sa porosité initiale et aux temps plus longs. Nous déterminerons aussi comment évolue la perméabilité avec différentes conditions d’écoulement d’un bouchon déjà formé avec des caractéristiques fixées (tailles des particules, porosité, longueur totale…). Nous pourrons ainsi étudier le couplage entre l’écoulement du fluide interstitiel et les déplacements des particules au sein du bouchon. Nous voulons déterminer si cet écoulement de perméation peut modifier la structure d’assemblée dense de particules, s’il peut notamment favoriser la transition entre une structure amorphe vers une structure cristalline.
Ce projet va permettre de déterminer précisément quelle est la part de l’hydrodynamique, des interactions colloïdales (particule-paroi et particule-particule) et du confinement sur le colmatage des milieux poreux, préalable nécessaire à toute tentative de modélisation du phénomène de colmatage. D’un point de vue fondamental cette étude va permettre d’explorer la physique associée à la dynamique d’encombrement.