Modélisation multi-échelles du transport réactif des nanoparticules dans l’environnement

par Izzeddine Sameut Bouhaik

Thèse de doctorat en Physique et chimie de l’environnement

Sous la direction de Lionel Mercury.

Le président du jury était Marc Benedetti.

Le jury était composé de Lionel Mercury, Marc Benedetti, Jérôme Rose, Mohamed Azaroual, Jerôme Duval.

Les rapporteurs étaient Jérôme Rose, Mark Wiesner.


  • Résumé

    Le transport réactif des NPs en milieu poreux regroupe trois principaux processus : l’agrégation, le dépôt et le transport des NPs. Le système réel est caractérisé par la complexité et l’interdépendance de ces trois processus. En plus, ces derniers ne possèdent pas forcément la même échelle propre d’étude ou de modélisation. Cela explique la difficulté majeure pour décrire simultanément tous ces processus couplés et interdépendants dans un seul modèle aisément utilisable. Au départ, nous avons simplifié ce système en séparant les différents processus. Ensuite, nous résolvons le problème d’échelle, par l’approche d’homogénéisation ou par l’approche multi-échelles. La séparation du problème, en plusieurs processus et sur plusieurs échelles d’espace, facilite la résolution numérique et la compréhension des processus élémentaires. Dans cette étude, une approche multi-échelles a été développée pour modéliser ces trois processus (l’agrégation, le dépôt et le transport des NPs), chacun dans sa propre échelle. Nous avons considéré deux échelles de taille, l’échelle microscopique ou d’interface (nanométrique), et l’échelle mésoscopique correspondant à la taille des pores (micrométrique). A l’échelle microscopique, les processus d’agrégation et de dépôt ont été modélisés, de manière similaire, avec la théorie DLVO. Les propriétés électrostatiques de surface des NPs ou de la roche sont décrites par un modèle de complexation de surface développé sous PhreeqC. Ce modèle d’interface est testé pour deux types de matériaux, le titane pour les NPs et la silice pour la roche. A l’échelle mésoscopique, le dépôt est quantifié par la théorie classique de la filtration (CFT : Classical Filtration Theory) dans la phase initiale où le filtre est propre. Le processus de transport a été simulé par un modèle de réseau de pores (PNM : Pore Network Model) à l’échelle mésoscopique. Ce modèle de transport est couplé avec le modèle d’agrégation-dépôt et indirectement avec le modèle de complexation de surface en un seul modèle appelé PhreeqC Pore Network Transport(PPNT1.0).

  • Titre traduit

    Multi-scale reactive transport modeling of nanoparticles in the environment


  • Résumé

    Reactive transport of NPs in porous media involves three main processes: aggregation, deposition and transport of NPs. The natural system is characterized by the complexity and interdependence of these three processes. In addition, these processes do not necessarily have the same study or modeling scale. This explains the extreme difficulty to describe simultaneously all these interdependent processes in one easy-tohandle numerical model. We have simplified the system by separating the different processes. Then, we solve the problem of scale by the homogenization or the multi-scale approach. Dividing the initial problem into different processes on different scales facilitates the numerical solution and the understanding of each process separately. In this study, a multi-scale approach has been developed to model, each mechanism at its own scale. We considered two modeling scales, the microscopic or interfacial scale (nanometric scale), and the mesoscopic scale (micrometric scale). At the microscopic scale, the processes of aggregation and deposition have been modeled in a similar manner with the DLVO theory. Surface electrostatic properties of NPs and rocks are described by a surface complexation model implemented in geochemical modeling program (PHREEQC). This surface complexation model was tested for two types of materials, titanium and silica. At the mesoscopic scale, the deposition is quantified by the classic filtration theory (CFT) in the initial phase when the filter is clean. The transport of NPs in porous media was simulated by a pore network model (PNM) at the mesoscopic scale. This transport model was coupled with the deposition-aggregation model and also indirectly with the surface complexation model. These three models are coupled in a single model called: PhreeqC Pore Network Transport (PPNT1.0).


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