La physique du colmatage : de la particule colloïdale au bouchon

Clogging in micro-channels : from colloidal particle to clog

• Auteur / Autrice : Benjamin Dersoir
• Direction : Luc Oger, Hervé Tabuteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/03/2015
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique (Rennes) - IPR
• Partenaire(s) de recherche : PRES : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Matériaux poreux

Colloïdes

Mots clés libres

Colmatage

Colloïdes

Milieux poreux

Microfluidique

Clogging

Colloids

Porous media

Microfluidics

Résumé

La formation de bouchon est un problème récurrent et presque inévitable lors de l'écoulement de solutions diluées dans des milieux poreux. Actuellement, on ne sait pas comment, à partir du processus initial de déposition de particules à la paroi, ces dernières s'accumulent dans le pore et finissent par le boucher. L'idée générale de ce travail est d'étudier la dynamique de formation de bouchon lors l'écoulement de particules colloïdales au sein de matériaux poreux modèles (canaux microfluidiques). Nous décrivons dans un premier temps, les différents phénomènes physiques impliqués dans la capture de particules et dans l'agrégation colloïdale. Nous faisons également une brève présentation des différentes techniques d'imagerie utilisées dans ce travail et des méthodes de préparation des solutions colloïdales ainsi que des dispositifs microfluidiques. Le troisième chapitre est consacré à l'étude du processus de colmatage en situation de fort confinement (2d). Nous avons identifié deux régimes de colmatage (régime de ''ligne'' et ''d'invasion''). Nous avons ensuite déterminé les processus de capture de particules à l'origine de ces deux régimes, à l'échelle de la particule. Nous avons montré que le processus de colmatage correspond à un phénomène d'auto-filtration. Alors que les premières particules sont capturées de manière « directe » par les parois du pore, la déposition de toutes les suivantes résulte systématiquement d'une interaction avec ces dernières. Finalement, nous avons abordé le colmatage de pore 3d, dont la hauteur est égale à la largeur du pore. Nous avons fourni une description détaillée de l'ensemble du processus de colmatage, à l'échelle du pore et de la particule. Nous avons déterminé les conditions d'adhésion des premières particules à la paroi du pore, les propriétés de croissance des agrégats, ainsi que la manière dont ils se connectent pour obstruer le pore. Nous avons montré que cette dynamique de formation conduit à une structure finale de bouchon très ténue.

Clog formation is a recurring and almost inevitable issue when dilute solution of particles flows in porous media. Currently, we do not know how, from the initial process of particle deposition on the pore wall, particles accumulate in the pore leading to its blocking. The main idea of this work is to study the dynamics of the clog formation, when colloidal particles flow through a single pore (microfluidics channels). In a first part, we describe the various physical phenomenon involved in the particle capture and the colloidal aggregation. We also describe briefly the imaging techniques used in this work as well as the colloidal solution and micro-fluidics chips preparation. The third chapter is devoted to the study of the clogging process in high confinement (2d). We identified two clogging regimes (“line” and “invasion”). We then studied the underlying capture mechanisms, at the particle scale, related to both clogging regimes. We showed that the blockage process corresponds to a self-filtration process. The first particles are captured “directly” by the pore walls, while the deposition of all the following ones systematically results from hydrodynamic interactions with those first still particles. Finally, we addressed the clogging of a 3d pore, in which the height of the pore is equal to its width. We gave a detailed description of the whole clogging process at the pore and at the particle scale. We provided the conditions for the adhesion of the first particles on the pore walls, the properties of subsequent aggregates growth, and how the aggregates eventually merge in order to block the pore. We showed that this dynamics of formation leads to a very loose clog structure.