Bouchage de poreux par émulsions Pickering

par Franz De Soete

Projet de thèse en Physico-chimie

Sous la direction de François Lequeux, Laurence Talini et de Emilie Verneuil.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Physique et Chimie des Matériaux , en partenariat avec Sciences et Ingénierie de la Matière Molle (laboratoire) et de ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-01-2019 .


  • Résumé

    Les écoulements des gouttelettes d'huile dans les poreux sont bien connus dans la littérature [1-5]. On se limitera dans cette discussion au cas où les gouttelettes sont grosses par rapport à la taille des pores. Autrement dit, le « Jamming ratio » c'est-à-dire le rapport entre le rayon des pores R et celui des gouttelettes d'huile reste grand devant 1 (JROIL=R/RG<<1). Dans ce cas, les gouttelettes d'huile doivent se déformer pour pouvoir se déplacer dans les poreux. L'aptitude à la déformation est déterminée par le nombre capillaire du problème (Ca=nU/gamma où U est la vitesse, n la viscosité du fluide suspendant, et gamma la tension interfaciale. Cette déformation provoque des pertes de charges supplémentaires de l'ordre de la pression de Laplace PL des gouttelettes (PL=2gamma/R) où R est le rayon des pores, et donc également celui des gouttes si elles passent dans le poreux. Si cette déformation n'est pas possible les gouttelettes vont s'accumuler à l'entrée du poreux et boucher complètement ce dernier. De plus le mouillage des gouttelettes d'huile sur le milieu poreux – autrement dit leur capture par le milieux poreux – participe aussi à la diminution de la perméabilité. De façon générale, le bouchage peut être combattu dedifférentes façons : en diminuant la tension interfaciale eau-huile, en augmentant la viscosité de l'eau – par ajout de polymères, ou encore en modifiant les interactions huile/poreux au travers de l'eau. Les écoulements de suspensions dans les matériaux poreux sont également bien connus [6-10]. Ils sont contrôlés par le « jamming ratio » JrP=R/Rp, c'est-à-dire le rapport entre le rayon des pores R et celui des particules RP. En pratique, si JrP est plus grand que 7, les particules, pour les suspensions très diluées s'écoulent dans le poreux sans le boucher. Néanmoins si les particules sont concentrées et/ou peu stables, elles peuvent s'agréger dans le milieu poreux et conduire à son bouchage. Il n'y a par contre pratiquement rien dans la littérature sur le bouchage de poreux avec des émulsions Pickering [11-13]. Les émulsions Pickering elles-mêmes sont bien connues [14,15]. Elles se forment assez facilement sous agitation. Leur interface est rigide mais, sous l'effet d'une dilatation, elle devient partiellement non-couverte de particules et la tension interfaciale devient celle entre l'eau l'huile. En compression, elles flambent, et la contrainte seuil de flambage est de l'ordre de la pression de Laplace (PL=gamma/Rg) où Rg est le rayon des gouttelettes. En revanche, l'extraction des particules solides de l'interface est difficile car elle fait appel à des pressions plus importantes de l'ordre de Pex=gamma/Rp. L'objet de cette thèse est donc de comprendre les divers aspects du bouchage de poreux par des émulsions Pickering, dans le cas de petites particules (JRP> 1) mais avec des gouttelettes d'huile grosses (JROIL<<1).

  • Titre traduit

    Porous media clogging by Pickering emulsion


  • Résumé

    The flow of oil droplets into the pores is well known in the literature [1-5]. We will limit ourselves in this discussion to the case where the droplets are large relative to the pore size. In other words, the "Jamming ratio" that is to say the ratio between the radius of the pores R and that of the oil droplets remains high in front of 1 (JROIL = R / RG << 1). In this case, the oil droplets must deform to move in the porous. The ability to deform is determined by the capillary number of the problem (Ca = nU / gamma where U is the velocity, n the viscosity of the suspending fluid, and gamma the interfacial tension) This deformation causes additional head losses. order of Laplace PL pressure droplets (PL = 2gamma / R) where R is the pore radius, and therefore also that of the drops if they pass into the porous If this deformation is not possible the droplets will accumulate at the entrance of the porous and completely clog the latter.In addition, the wetting of the oil droplets on the porous medium - in other words their capture by the porous media - also contributes to the decrease of the permeability. In general, capping can be fought in different ways: by decreasing the water-oil interfacial tension, by increasing the viscosity of the water - by adding polymers, or by modifying the oil / porous interactions through the water . Suspension flows in porous materials are also well known [6-10]. They are controlled by the "jamming ratio" JrP = R / Rp, that is to say the ratio between the radius of the pores R and that of the particles RP. In practice, if JrP is greater than 7, the particles for very dilute suspensions flow into the porous without clogging it. Nevertheless, if the particles are concentrated and / or not very stable, they can aggregate in the porous medium and lead to its clogging. There is, however, practically nothing in the literature on porous plugging with Pickering emulsions [11-13]. Pickering emulsions themselves are well known [14,15]. They form quite easily with agitation. Their interface is rigid but, under the effect of a dilation, it becomes partially uncovered particles and the interfacial tension becomes that between the water oil. In compression, they blaze, and the threshold buckling stress is of the order of Laplace pressure (PL = gamma / Rg) where Rg is the radius of the droplets. On the other hand, the extraction of the solid particles from the interface is difficult because it makes use of larger pressures of the order of Pex = gamma / Rp. The purpose of this thesis is to understand the various aspects of porous clogging by Pickering emulsions, in the case of small particles (JRP> 1) but with large oil droplets (JROIL << 1).