Utilisation de la spectroscopie proche infrarouge multipoints couplée à de la chimiométrie pour la caractérisation en ligne de milieux diffusants

Use of multipoint near infrared spectroscopy coupled with chemometrics for online characterization of scattering environment

• Auteur / Autrice : Maud Rey-Bayle
• Direction : Jean-Michel Roger, Ryad Bendoula
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 07/11/2017
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ITAP Information et Technologie pour les Agro-Procédés INRAE SupAgro Montpellier
• Jury : Président / Présidente : Pierre Lantéri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Roger, Ryad Bendoula, Pierre Lantéri, Nida Sheibat-Othman, Douglas N. Rutledge, Cyril Ruckebusch, Noémie Levesque Caillol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nida Sheibat-Othman, Douglas N. Rutledge

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectromètres

Spectroscopie infrarouge proche

Chimiométrie

Mots clés libres

Spectroscopie proche infrarouge

Chimiométrie

Diffusion et absorption

Mesures multipoints

Propriétés physiques et chimiques

Near infrared spectroscopy

Chemometrics

Scattering and absorption

Multipoint measurement

Physical and chemical properties

Résumé

L’objectif de cette thèse est de démontrer le potentiel de la spectroscopie proche infrarouge multipoints pour suivre en ligne des milieux diffusants et absorbants dont les propriétés physique et chimique varient au cours du temps. Des travaux ont tout d’abord porté sur l’étude d’un milieu où seule la diffusion varie au cours du temps. Le suivi de la réaction de précipitation de la silice a été choisi pour illustrer un tel milieu. Dans un premier temps, des spectres en transmission collimatée ont été mesurés sur des échantillons prélevés au cours du procédé. Grâce à l’application de la loi de Beer-Lambert, il a été possible d'obtenir les coefficients de diffusion de chaque échantillon et ainsi retrouver les différentes étapes de la réaction. Une analyse en composante principale de ces coefficients a montré la présence de deux régimes de diffusion dans le milieu réactionnel. Dans un second temps, une sonde de mesures multipoints, a été immergée dans un réacteur de fabrication. Des spectres ont été mesurés à des angles de 30°, 90°, 150°, 170° et 180° par rapport à la source, tout au long de la précipitation. Une analyse univariée, aux différents angles, a montré des différences et des similitudes entre les positions, en lien avec les interactions lumière matière. Puis une analyse multivariée multi tableaux ACCPS (Analyses en Composantes Communes et Poids Spécifiques) a été appliquée. Elle permet de combiner les informations issues des différents angles et de montrer les informations communes et spécifiques. Cela a permis de valider l’utilisation de la mesure multipoints pour le contrôle du procédé. Grâce à l’analyse des scores globaux, différents types de diffusion et la spécificité de certains angles dans la détection de modifications physiques, ont été identifiés. L’analyse des loadings individuels, a confirmé les différentes étapes réactionnelles identifiées et a révélé des phénomènes relatifs à la diffusion de la lumière comme l’allongement du trajet optique. La même démarche, analyses en laboratoire puis en ligne, a été appliquée à un milieu où la diffusion et l’absorption varient. Le suivi des produits issus des procédés pour l’amélioration de l’extraction du pétrole a été choisi pour illustrer un tel milieu. Dans un premier temps, des microémulsions (eau, huile et tensio-actif) ont été fabriquées de sorte à ce que les propriétés chimiques et physiques soient différentes. Puis chaque phase a été analysée séparément. Une analyse en composantes principales a permis de caractériser les systèmes grâce à l’identification des phases. Elle a également montré que les différences entre elles étaient liées, à la fois à l’absorption et à la diffusion. Pour séparer ces deux phénomènes, une résolution multivariée de courbes par régression alternée a été appliquée. Cela a permis d’expliquer plus en détail les différences entre les phases et d’obtenir des suivis semi-quantitatifs. Enfin dans la dernière partie, les mêmes échantillons ont été analysés en circulation avec une sonde multipoints. Une ACCPS a de nouveau été appliquée et a montré que des phénomènes de diffusion différents avaient lieu entre les classes. De plus, elle a mis en lumière une hétérogénéité dans la composition des phases, qui ne pouvait pas être détectée avec des mesures en statique.

The aim of this thesis is to demonstrate the potential of multipoint near infrared spectroscopy to monitor online scattering and absorbing environments, where physical and chemical properties change over time. The work was first based on the study of an environment where scattering was the only parameter varying over time. Monitoring of the silica precipitation reaction has been chosen to illustrate that environment. First of all, spectra in collimated transmittance mode were acquired from samples collected during the process. Thanks to the Beer-Lambert law, scattering coefficients of each sample were obtained and from them the different steps of the reaction were found. A principal component analysis of those coefficients showed the existence of two scattering modes into the reaction environment. In the second phase, a multipoint probe was submerged in an industrial reactor. Spectra were measured during the precipitation with angle of 30°, 90°, 150°, 170° and 180° to the source. A univariate analyse at those different angles showed differences and similarities between the positions, linked to the interaction of light and matter. Then, a multiblock and multivariate analysis, CCSWA (Common Component and Specific Weight Analysis), was applied. It allows the combination of information from different angles and also shows common and specific information, in order to validate the use of multipoint measurement to monitor the process. Thanks to the analysis of global scores, different kind of scattering and the specificity of some angle, in the detection of physical modifications were identified. The analysis of individual loadings confirmed the identification of the different steps of reaction and has revealed some phenomena related to light scattering, such as the extension of the optical path. The same approach, analysis in the laboratory then online, was applied on an environment where scattering and absorption vary. Monitoring of products from the process to improve oil extraction, has been chosen to illustrate that environment. First of all, micro emulsions (water, oil and surfactant) were made so that physical and chemical properties would be different between samples. Then, each phase was analysed separately. A principal component analysis was used to characterize the system by phase identification. It also showed the differences between the phases were linked, both to absorption and scattering. In order to separate those two phenomena, a multivariate resolution by alternate regression has been applied. It has permitted to explain in more details the differences between the phases and to obtain semi-quantitative monitoring. Finally, in the last part, the same samples were analysed in circulation with a multipoint probe. A CCSWA has been applied again and showed that different scattering phenomenon occurred between the categories. Moreover, it highlighted a heterogeneity in the phases' composition that couldn’t be detected in static measurement.