Suspensions of particles interacting with porous matrices : transport, deposition and accumulation.

par Gaétan Gerber

Thèse de doctorat en Structures et Matériaux

Sous la direction de Philippe Coussot.

Soutenue le 25-10-2019

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Navier (Paris-Est) (laboratoire) et de Laboratoire Navier / navier umr 8205 (laboratoire) .

Le président du jury était Patrice Bacchin.

Le jury était composé de Philippe Coussot, Rajandrea Sethi, Laurent Lassabatere, David A. Weitz, Emilie Dressaire.

Les rapporteurs étaient Rajandrea Sethi.

  • Titre traduit

    Interactions entre suspensions de particules et matrices poreuses : transport, dépôt et accumulation


  • Résumé

    La séparation de produits industriels par filtration, la propagation de polluants dans les sols ou la transmission de micro-organismes au sein de tissus biologiques ont en commun le transport de particules au travers de matériaux poreux (matrices).Les interactions particule-matrice engendrent des phénomènes de dépôts de particules, le plus souvent étudiés par simulations numériques, mesures globales ou via des systèmes modèles réduits (1D ou 2D). Grâce à des milieux poreux adaptés (empilements transparents et aléatoires de sphères) et à des méthodes originales d'observation interne (IRM, microscopie confocale), une visualisation directe des dynamiques de transport et de dépôt est rendue possible à l'échelle locale. En variant successivement la taille des particules (de la dizaine de nanomètres à la dizaine de microns), leurs propriétés d'interaction (électrostatique ou magnétique) et leur forme (de sphères uniques à agrégats), tous les régimes de dépôts sont in fine classifiés selon trois paramètres clés : le confinement des particules (rapport de tailles particule/pore), leur affinité avec la matrice et leur potentiel d'agrégation.Deux exemples illustrent en particulier la diversité des régimes étudiés ; chacun étant associé à un modèle prédictif simple permettant une application directe à un large panel de systèmes. D’une part, le coincement stérique de particules non-colloïdales conduit à la formation d’amas de taille comparable aux pores, déviant l'écoulement. Une concentration critique de ces bouchons correspond à une saturation de la matrice et divergence des dépôts (blocage complet du système). D'autre part, l'adsorption de particules colloïdales aux parois de la matrice est étudiée selon leur mode de transport et potentiel d’agrégation. Leur accumulation est associée à un mécanisme atypique d'autorégulation équilibrant la cohésion entre particules et les forces visqueuses évoluant avec la porosité ; allant jusqu’à empêcher un blocage du système


  • Résumé

    From the separation of products on industrial filters to the propagation of pollutants in soils or the transmission of micro-organisms in biological tissues, the transport of particles through porous matrices is ubiquitous. Particle-matrix interactions involve crucial deposition mechanisms, often studied by numerical simulations, global measurements or reduced (1D or 2D) systems. By making adapted 3D porous media (transparent random packings of spheres), and taking advantage of original internal observations (MRI, confocal microscopy), we have been able to directly visualize and analyze the whole range of transport and deposition dynamics at the global and local scales. Varying in turns the particles size (tens of nanometers to tens of microns), long-range interactions (electrostatic or magnetic) and shape (from unique spheres to clusters), all deposition regimes are finally mapped according to three key parameters: particle confinement (particle/pore size ratio), particle-surface affinity, and inter-particle aggregation ability.Two examples highlight the diversity of these regimes. First, we show that non-colloidal particles of sufficient size tend to clog pores by accumulating in pore size clusters, which ultimately constitute regions avoided by the flow. A critical cluster concentration (percolation) corresponds to a system saturation, i.e. caking. Further insights on the impact of the particle shape on the clogging dynamics are also proposed. On another side, for non-clogging colloidal particles, we show that particle accumulation is a self-limited mechanism, towards a deposited fraction associated with a balance between the colloidal cohesive energy and the local flow (drag energy varying with evolving porosity).In the end, the classification of the main deposition regimes combined with simple predictive models allows an application of these results to a broad range of systems.


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