Ultrafiltration tangentielle de suspensions de nanocristaux de cellulose assistée par ultrasons : caractérisation multi-échelle des couches concentrées par SAXS et Micro-PIV

Tangential ultrafiltration of cellulose nanocrystal suspensions assisted by ultrasounds : multi-scale characterization of concentrated layers by SAXS and MicroPIV

• Auteur / Autrice : Mathilde Challamel
• Direction : Frédéric Pignon, Henda Djeridi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique,
• Date : Soutenance le 21/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Dufresne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Manneville
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Matas, Patrice Bacchin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ultrasons

Nanocristaux de cellulose

Ultrafiltration

Tuyaux -- Incrustations

Mots clés libres

Colmatage

Micro-PIV

Ultrafiltration

Nanocristaux de cellulose

Ultrasons

Saxs

Clogging

Micro-PIV

Ultrafiltration

Cellulose nanocristal

Ultrasounds

Saxs

Résumé

Les procédés de séparation membranaire sont utilisés à grande échelle dans le secteur de l'ingénierie, de l'environnement pour la purification des eaux ou des effluents ou encore dans les applications agro-alimentaires, ou même les biotechnologies. L’ultrafiltration tangentielle, par exemple, montre un fort potentiel dans l’étape de séparation des matières premières comme les nanocristaux de cellulose (NCC) dans le domaine des bioraffineries. Pour toutes ces applications, malgré les avantages et le potentiel que présente ce procédé, il existe actuellement une limitation à son développement qui réside dans la stabilité du phénomène de polarisation de concentration et de colmatage, réduisant ses performances. Sous l'action des forces de pression et d'écoulement de cisaillement au voisinage des membranes, l'augmentation de la concentration en macromolécules ou en particules colloïdales peut entraîner la formation de gels concentrés et conduire à une instabilité du procédé. La formation de dépôts irréversibles réduit alors fortement la performance du procédé et nécessite des opérations de nettoyage coûteuses en prix, en temps et en énergie. Pour maîtriser la formation de ces dépôts, Il est alors nécessaire d’identifier les effets du champ hydrodynamique, des propriétés physico-chimiques des suspensions ainsi que de leur comportement rhéologique sur l’organisation des nanoparticules au cours de la filtration. Un moyen de limiter l’apparition de ces phénomènes est de jouer sur des conditions hydrodynamiques améliorées (régime turbulent) ou bien d’apporter une force extérieure en continu permettant de contrôler la formation des couches concentrées (ultrasons par exemple). Sur le plan industriel la compréhension et le contrôle des relations propriétés d’écoulement / structuration des dépôts constitue une avancée technologique nécessaire au développement et à l’innovation des méthodes de séparation membranaires. En conséquence, ces travaux de thèse ont pour objectif d’améliorer la compréhension des mécanismes qui régissent ces phénomènes. Deux méthodes de caractérisation couvrant les échelles nanométriques à micrométriques ont été mises au point, grâce au développement de cellules de filtration couplant l’ultrafiltration à la diffusion de rayons X aux petits angles d’une part, et à la micro vélocimétrie par images de particules d’autre part. Ces mesures effectuées in-situ lors de l’ultrafiltration tangentielle assistée par ultrasons de suspensions de NCC, ont permis de caractériser l’organisation structurale et le champ hydrodynamique au sein des couches de polarisation, ainsi que leurs modifications spatio-temporelles induites par la compétition entre les forces de pression, de cisaillement et ultrasonores.

Membrane separation processes are used on a large scale in the engineering sector, in the environment for water or effluent purification or in food processing applications, or even in biotechnologies. Tangential ultrafiltration, for example, shows a strong potential in the separation of raw materials such as cellulose nanocrystals (NCC) in the field of biorefineries. For all these applications, despite the advantages and potential of this process, there is currently a limitation to its development which lies in the stability of the concentration polarization and clogging phenomenon, reducing its performance. Under the action of pressure and shear flow forces in the vicinity of the membranes, the increase in the concentration of macromolecules or colloidal particles can lead to the formation of concentrated gels and lead to process instability. The formation of irreversible deposits then strongly reduces the performance of the process and requires costly, time-consuming and energy-intensive cleaning operations. To control the formation of these deposits, it is necessary to identify the effects of the hydrodynamic field, the physico-chemical properties of the suspensions as well as their rheological behavior on the organization of the nanoparticles during the filtration process. One way to limit the appearance of these phenomena is to play on improved hydrodynamic conditions (turbulent regime) or to bring an external force in continuous allowing to control the formation of concentrated layers (ultrasounds for example). From an industrial point of view, the understanding and control of the flow properties/structure of the deposits is a technological advance necessary for the development and innovation of membrane separation methods. Consequently, the objective of this thesis is to improve the understanding of the mechanisms that govern these phenomena. Two characterization methods covering the nanometric to micrometric scales have been developed, thanks to the development of filtration cells coupling ultrafiltration to small angle X-ray scattering on the one hand, and to micro velocimetry by particle images on the other hand. These in-situ measurements, performed during ultrasound-assisted tangential ultrafiltration of NCC suspensions, allowed to characterize the structural organization and the hydrodynamic field within the polarization layers, as well as their spatio-temporal modifications induced by the competition between pressure, shear and ultrasound forces.