Etude numérique de l’adsorption et de la désorption de particules colloïdales en milieu poreux : Influence de la topographie de surface et des interactions physico-chimiques

• Auteur / Autrice : Nisrine Sefrioui Chaibainou
• Direction : Henri Bertin, Abdelaziz Omari, Azita Ahmadi-Sénichault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et ingéniérie
• Date : Soutenance le 24/02/2012
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hua-Qing Wang, Stéphane Vincent
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gérald Debenest, Patrice Creux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Adsorption

Écoulement en milieux poreux

Colloïdes

Mots clés libres

Colloïdes

Milieux poreux

Etude numérique

Adsorption

Désorption

Dlvo

Multi-échelle

Hétérogénéités

Colloids

Porous media

Numerical study

Adsorption

Desorption

Multi-scaling

Dlvo

Surface roughness

Résumé

Cette étude concerne le transport de particules colloïdales en milieu poreux. Les colloïdes (particules de taille caractéristique inférieure au micron) se rencontrent dans de nombreux domaines de la vie quotidienne (encre, cosmétiques, ...), de la biologie (bactéries, virus, protozoaires, ...) et de l’ingénierie (filtration, hydrologie, génie civil, génie pétrolier, ...). De par leur taille et leur nature, l’étude de ces systèmes nécessite de s’intéresser aux interactions qui peuvent exister entre les particules elles mêmes mais aussi avec le milieu environnant. On cite particulièrement le cas d’écoulements dans des aquifères qui concernent le transport de contaminants d’origine biologique (bactéries, virus), d’origine chimique (hydrocarbures, polluants) ou d’origine minérale (argiles, métaux, ...). Dans chacun des cas cités, il est nécessaire de s’intéresser au transport et dépôt/décollement des particules pour mieux comprendre et modéliser les mécanismes mis en jeu. Une première partie du travail est consacrée à la mise en place et à la résolution d’un modèle macroscopique de dépôt de particules. La comparaison des résultats numériques avec des données expérimentales de la littérature a permis d’établir les relations existantes entre le facteur de retard et la force ionique d’une part et le nombre de Péclet d’autre part. La seconde partie du travail concerne l’étude, à l’échelle microscopique, du transport de particules colloïdales en présence de rugosités de surface (obstacle ou cavité). Les résultats mettent en évidence le rôle joué par ces rugosités de surface sur l’adsorption et désorption de particules sous l’influence des forces hydrodynamiques et des interactions physico-chimiques.

This study deals with the transport of colloidal particles in porous media. Colloids (particles with a characteristic size smaller than one micron) are found in daily life (ink, cosmetics ...) and in many fields of science and technology such as biology (bacteria, viruses, protozoa ...) and engineering (filtration, hydrology, civil engineering, petroleum engineering ...). Because of their size and nature, the study of these systems needs to focus on interactions that may exist between the particles themselves but also with the surrounding environment. This is particularly true in the case of transport of colloids in porous media where the particles characteristic dimension size is close to that of the porous medium. We mention especially the case of flow in aquifers that may affect the transport of contaminants of a biological origin (bacteria, viruses), chemical origin (hydrocarbons, pollutants) or minerals (clay, metals ...). In each case cited above, it is necessary to consider particles transport in porous media and their deposition/release to better understand and model the involved mechanisms. The first part of this work is devoted to the development and resolution of a macroscopic model of particle deposition. Comparison of numerical results with experimental data in the literature has established the existing relationships between a delay factor and both ionic strength and the Peclet number. The second part of the study deals with the study, at the microscopic level, of a colloidal particle transport taking into account DLVO forces for smooth and rough pore surfaces. Our results highlight the role played by surface roughness on the adsorption and desorption of particles under the influence of ionic strength and flow rate.