Approches micro/milli-fluidiques pour l'étude in situ de procédés de filtration frontale

Micro/milli-fluidic approaches for the in situ study of frontal filtration processes

• Auteur / Autrice : Jérémy Decock
• Direction : Jean-Baptiste Salmon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 28/11/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire du Futur (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Caroline Jullien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Caroline Jullien, Patrice Bacchin, Paul Duru, Sylvaine Neveu, Fernando Leal-Calderon, Thomas Clérico
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patrice Bacchin, Paul Duru

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-fabrication

Silice

Membranes (technologie)

Filtration

Suspensions (chimie)

Microfluidique

Millifluidique

Mots clés libres

Microfluidique

Filtration

Membrane

Micro-fabrication

Silice

Microfluidic

Filtration

Membrane

Micro-fabrication

Silica

Résumé

Ce travail de thèse porte sur le développement technologique d’outils miniaturisés micro- (10 µm) et milli- (1 mm) fluidique, pour l’étude in situ de procédés de filtration frontale, en collaboration avec l’entreprise Solvay. Les outils développés permettent le suivi visuel de la formation de gâteaux de filtration en opérant des essais à pression ou à débit constant sur diverses suspensions colloïdales, jusqu’à des pressions trans-membranaires de l’ordre de 7 bars.L’étude millifluidique de la filtration de dispersions industrielles de silice colloïdale (Solvay, Silica), a permis de mettre en évidence la croissance de gâteaux compressibles et de corréler ces données aux signaux de pression, obtenus à débit imposé. Ces mêmes données sont confrontées aux lois classiques de la filtration (« cake filtration theory »), mettant en évidence que les modélisations classiques ne peuvent pas reproduire les comportements observés.La seconde partie de la thèse porte sur le développement d’un outil microfluidique, intégrant des membranes hydrogel nano-poreuses, pouvant résister à de fortes pressions (quelques bars). Ces membranes sont fabriquées in-situ par photo-polymérisation de formulations aqueuses contenant des PEG-diacrylates et des agents porogènes. Notre travail a permis une caractérisation précise de leur perméabilité en fonction de divers paramètres (formulation, temps d’exposition, géométrie). Ces mêmes membranes ont été utilisées pour suivre la filtration frontale de nanoparticules aux échelles microfluidiques, et ainsi estimer quantitativement la perméabilité des gâteaux formés.

This work deals with the technological development of miniaturized micro- (10 µm) and milli- (1 mm) fluidic tools for in-situ investigations of frontal filtration processes, in collaboration with Solvay. The tools that we developed, make it possible to monitor visually the formation of the filter cake, operating at constant-pressure or constant-flow rate filtration, on various colloidal suspensions, and up to trans-membrane pressures of 7 bars.We performed a millifluidic study of the filtration of industrial silica colloidal dispersions (Solvay, Silica), and we evidenced the growth of compressible cakes. We correlated these data to the pressure signals obtained at imposed flow rates. The comparison with theoretical predictions given by the classical laws of cake filtration theory, shows that such conventional models cannot reproduce the observed behaviors.The second part of this thesis reports the development of high pressure-resistive (several bars) microfluidic tools integrating nano-porous hydrogel-based membranes. These membranes are fabricated in situ by photo-polymerization of aqueous formulations containing PEG-diacrylates and porogen agents. We reported precise characterizations of their permeability in function of several parameters (formulation, exposure time, geometry). The same membranes were used to monitor frontal filtration of nanoparticles at the microfluidic scale, and thus to quantitatively estimate the permeability of the formed cakes.