Étude de suspensions concentrées de particules de boehmite anisotropes : diagramme de phase, structre et rhéologie - Application aux procédés de séparation sur membrane

Study of concentrated boehmite suspensions containing anisotropic colloidal particles : phase diagram, structure and rheology - Application to membrane separation processes

• Auteur / Autrice : Maria Dronova
• Direction : Laurent Michot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie
• Date : Soutenance le 28/05/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physicochimie des électrolytes et nanosystèmes interfaciaux (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Lauron-Pernot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Euzen, Eric Lecolier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martine Meireles, Frédéric Pignon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alumine

Structure

Colloïdes

Filtration

Microtomographie

Rhéologie

Suspensions (chimie)

Mots clés libres

Suspension de boehmite

Filtration

Particules anisotropes

Boehmite colloids

Filtration

Anistropy

Résumé

L'amélioration des procédés industriels tels que la filtration de suspensions de colloïdes nécessite une compréhension approfondie de la stabilité colloïdale qui est pilotée par les interactions interparticulaires. Afin de comprendre les mécanismes à l’œuvre à la fois dans la cinétique de croissance des dépôts de filtration et dans leur structuration, une double stratégie a été adoptée pour étudier les suspensions de boehmite. Tout d'abord, nous avons réalisé des expériences de filtration frontale et avons mis en évidence une variation non triviale de la perméabilité des gâteaux de filtration en fonction de la force ionique des suspensions de boehmite. En étudiant des suspensions de boehmite concentrées par stress osmotique en combinant des mesures par diffusion centrale des rayons X aux petits angles et de rhéologie, il apparait que la plus faible perméabilité des gâteaux de filtration obtenus à partir de suspensions de force ionique intermédiaire (pour laquelle la double couche de Debye est du même ordre de grandeur avec la longueur des particules) résulterait d’un ordre orientationnel local. Enfin, des expériences de filtration couplées avec des observations en temps réel par microtomographie X ont permis d’enregistrer les profils de concentration en boehemite dans les gâteaux de filtration. Ces expériences ont mis en évidence l’influence de la force ionique sur la forme des profils de concentration. L’ensemble de ces résultats montrent les effets combinés des forces interparticulaires, de l'anisotropie et de la dimension des particules sur la structuration des gâteaux de filtration et leurs propriétés de transport.

Improving industrial processes such as filtration of colloidal suspensions requires an in depth understanding of colloidal stability that is linked to interparticle interactions. In order to get insight into mechanisms of both deposit kinetics and its structuring with regard to the given bulk solution chemistry, a two-fold strategy has been adopted in the present work to the case of boehmite dispersions. First of all, the influence of salt concentration on the permeability of the filtration deposits obtained by pressure-driven frontal filtration was investigated and revealed a non-trivial evolution. Combining structural (SAXS) and rheological characterization on boehmite dispersions obtained by osmotic stress experiments, it appears that a possible interpretation of such changes can be linked to the interplay between particle anisotropy and Debye length resulting in a characteristic interparticle arrangement that reduces filtration fluxes associated with a more resistant deposit formation. Lastly, the concentration profiles recorded from real-time in situ X-ray radiography tests at a resolution of 40 μm have evidenced distinct changes in shape of concentration gradient depending on ionic strength. A relevant aspect arising from the above results underlies the combined/complex role of particle size, anisotropy and bulk solution chemistry in defining particle transport mechanisms and deposit structuring in the context of optimization of filtration processes.