Formation et stabilité d'émulsions de Pickering dans des milieux poreux modèles

Formation and stability of Pickering emulsions in model porous media

• Auteur / Autrice : Shuxin Wang
• Direction : Antonio Rodriguez de castro
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : TREFLE : Fluides et Transferts

Mots clés

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Milieux poreux

Méthodes expérimentales

Physico-chimie

Phénomènes d'interface

Fluid mechanics

Porous media

Experimental methods

Physical Chemistry

Phénomènes d'interface

Résumé

Formation et stabilité des émulsions de Pickering en milieu poreux modèle La pollution des sols est indéniablement un problème mondial qui impacte la vie de nombreuses personnes et affecte la biodiversité. La pollution est en partie une conséquence du patrimoine industriel d'une région et de pratiques issues d'une époque où la préservation de l'environnement n'était pas une priorité. Toutes les pollutions ne se dégradent pas naturellement et, sans intervention humaine, elles persisteront. S'il est possible de construire un nouveau récit social en créant des emplois avec la réindustrialisation, il est plus difficile d'effacer les impacts environnementaux, qui sont désormais au centre des préoccupations des citoyens. Les mauvaises pratiques et les accidents persistent. Les milieux urbains et agricoles sont de plus en plus contaminés par de multiples molécules : pesticides, solvants organiques chlorés, nitrates, métaux lourds (chrome, mercure, nickel, argent, cadmium), arsenic, etc. Ces molécules peuvent potentiellement s'infiltrer dans les nappes phréatiques. De tels problèmes de pollution des aquifères souterrains impliquent des fluides non miscibles dans des milieux poreux. Diverses stratégies de remédiation existent en fonction de l'importance de la pollution et des installations disponibles. A noter qu'en dehors de la dépollution des sols, ce type de systèmes existe aussi dans les techniques de Récupération Assistée du Pétrole : une phase huileuse et une phase aqueuse contenues dans un solide poreux. Dans le problème de dépollution, le nettoyage des zones polluées peut être réalisé dans certains cas en utilisant un traitement ex-situ consistant en l'excavation de la zone polluée et son traitement au moyen de tensioactif et de vapeur. Cependant, les traitements ex-situ sont coûteux et difficiles à mettre en œuvre, de sorte que des techniques de remédiation in-situ sont généralement nécessaires. L'injection d'émulsions de Pickering est une technique prometteuse pour la remédiation in-situ des aquifères contaminés. Les émulsions de Pickering sont des émulsions maintenues ensemble par de petites particules solides qui résident de manière irréversible à l'interface fluide. Les particules occupent une zone qui laisserait autrement les deux liquides en contact, ce qui entraîne des énergies d'attachement élevées. Ces émulsions sont souvent plus stables que les émulsions stabilisées par des tensioactifs (en particulier à haute température ou à haute salinité), qui ne sont maintenues dynamiquement que par des agents chimiques. Les émulsions de Pickering peuvent être potentiellement utilisées comme agents de contrôle de la mobilité dans les sols présentant une hétérogénéité microstructurale, permettant la stabilisation du front d'injection. La production d'émulsions de Pickering stables est essentielle pour empêcher l'agrégation, la sédimentation rapide ou le crémage et la migration insatisfaisante à travers le sol. La viscosité de ces émulsions, qui dépend de la taille des gouttelettes dispersées, affecte fortement leur stabilité. Par conséquent, les effets du processus de formation sur la taille des gouttelettes doivent être soigneusement évalués. De plus, même si elles sont stabilisées, les gouttelettes dispersées peuvent être retenues dans les étranglements des pores, réduisant la perméabilité et la porosité du milieu poreux, entraînant son colmatage et une forte augmentation de la pression d'injection, avec un impact négatif sur la mobilité et la répartition finale des émulsions. Compte tenu des éléments précédents, les objectifs de cette thèse sont les suivants : - Formuler, préparer et caractériser des émulsions de Pickering stables, chargées ou non de particules réactives, pouvant être utilisées pour améliorer l'atténuation des polluants. - Caractériser la rhéologie de telles émulsions lors de leur écoulement en milieu poreux et analyser ses effets sur les caractéristiques hydrodynamiques et l'étendue de la zone accessible par l'émulsion pour différentes conditions d'injection bien maîtrisées. - Décrypter les relations existantes entre le procédé de génération d'émulsions (émulsions pré-générées ou génération in-situ) et l'efficacité du traitement de dépollution des sols pour différentes conditions d'injection. - Proposer un modèle pour déterminer, à partir des caractéristiques microscopiques (distribution de la taille des pores, tortuosité...), les corrélations effectives qui relient les paramètres du procédé (fluide utilisé, vitesse d'injection...) et la quantité de polluant récupérée. Pour y parvenir, les mécanismes microscopiques seront d'abord étudiés par des expériences numériques et microfluidiques. Les résultats escomptés de cette thèse sont très attendus en génie de l'environnement et en biomédecine (émulsions chargées en particules pour le diagnostic et le traitement des maladies tumorales…).

Formation and stability of Pickering emulsions in model porous media Soil pollution is undeniably a global problem that impacts the lives of many people and affects biodiversity. Pollution is partly a consequence of the industrial heritage of a region and practices stemming from a time when the preservation of the environment was not a priority. Not all pollution degrades naturally and, without human intervention, it will persist. While it is possible to build a new social narrative by creating jobs with reindustrialization, it is more difficult to erase the environmental impacts, which are now at the center of citizens' concerns. Bad practices and accidents persist. Urban and agricultural environments are increasingly contaminated by multiple molecules: pesticides, chlorinated organic solvents, nitrates, heavy metals (chromium, mercury, nickel, silver, cadmium), arsenic, etc. These molecules can potentially seep into groundwater. Such underground aquifer pollution problems involve non-miscible fluids in porous media. Various remediation strategies exist depending on the extent of the pollution and the available facilities. It should be noted that, apart from soil remediation, this type of systems also exists in Enhanced Oil Recovery techniques: an oily phase and an aqueous phase contained in a porous solid. In the remediation problem, the cleaning of the polluted zones may be performed in some cases by using an ex-situ treatment consisting in the excavation of the polluted area and its treatment by means of surfactant and steam. However, ex-situ treatments are expensive and hard to implement, so in-situ remediation techniques are generally required. The injection of Pickering emulsions is a promising technique for the in-situ remediation of contaminated aquifers. Pickering emulsions are emulsions held together by small solid particles that reside irreversibly at the fluid interface. Particles occupy an area that would otherwise leave the two liquids in contact, resulting in high attachment energies. These emulsions are often more stable than surfactant-stabilized emulsions (especially at high temperature or high salinity), which are only dynamically held together by chemical agents. Pickering emulsions can be potentially used as mobility-control agents in soils presenting microstructural heterogeneity, allowing for the stabilization of the injection front. Producing stable Pickering emulsions is essential to prevent aggregation, rapid sedimentation or creaming and unsatisfactory migration through the soil. The viscosity of these emulsions, which depends on the size of the dispersed droplets, strongly affects their stability. Therefore, the effects of the formation process on droplet size must be carefully assessed. Moreover, even if they are stabilized, the dispersed droplets can be retained in the constrictions of the pores, reducing the permeability and the porosity of the porous medium, leading to its clogging and a strong increase in the injection pressure, with a negative impact on the mobility and the final distribution of the emulsions. Considering the previous elements, the objectives of this PhD are as follows: - Formulate, prepare and characterize stable Pickering emulsions, loaded or not with reactive particles, that can be used to improve pollutant mitigation. - Characterize the rheology of such emulsions during flow through porous media and analyze its effects on the hydrodynamics features and the extent of the zone accessed by the emulsion for different well-controlled injection conditions. - Decipher the existing relationships between the emulsion generation procedure (pre-generated emulsions or in-situ generation) and the effectiveness of the soil remediation treatment for different injection conditions. - Propose a model to determine, from the microscopic characteristics (pore size distribution, tortuosity...), the effective correlations which relate the process parameters (fluid used, injection velocity...) and the amount of pollutant being recovered. To achieve this, the microscopic mechanisms will first be studied through numerical and microfluidic experiments. The expected results of this thesis are eagerly awaited in environmental engineering and biomedicine (emulsions charged with particles for diagnosis and treatment of tumor diseases, etc.).