Du bilan aux perspectives

Les activités de recherche menées ont été, pour la plus grande part, focalisées sur l’étude du colmatage dans les procédés membranaires mais en alliant différents aspects de la recherche – les aspects expérimentaux (mise au point de la détermination de conditions critiques en filtration frontale et tangentielle) et théoriques (explication des conditions critiques par les interactions colloïdales)- et différents niveaux d’études –fondamental comme appliqué (application à la problématique de la production d’eau potable)-. Durant ces 10 années de recherche, un point commun a été de chercher à mettre en évidence et comprendre l’effet des interactions colloïdales sur le fonctionnement d’un procédé membranaire. Les conditions critiques de fonctionnement mises en évidence (première publication sur le flux critique en 1995 simultanément avec l’équipe Anglaise de J. Howell et R. Field de l’université de Bath) ont eu un impact important sur la communauté internationale étudiant le colmatage des membranes ; en 2005, 10% des publications sur le colmatage abordent les notions de flux critique (Bacchin et al. 2006 [85]). Au cours de ces années, l’application de ce concept à la filtration et à l’optimisation des conditions de fonctionnement s’est à la fois diversifié (à de nouvelles conditions de filtration et à de nouveaux fluides) et concrétisé à des applications industrielles variées.

A mes yeux, les retombées les plus importantes de l’ensemble de mon travail –et donc aussi le potentiel sur lequel s’appuyer dans le futur pour développer de nouvelles recherches pertinentes- sont les connaissances fondamentales développées autour de l’impact des interactions colloïdales sur la structuration de la matière au voisinage d’une paroi poreuse. Ces connaissances à la frontière entre la physico-chimie des colloïdes et le génie des procédés sont relativement originales car elles s’appuient sur l’application de l’approche du génie des procédés pour exprimer les conséquences des interactions colloïdales liées à la matière molle : thématique peu développée en France comme le soulignait en 2005 P.G. De Gennes [86] dans l’actualité chimique « …mais totalement ignorante de la "

matière molle ". Nous souffrons en France d'une certaine spécialisation du génie chimique. On n'y trouve pas toujours la variété de culture exhibée par les départements américains de Chemical Engineering. ».

Les perspectives de recherche en terme d’applications scientifiquement innovantes ne se situent plus forcément dans le domaine du colmatage des membranes qui a fait l’objet de nombreuses recherches avec un pic d’intérêt et de progression scientifique dans les années 1990. Il est donc nécessaire d’élargir ces travaux à de nouveaux champs d’investigation tout en continuant à valoriser les connaissances acquises. Les perspectives se déclinent ainsi à partir des mots clefs principaux de mes recherches antérieures « filtration membranaire » et « interactions colloïdales » avec des ambitions différentes (déclinées ci-dessous depuis le court terme vers le plus long terme) :

• La valorisation des acquis en développant la simulation 2D ou 3D de la filtration membranaire à partir de techniques classiques de CFD et/ou en s’ouvrant vers des techniques plus récentes (Boltzmann, DNS …) : section 5.3 « vers la simulation »

• La démonstration expérimentale par de nouvelles techniques d’observation directe de la matière molle lors de la filtration : section 5.2 « vers des démonstrateurs »

• L’extension de l’approche développée à d’autres procédés de transformation de la matière molle : section 5.1 « vers de nouveaux procédés »

• L’extrapolation des compétences sur l’effet des interactions sur la structuration de la matière aux fluides biologiques : section 5.4 « vers les fluides biologiques »

Perspectives de recherche et les mots clefs du septième PCRD :

La science est de plus en plus soumise au phénomène de mode. C’est ainsi que si vous travaillez sur les colloïdes dites que vous êtes un expert en nanoparticules ! Vous étudiez l’écoulement dans un réseau de colloïdes concentrés, dites que vous faites de la microfluidique ! Vous vous apercevez que vos approches permettent de réduire le colmatage dites que vous avez trouvé les conditions de

développement durable !

Vous travaillez sur les membranes dites que vous développez des matériaux nanostructurés ! Mais surtout ne dites pas que vous travaillez sur l’étude du colmatage par des colloïdes.

Les deux premières perspectives (partie supérieure de la figure 5-1) constituent ainsi une poursuite de mes activités à l’intersection des deux mots clefs caractérisant mes recherches passées mais avec des objectifs renouvelés : de valorisation en intégrant les modèles développés dans des codes commerciaux de simulation (afin de favoriser l’utilisation en tant qu’outils de la recherche antérieure) pour une part et d’autre part de démonstration nette en réalisant des observations directes des transitions de phases sur lesquelles s’appuient les modèles et l’analyse des résultats de filtration (afin de développer des outils expérimentaux).

Les deux autres perspectives constituent des ouvertures vers d’autres procédés (pour généraliser l’approche développée) mais aussi vers d’autres fluides qui présentent une complexité nouvelle liée à des interactions biologiques (pour extrapoler l’approche).

Figure 5-1 : Positionnement des quatre perspectives de recherche par rapport aux activités de recherche passées, focalisées autour de la filtration membranaire et des interactions colloïdales.

Procédés

EXTENSION

DEMONSTRATION

VALORISATION

EXTRAPOLATION

03/12/06 101

La ligne de conduite de ces recherches, dans la continuité de celle suivie durant les années antérieures, sera de trouver un équilibre en effectuant des allers-retours (le retour s’enrichissant de l’aller) entre :

o L’approche fondamentale et le développement d'outils appliqués pour l'ingénieur : c'est-à-dire une recherche pragmatique focalisée sur les phénomènes limitant le procédé mais aussi une source de création de savoir scientifique.

o Les expériences et la théorie : c’est à dire des expériences permettant de mettre en évidence de nouveaux besoins de recherche mais aussi de confirmer ou d’infirmer des théories et des modèles et simulations théoriques dont l'élaboration puis l’utilisation permettent de synthétiser, d’intégrer et de digérer les connaissances sur les processus intervenant dans un procédé.

Cette façon de conduire les activités de recherche doit permettre d'allier créativité (en se basant sur une approche pluridisciplinaire et à différents niveaux) et réalisme (face à la complexité des problèmes). L’aspect développement de modèle et simulation continuera à constituer une part importante des recherches.

5.1. Vers de nouveaux procédés

(projet ayant fait l’objet d’une demande de bourse de thèse MESR « Procédés de transformation de la matière

molle : étude du couplage entre propriétés dynamiques et d’équilibre de la matière et fonctionnement du procédé » en 2005)

La concentration de suspensions colloïdales est un processus présent dans de très nombreux procédés et dans des domaines variés (agroalimentaire : concentration du lait, matériaux : élaboration de céramiques, environnement : traitement d’effluent, déshydratation de boues …).

Il existe différentes façons de procéder pour concentrer des colloïdes :

o par déstabilisation (par changement de phase de la phase dispersée) : les procédés d’agrégation, de floculation, de cristallisation et de précipitation mettent en jeu une déstabilisation par ajout d’un tiers corps (sels, floculant) ou en diminuant la température (cristallisation) par changement de solvant.

o par élimination du solvant (par changement de phase du solvant) lors de l’évaporation et du séchage qui peuvent intervenir pour la déshydratation de boues mais aussi dans des procédés comme les procédés sol-gel.

o par une force externe dans des procédés comme la centrifugation (force centrifuge) ou comme la filtration (force de perméation) ou comme l’électrodéposition (force électrique). Le point commun de ces procédés est d’amener progressivement la suspension à se concentrer. Dans un diagramme de phase représenté en 3 dimensions (concentration de la phase dispersée, concentration d’un tiers corps et température) chacun des procédés est caractérisé par une « route » conduisant à la concentration de la matière et souvent associée à un (ou des) changement(s) de phase.

Figure 5-2 : Les différentes routes pour la transformation de la matière colloïdale selon les procédés.

Ces différentes routes sont toutes le résultat des conditions opératoires qui conditionnent la concentration par le biais de la résistance à la concentration relative aux propriétés colloïdales de la phase dispersée. Comme cela a été démontré avec les nombres de Péclet (section 3.2) pour la filtration, cet équilibre peut s’écrire de façon générale et symbolique :

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