Pression colloïdale, (Pa)

(1)

1

Génie des interactions physico-chimiques :

Applications à la transformation de la matière molle

Patrice BACCHIN Enseignant Chercheur

Procédés de Séparation et Membranes

Université Paul Sabatier

Laboratoire de génie Chimique 31 062 TOULOUSE Cedex 9

Tel : 05 61 55 81 63 Fax : 05 61 55 61 39 Email : bacchin@chimie.ups-tlse.fr

Web : http://lgc.inp-toulouse.fr

Habilitation à diriger des recherches

Les interactions

entraînent un accroissement de complexité

(2)

2

Génie des interactions physico-chimiques

Interaction : organisation Réaction : transformation

Forces inter-particulaires (répulsives et attractives)

dues aux propriétés physico-chimiques des interfaces

(3)

Applications à la transformation de la matière molle

*Définition de l’IUPAC :

the supramolecular entities whose extension in at least one spatial direction lies between 1 nm and 1 µm

Dispersions colloïdales*

Etat de la matière

où les interactions jouent un rôle primordial

(4)

4

Interactions Génie des interactions

physico chimiques

Génie des interactions physico-chimiques

… Important areas of physical chemistry such as colloids … De Gennes “soft matter” should be revisited using the system approach and chemical engineering methods.

Jacques Villermaux, Future challenges for basic research in chemical engineering,

Chemical Engineering Science,48 (1993)

Génie de la réaction chimique

Phénomènes de transport

(5)

Synthétique : nanoparticule, latex…

Naturel : lait, eau …

Colloïdes

Formulation de fluides

Une discipline à développer pour répondre à des enjeux industriels importants.

Peintures Produits alimentaires Eaux et effluents Fluides biologiques Membrane, Catalyseur, Céramique, Ingénierie tissulaire Traitement de fluides

Elaboration de matériaux nano-structurés Génie des interactions physico-chimiques

(6)

6

Applications à la transformation de la matière molle

Filtration membranaire Co-dépôt de particules Adhésion et biofilm P

V _{Sur la dispersabilité dans le bain électrochimique} Sur l’intégration dans la matrice métallique

Objectif commun :

Maîtriser l’effet des interactions physico-chimiques sur des procédés et des processus

Sur le colmatage

Sur la formation de biofilm 

(7)

Applications à la transformation de la matière molle Filtration membranaire Co-dépôt de particules Adhésion et biofilm P V Production scientifique : 1 article de revue 14 publications 1 brevet 1 publication 1 brevet 90 % des activités de recherche passées 

(8)

8

Généralités

0,5 mm

0,5 mm 10 cm

Mode tangentielMode frontal

Flux de perméation J Membrane

Pression transmembranaire P

La filtration est limitée par le colmatage

Altération des performances de la membrane Augmentation des coûts de production

(9)

Le colmatage Polarisation de concentration (compressible) Modèle du gel Concentration de gel à la membrane « Modèle du film » Tiller (1975)

Une diversité de phénomènes …

diffusion convection compression osmose Dépôt Filtration sur dépôt

…décrits par des approches disjointes

Michaels (1968)

(10)

10

Le problème

Comment mettre à profit les interactions pour

anticiper et contrôler le colmatage?

« Colloid flux paradox »

Cohen et Probstein (1986)

Les modèles classiques ne peuvent pas expliquer le colmatage.

Le colmatage par les colloïdes

Comment les interactions

agissent sur le colmatage ?

Les colloïdes représentent une fraction particulièrement colmatante

(notamment en ultrafiltration).

Howe et Clark (2002)

Une nouvelle source de complexité : les interactions

(11)

Prise en compte de l’effet

d’interactions multiples

Conditions critiques

en filtration tangentielle

Thèse 1994

effet interaction particule / surface

Applications industrielles

Développement de

procédures expérimentales

spécifiques pour la détermination de conditions critiques

Extension des conditions critiques

au mode frontal

Modélisation /simulation

La démarche

Comment mettre à profit les interactions pour anticiper et contrôler le colmatage ?

Co mm en t le s i nte rac tio ns ag iss en t s ur le c olm ata ge ?

(12)

12 Expérimental Théorie Des propriétés de la matière molle à la réversibilité du colmatage Comment anticiper et contrôler le colmatage ? Simulation Etude dynamique de la filtration Modélisation Interactions et structures Propriétés relatives aux interactions La démarche

(13)

Phase “gaz” : mouvement des particules libre et aléatoire

Phase agrégat : Mouvement des

agrégats libre et aléatoire

Phase “liquide” : réseau de particules en répulsion (déplacement de position en position d’équilibre)

Phase “gel” : réseau élastique de

particules en attraction

Phase solide : réseau de particules

en contact Déstabilisation Phase “gaz“ Phase agrégats Phase solide Phase gel Phase “liquide“ Concentration

Comment les interactions structurent les dispersions colloïdales ?

(14)

14 Déstabilisation Phase ”gaz” Phase agrégats Phase solide Phase gel Phase ”liquide” Concentration

Formation irréversible de solide

Décomposition spinodale :

phénomène critique en terme de réversibilité

Les dispersions colloïdales concentrées

Comment les interactions structurent les dispersions colloïdales ?

(15)

Expérimental Théorie Des propriétés de la matière molle à la réversibilité du colmatage Simulation Etude dynamique de la filtration Modélisation basée sur les propriétés

Propriétés relatives aux interactions Interactions et transitions de phase Comment anticiper et contrôler le colmatage ?

(16)

16

Comment décrire cette complexité ?

Le problème des interactions électrostatiques semble a priori insoluble

Bernard Cabane, Sylvie Henon Liquides : solutions, dispersions, émulsions, gels (2003)

Calcul d’interactions

à partir des données sur les particules (charge, taille, …) Mesure directe des forces inter-particulaires (AFM …) Mesure indirecte des interactions par la détermination de propriétés macroscopiques La pression colloïdale Calcul

Approche de haute technicité limitée aux interactions entre

(17)

Quelle propriété peut décrire cette complexité ?

 

_w A a v RT ln   

Energie libre, G & F

V F G  

 



    0 3 2 3 2 dr dr dV r g r n nkT  T z n f      1 Activité de l’eau, a_w

Interactions multi-corps, V_T, dans un réseau structuré, g(r)

Une force, f

Thermodynamique

Mécanique

Pression osmotique colloïdale

La pression osmotique  est reliée aux paramètres décrivant la complexité

(non idéalité) de dispersions concentrées

(18)

18

+

Pression

colloïdale

=

« Equation d’état » pour les colloïdes dans l’eau qui décrit de façon continue les propriétés des colloïdes soumis à une concentration

Résistance à la surconcentration

Pression osmotique





gaz liquide liquide



: un descripteur continu de la dispersion

solide _crit Résistance à la compression dans un dépôt Pression de compression La pression colloïdale

(19)

19

Détermination expérimentale de la pression colloïdale

Espinasse B., Approche Théorique et Expérimentale de la Filtration Tangentielle de Colloïdes : Flux

 critique critique

gaz liquide solide

Mesure de la pression osmotique colloïdale par une méthode de compression chimique*

Description quantitative globale de l’effet des interactions

Particules de latex de PVC (115 nm)

Solution de dextrane

Détection des transitions de phase _{Fraction volumique, }_(-)

Pr es s ion colloï dale,  (Pa) La pression colloïdale

*Bonnet-Gonnet Cécile, Dégonflement et regonflement osmotiques de dispersions de latex, Thèse de

(20)

20 Expérimental Théorie Des propriétés de la matière molle à la réversibilité du colmatage Simulation Etude dynamique de la filtration Modélisation basée sur  Interactions et transitions de phase  () Comment anticiper et contrôler le colmatage ?

(21)

Comment décrire l’effet des interactions

sur les phénomènes de transport ?

Diffusion collective, D_c()

Propriété de transfert des particules dans un gradient de concentration

_p c

V

d

a

K

D











6 )

(

)

(

Pression colloïdale, () Coefficient de sédimentation, K()=U()/U₀ &

_D

c

(



)

K(



)

_d



Modélisation basée sur 

Equation de continuité pour le transfert de matière





d

J

K

a

dx

(

)

9

2







Transfert pour le solvant

P

J

_m







 1

0 Modèle du gel « Modèle du film » Filtration sur dépôt compressible

d



K(



)



_m

(22)

22

Modélisation basée sur 

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 100 1 10-5 2 10-5 3 10-5 4 10-5 5 10-5 6 10-5 7 10-5 Fra c ti on vol u m ique,  (-) Distance à la membrane, x (m) 100 s 1000 s 2000 s 3000 s 4000 s 5000 s temps Flux J = 110 L.h-1_.m-2  critique

Application en filtration frontale à flux constant

(23)

Sur une épaisseur de couche limite Sur une masse accumulée



  0 dx V_a  _ _ _f _(u₎ Péclet =

Énergie dissipée par friction sur les particules accumulées

Energie Brownienne



 





* * *

)

(

m b

d

K

D

JV

Pe

b a S





 





* * *

)

(

m b

d

K

D

J

Pe

b L





Filtration frontale Filtration tangentielle

Nombres de Péclet

* ) (   K d J D dx b   par integration de u Péclet critique crit crit crit crit

(24)

24

Conditions de filtration critiques

Pe

_crit

% (J.

)

_crit

Pe

_crit

% (J.V)

_crit

Filtration frontale Filtration tangentielle

Conditions de filtration critique 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0 10 20 30 40 J (m/s) u ( m /s ) Dépôt 0 200 400 600 800 1000 0 10 20 30 40 J (m/s) Vf ( L /m 2 ) Dépôt P_e S crit₌₉ 3 Pe L crit= 21 2 Dépôt

(25)

Expérimental Théorie Des propriétés de la matière molle à la réversibilité du colmatage Simulation Etude dynamique de la filtration Modélisation basée sur  Interactions et transitions de phase  () Comment anticiper et contrôler le colmatage ?

(26)

26

Transition de phase

entre phase dispersée et condensée

reliée à

Transition de colmatage

entre couche réversible et irréversible

(la décomposition spinodale est irréversible) Des propriétés de la matière molle à la réversibilité du colmatage

Etude dynamique de la filtration

Comment déterminer expérimentalement

les conditions critiques ?

(27)

Détermination expérimentale des conditions critiques

P t









comparaison du colmatage aux pas de pression  et  permet

de déterminer

l’irréversibilité au pas de pression 

Filtration tangentielle

B. Espinasse, P. Bacchin et P. Aimar (2002)

Etude dynamique de la filtration

Filtration frontale en alternant périodes de filtration et périodes de rinçage Module d’UF Module d’UF

(28)

28

Détermination expérimentale d’un volume filtré critique

0 1 1012 2 1012 3 1012 4 1012 0 50 100 150 200 250 300 Vf=35 L.m-2 Vf=74 L.m-2 Vf=84 L.m-2 ré si st a n ce a d it io n n e ll e ( m -1 ) volume cumulé (L.m-2)

Filtration frontale à flux constant (J= 110 L.h-1_.m-2_{) de}

particules de latex PVC (diamètre 120 nm 10-3 _{M en KCl) sur}

fibres creuses Etude dynamique de la filtration

(29)

29 0 2 1011 4 1011 6 1011 8 1011 1 1012 0 20 40 60 80 100 120 R é s ist an ce de co lm a tag e r é sid u e ll e (m -1 )

volume filtré par cycle (L.m-2)

volume filtré critique

0 20 40 60 80 100 120 140 0 10 20 30 40 J (m/s) Vf (L /m 2 ) Dépôt Dépôt Pour 10-3 _{M KCl}

Détermination expérimentale d’un volume filtré critique (2)

(30)

30 Expérimental Théorie Des propriétés de la matière molle à la réversibilité de la filtration Simulation Etude dynamique de la filtration Modélisation basée sur  Interactions et transitions de phase  () Comment anticiper et contrôler le colmatage ?

(31)

Intégration du modèle physico-chimique

dans des codes de calcul résolvant les transferts de quantité de mouvement et de matière

En tangentiel

- code avec une hydrodynamique simplifiée (P. Bacchin, D. Si-Hassen, V. starov, M.J. Clifton, P. Aimar, CES., 75, 1, (2002) 77-91)

- développement sur CFX

(P. Bacchin, B. Espinasse, Y. Bessiere, D.F. Fletcher, P. Aimar, Desalination, 192, (2006), 74-81)

En frontal

- développement en cours sur CFX

(Poste ATER Y. Bessière en collaboration avec D. Fletcher –University of Sydney)

Distributions

des conditions critiques dans le procédé

Simulation

Comment décrire l’impact des interactions sur le procédé ?

Débit de circulation Fraction volumique z x Membrane Polarisation Dépôt irréversible Flux de perm éatio n

(32)

32 Déstabilisation Phase ”gaz” Phase Agrégats Phase solide Phase gel Phase ”liquide” Concentration Simulation

(33)

Expérimental Théorie Des propriétés de la matière molle à la réversibilité de la filtration Simulation Etude dynamique de la filtration Modélisation basée sur  Interactions et transitions de phase  ()

Comment

anticiper et contrôler

le colmatage ?

(34)

34

Comment anticiper le colmatage ?

Le volume filtré critique :

un outil pour la mesure

de la stabilité d’une dispersion vis-à-vis de la filtration

Anticipation et contrôle du colmatage

0 1 1011 2 1011 3 1011 4 1011 0 20 40 60 80 100 120 140 160 J=50 L.h-1.m-2 J=80 L.h-1.m-2 Ré si st a n ce r é si d u e ll e ( m -1 )

Volume filtré par cycle (L.m-2)

Eau du Canal du midi 13,5 NTU,

UV254nm=6,9 m-1

(35)

Comment contrôler le colmatage ?

Développement de procédures de filtration sub-critiques

En frontal avec des rinçages pour des V_f< V_{f crit}

0 1 1012 2 1012 3 1012 4 1012 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 classique subcritique R é si st an ce addi ti o nne ll e ( m -1 ) Volume produit (L.m-2) Flux de filtration (L.h-1_.m-2₎ 50 50 Fréquence des rinçages (L.m-2₎ 25 -Fréquence des rétrolavages (L.m-2₎ 100 100 Réduction de 30 % de la consommation énergétique

(36)

36 Les interactions sont responsables de

conditions critiques de filtration : • (J.)_criten filtration tangentielle • (J.V_f)_criten filtration frontale

La pression colloïdale, , permet de décrire les phénomènes contrôlant la filtration : osmose, diffusion, compression.

Les modèles basés sur permettent de relier les

transitions de phase aux conditions du procédés

Les conditions critiques peuvent apparaître plus ou

moins progressivement (dans l’espace et le temps).

Des réponses et des avancées

Bilan

Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiper ou contrôler le colmatage. 0 20 40 60 80 100 120 140 0 10 20 30 40 J (m/s) Vf ( L /m 2) Dépôt

Procédures expérimentales spécifiques

Un verrou persistant

(37)

Bilan

Un descripteur continu pour les colloïdes

Modèle du film, du gel et des gâteaux compressibles

unifiant



 gas liquid liquid solid

_crit

Les interactions sont responsables de

conditions critiques de filtration :

• (J.)_criten filtration tangentielle

• (J.V_f)_criten filtration frontale

La pression colloïdale, , permet de décrire les phénomènes contrôlant la filtration : osmose, diffusion, compression.

Des réponses et des avancées

Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiper ou contrôler le colmatage.

43

Vers de nouvelles simulations

Poste ATER de Y. Bessiere en cours

Collaborations : Code commerciaux D. Fletcher –Université de Sydney-Simulation Numérique Directe E. Climent

M. Clifton

–LGC-Valorisation des études sur la modélisation des transferts

dans la matière molle concentrée par le développement de simulations

Pour avoir une meilleure prise en compte des

« hétérogénéités » liées au fonctionnement du procédé Pour avoir une description plus fine des interactions physico-chimiques et des transitions de phase

Simulation de la décomposition spinodale

Vers la simulation

(44)

44

Vers de nouveaux outils

Post doc 2007 Fermat P. Duru

–IMFT-Utilisation de micro-démonstrateurs pour une observation directe du transfert au voisinage d’un pore

Pour relier de façon univoque les variations macroscopiques de flux aux mécanismes de colmatage

Pour disposer de résultats dans un dispositif « modèle » à confronter aux simulations

Pour une mesure directe de Vf _crit: « stabilitomètre » Pour déterminer l’effet de la connectivité des pores sur le colmatage

Pour visualiser la déformation d’objet fragile dans un pore

Mechanism for clogging of micro-channels H.M. Wyss, D.L. Blair, J.F. Morris, H.A. Stone, D. A. Weitz Preprint

Vers de nouveaux outils

(45)

45

Vers de nouveaux procédés

GDR 2980 Structuration, consolidation et drainage de colloïdes –M.

Meireles-Extension de l’approche (et des outils de description des transferts

dans la matière molle concentrée) aux procédés ayant pour point commun d'amener progressivement la dispersion à se concentrer (centrifugation, évaporation, précipitation…)

Vers d’autres

Pour établir des relations entre / diagramme de phase / concentration / structure des phases formées

Pour dégager des critères de choix entre procédés fondés sur la physico-chimie de la dispersion

 résistance à la surconcentration

Génie des interactions physico chimiques

Phénomènes de transport

(46)

46

Vers les interactions biologiques

Vers les interactions biologiques

Dépôt d’ANR en 2006 en collaboration avec LISBP –INSA-, LBVM –UPS-, PBM

–Rouen-Extrapolation de l’approche (et des outils de description des transferts dans les systèmes interactifs) à d’autres types d’interactions structurantes présentes dans les milieux biologiques comme les biofilms.

Pour savoir comment les interactions entre bactéries (à l’aide de molécules « autoinductrices ») structurent le biofilm

Pour déterminer l’effet d’un flux sur la structuration d’un biofilm formé à la surface d’une membrane

(47)

Procédé

Transfert

Interface

Théorie Expérience _industrielleApplication

Modélisation Filtration

dynamique des procédésConduite

Convection diffusion DLVO Conditions critiques Caractérisation

des dispersions Classification d’eaux

Colmatage/ décolmatage

Une approche multi-échelle agrégeant différents

niveaux de connaissances et niveaux phénoménologiques

(48)

48 N. Abidine Degrémont Aquasource SFEC Y. Bessiere JC. Rouch D. Si-Hassen V. Starov M. Clifton S. Desclaux B. Espinasse

Projet Minefi Contrat de recherche Ifremer DGA GDR 2614 Doctorant P. Schmitz M. Mercier JP. Bonino F. Martin

Rio Tinto minerals

P. Barthes H. Lochard Turboméca Mecaprotec Prog.CNRS Projet région ASUPS Contrat de prestation D. Fletcher H. See ARC Contrat de recherche Danone C. Bramaud JP Lafaille M. Meireles GDR 2980 Fermat P. Duru R. Field B. Jefferson P. Aimar ANRs D. Paolucci JF Lahitte C. Compere ATUPS L3 M1 M2 PRO Procédés Physico-chimiques A7/N7 M2 Recherche Prepa Agreg IUP TMM REX A. Ayral C. Guigui C. Cabassud P. Aptel J. Ferret C. De Fraga M. Combacau

mais aussi des interactions humaines !

R.F. Cienfuegos M. Adoue G. Lesage M. Prata I. Boussaki E. Micromatis JL Trompette E. Climent Enseignement Partenaire International National Action structurante Interne Etudiant

(49)

Plan

1 - Introduction générale

Filtration de la matière molle 8 - Généralités 10 - Problème 11 - Démarche 13 - Interactions et phases 16 - Pression colloïdale 21 - -based modèle 26 - Etude expérimentale 31 - Simulation 34 - Applications Bilan 36 - Réponses et avancées 41 - Verrou persistant 42 - Perspectives 47 - Conclusions Détails Détails Détails Détails Résultats Détails Détails Détails Détails Détails