1 Génie des interactions physico-chimiques : Applications à la transformation de la matière molle Patrice BACCHIN Enseignant Chercheur Procédés de Séparation.

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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.frbacchin@chimie.ups-tlse.fr Web : http://lgc.inp-toulouse.frhttp://lgc.inp-toulouse.fr 23 Octobre 2006 Habilitation à diriger des recherches Les interactions entraînent un accroissement de complexité source de l’émergence de performances inattendues. Albert Jacquard, L’équation du nénuphar.

2 2 Génie des interactions physico-chimiques Introduction Interaction : organisation Réaction : transformation Forces inter-particulaires (répulsives et attractives) dues aux propriétés physico-chimiques des interfaces

3 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 Introduction

4 4 Interactions Génie des interactions physico chimiques Génie des interactions physico-chimiques Introduction … 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 Réaction

5 5 Synthétique : nanoparticule, latex… Naturel : lait, eau … Colloïdes Formulation de fluides Une discipline à développer pour répondre à des enjeux industriels importants. Introduction 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 Introduction PP V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 7 Applications à la transformation de la matière molle Filtration membranaire Co-dépôt de particules Adhésion et biofilm Introduction PP VV Production scientifique : 1 article de revue 14 publications 1 brevet 1 publication 1 brevet 90 % des activités de recherche passées 

8 8 Filtration de la matière molle Généralités 0,5 mm 10 cm Mode tangentiel Mode 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 9 Le colmatage Filtration de la matière molle 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) Généralités

10 10 Filtration de la matière molle 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 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 Filtration de la matière molle La démarche Comment mettre à profit les interactions pour anticiper et contrôler le colmatage ? Comment les interactions agissent sur le colmatage ?

12 12 ExpérimentalThéorie 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 Filtration de la matière molle La démarche

13 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 ? Filtration de la matière molle Les dispersions colloïdales concentrées

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 Filtration de la matière molle Comment les interactions structurent les dispersions colloïdales ? ?

15 15 ExpérimentalThéorie 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 Filtration de la matière molle 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) Filtration de la matière molle 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 deux particules

17 17 Quelle propriété peut décrire cette complexité ? Energie libre, G & F 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 Filtration de la matière molle La pression colloïdale

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   gazliquide  : un descripteur continu de la dispersion solide  crit Résistance à la compression dans un dépôt Pression de compression Filtration de la matière molle 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 et Colmatage, Thèse de l'Université Paul Sabatier, Toulouse, (2003)  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,  (-) Pression colloïdale,  (Pa) Filtration de la matière molle La pression colloïdale *Bonnet-Gonnet Cécile, Dégonflement et regonflement osmotiques de dispersions de latex, Thèse de l’université Paris 6 (1993)

20 20 ExpérimentalThéorie 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  (  ) Filtration de la matière molle Comment anticiper et contrôler le colmatage ?

21 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 Pression colloïdale,  (  ) Coefficient de sédimentation, K(  )=U(  )/U 0 & Dc()Dc() K(  ) dd Modélisation basée sur  Filtration de la matière molle Equation de continuité pour le transfert de matière Transfert pour le solvant Modèle du gel « Modèle du film » Filtration sur dépôt compressible dd K(  ) mm

22 22 Filtration de la matière molle Modélisation basée sur  Flux J = 110 L.h -1.m -2  critique Application en filtration frontale à flux constant Y. Bessière, Thèse de l’université Paul Sabatier (2005)

23 23 Sur une épaisseur de couche limite Sur une masse accumulée Péclet = Énergie dissipée par friction sur les particules accumulées Energie Brownienne Filtration frontale Filtration tangentielle Nombres de Péclet par integration de u Péclet critique crit Filtration de la matière molle Modélisation basée sur 

24 24 Conditions de filtration critiques Pe crit % (J.  ) crit Pe crit % (J.V) crit Filtration frontale Filtration tangentielle Conditions de filtration critique Pe S crit=93 Pe L crit=212 Filtration de la matière molle Dépôt Modélisation basée sur 

25 25 ExpérimentalThéorie 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  (  ) Filtration de la matière molle 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 Filtration de la matière molle Comment déterminer expérimentalement les conditions critiques ?

27 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 de la matière molle Filtration frontale en alternant périodes de filtration et périodes de rinçage Module d’UF Y. Bessiere, P. Bacchin et N. Abidine (2006)

28 28 Détermination expérimentale d’un volume filtré critique 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 Filtration de la matière molle

29 29 Bessiere Y., P. Bacchin et N. Abidine 2006 Dépôt Pour 10 -3 M KCl Détermination expérimentale d’un volume filtré critique (2) Etude dynamique de la filtration Filtration de la matière molle

30 30 ExpérimentalThéorie 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  (  ) Filtration de la matière molle Comment anticiper et contrôler le colmatage ?

31 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 Filtration de la matière molle Comment décrire l’impact des interactions sur le procédé ?

32 32 Déstabilisation Phase ”gaz” Phase Agrégats Phase solide Phase gel Phase ”liquide” Concentration Simulation Filtration de la matière molle

33 33 ExpérimentalThéorie 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  (  ) Filtration de la matière molle 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 Filtration de la matière molle Eau du Canal du midi 13,5 NTU, UV254nm=6,9 m -1 COD=5 ppm

35 35 Comment contrôler le colmatage ? Développement de procédures de filtration sub-critiques En frontal avec des rinçages pour des V f < V f crit Flux de filtration (L.h -1.m -2 ) 50 Fréquence des rinçages (L.m -2 ) 25- Fréquence des rétrolavages (L.m - 2 ) 100 Réduction de 30 % de la consommation énergétique Anticipation et contrôle du colmatage Filtration de la matière molle

36 36 Les interactions sont responsables de conditions critiques de filtration : (J.  ) crit en filtration tangentielle (J.V f ) crit en 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 Filtration de la matière molle Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiper ou contrôler le colmatage. Procédures expérimentales spécifiques Un verrou persistant Les simulations ne sont pas prédictives.

37 37 Bilan Filtration de la matière molle Un descripteur continu pour les colloïdes Modèle du film, du gel et des gâteaux compressibles unifiant Les interactions sont responsables de conditions critiques de filtration : (J.  ) crit en filtration tangentielle (J.V f ) crit en 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 Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiper ou contrôler le colmatage. Un verrou persistant Les simulations ne sont pas prédictives.

38 38 Bilan Filtration de la matière molle Pe S crit=93 Nombre de Péclet critique Les interactions sont responsables de conditions critiques de filtration : (J.  ) crit en filtration tangentielle (J.V f ) crit en 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 Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiper ou contrôler le colmatage. Un verrou persistant Les simulations ne sont pas prédictives.

39 39 Bilan Filtration de la matière molle Flux critique à la sortie Les interactions sont responsables de conditions critiques de filtration : (J.  ) crit en filtration tangentielle (J.V f ) crit en 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 Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiper ou contrôler le colmatage. Un verrou persistant Les simulations ne sont pas prédictives.

40 40 Bilan Filtration de la matière molle Opérations en mode sub-critique Les interactions sont responsables de conditions critiques de filtration : (J.  ) crit en filtration tangentielle (J.V f ) crit en 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 Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiper ou contrôler le colmatage. Un verrou persistant Les simulations ne sont pas prédictives.

41 41 Bilan Filtration de la matière molle Les interactions sont responsables de conditions critiques de filtration : (J.  ) crit en filtration tangentielle (J.V f ) crit en 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 Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiper ou contrôler le colmatage. Un verrou persistant Les simulations ne sont pas prédictives. Pe S crit=93

42 42 Procédés EXTENSION DEMONSTRATION Théorie Expérimental Matière Vers d’autres procédés Vers de nouveaux outils Vers la simulation Conditions critiques de filtration Vers les interactions biologiques VALORISATION Interactions colloïdales Filtration membra- -naire Perspectives EXTRAPOLATION

43 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 –LGC- M. Clifton –LGC- Valorisation des études sur la modélisation des transferts dans la matière molle concentrée par le développement de simulations Perspectives 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 de colloïdes. B. Piaud (travaux en cours) 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 Perspectives 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…) Perspectives Vers d’autres procédés 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 Interactions

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 Perspectives

47 47 Procédé Transfert Interface Théorie Expérience Application industrielle Modélisation Filtration dynamique Conduite des procédés 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 Conclusions Le génie des procédés : une interaction de disciplines …

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 Le génie des procédés : la discipline des interactions Des interactions physico-chimiques

49 49 Plan 1 - Introduction généraleIntroduction générale Filtration de la matière molle 8 - GénéralitésGénéralités 10 - ProblèmeProblème 11 - DémarcheDémarche 13 - Interactions et phasesInteractions et phases 16 - Pression colloïdalePression colloïdale 21 -  -based modèle -based modèle 26 - Etude expérimentaleEtude expérimentale 31 - SimulationSimulation 34 - ApplicationsApplications Bilan 36 - Réponses et avancéesRéponses et avancées 41 - Verrou persistantVerrou persistant 42 - PerspectivesPerspectives 47 - ConclusionsConclusions Détails Résultats Détails