Génie des interactions physico-chimiques : Applications à la transformation de la matière molle

1. 23 Octobre 2006 Habilitation à diriger des recherches Génie des interactions physico-chimiques : Applications à la transformation de la matière molle PatriceBACCHIN 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 Les interactions entraînent un accroissement de complexité source de l’émergence de performances inattendues. Albert Jacquard, L’équation du nénuphar.

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

3. Introduction Applications à la transformation de la matière molle Etat de la matière où les interactions jouent un rôle primordial Dispersionscolloïdales* *Définition de l’IUPAC : the supramolecular entities whose extension in at least one spatial direction lies between 1 nm and 1 µm

4. Introduction 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 des interactions physico chimiques  Interactions Réaction Génie de la réaction chimique Phénomènes de transport

5. Introduction Génie des interactions physico-chimiques Une discipline à développer pour répondre à des enjeux industriels importants. Synthétique : nanoparticule, latex… Naturel : lait, eau … Colloïdes Peintures Produits alimentaires Eaux et effluents Fluides biologiques Membrane, Catalyseur, Céramique, Ingénierie tissulaire Formulation de fluides Traitement de fluides Elaboration de matériaux nano-structurés

6. Introduction Applications à la transformation de la matière molle Objectif commun : Maîtriser l’effet des interactions physico-chimiques sur des procédés et des processus DP Sur le colmatage Filtration membranaire Sur la dispersabilité dans le bain électrochimique Sur l’intégration dans la matrice métallique DV Co-dépôt de particules Sur la formation de biofilm Dm Adhésion et biofilm

7. Introduction Applications à la transformation de la matière molle Production scientifique : 1 article de revue 14 publications 1 brevet 1 publication 1 brevet DP 90 % des activités de recherche passées Filtration membranaire DV Co-dépôt de particules Dm Adhésion et biofilm

8. Filtration de la matière molle Généralités 10 cm 0,5 mm 0,5 mm Pression transmembranaire DP Mode frontal Mode tangentiel Membrane Flux de perméation J • La filtration est limitée par le colmatage • Altération des performances de la membrane • Augmentation des coûts de production

9. Filtration de la matière molle Généralités Le colmatage Une diversité de phénomènes … Dépôt Polarisation de concentration diffusion convection compression Concentration de gel à la membrane osmose Filtration sur dépôt « Modèle du film » Modèle du gel (compressible) Tiller (1975) Michaels (1968) …décrits par des approches disjointes

10. Filtration de la matière molle Le problème Le colmatage par les colloïdes Les colloïdes représentent une fraction particulièrement colmatante (notamment en ultrafiltration). Howe et Clark (2002) Les modèles classiques ne peuvent pas expliquer le colmatage. « Colloid flux paradox » Cohen et Probstein (1986) Une nouvelle source de complexité : les interactions Comment les interactions agissent sur le colmatage ? Comment mettre à profit les interactions pour anticiper et contrôler le colmatage?

11. Filtration de la matière molle La démarche Thèse 1994 effet interaction particule / surface Comment mettre à profit les interactions pour anticiper et contrôler le colmatage ? Applications industrielles Développement de procédures expérimentales spécifiques pour la détermination de conditions critiques Conditions critiques en filtration tangentielle Extension des conditions critiques au mode frontal Prise en compte de l’effet d’interactions multiples Comment les interactions agissent sur le colmatage ? Modélisation /simulation

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

13. Filtration de la matière molle Les dispersions colloïdales concentrées Comment les interactions structurent les dispersions colloïdales ? Déstabilisation Phase “gaz” : mouvement des particules libre et aléatoire Phase gel Phaseagrégat : Mouvement des agrégats libre et aléatoire Phase agrégats Phase “liquide” : réseau de particules en répulsion (déplacement de position en position d’équilibre) Phase solide Phase “gaz“ Phase“gel” : réseau élastique de particules en attraction Phase “liquide“ Phasesolide : réseau de particules en contact Concentration

14. Filtration de la matière molle Les dispersions colloïdales concentrées Comment les interactions structurent les dispersions colloïdales ? Déstabilisation Phase gel Formation irréversible de solide Décompositionspinodale : Phase agrégats Phase solide Phase ”gaz” phénomène critique en terme de réversibilité ? Phase ”liquide” Concentration

15. Filtration de la matière molle Expérimental Théorie Interactions et transitions de phase Des propriétés de la matière molle Propriétés relatives aux interactions Modélisation basée sur les propriétés à la réversibilité du colmatage Etude dynamique de la filtration Simulation Comment anticiper et contrôler le colmatage ?

16. Filtration de la matière molle La pression colloïdale Comment décrire cette complexité ? Calcul Mesure indirecte des interactions par la détermination de propriétés macroscopiques Mesure directe des forces inter-particulaires (AFM …) Calcul d’interactions à partir des données sur les particules (charge, taille, …) Le problème des interactions électrostatiques semble a priori insoluble Bernard Cabane, Sylvie Henon Liquides : solutions, dispersions, émulsions, gels (2003) Approche de haute technicité limitée aux interactions entre deux particules

17. Filtration de la matière molle La pression colloïdale Quelle propriété peut décrire cette complexité ? Thermodynamique Energie libre, G & F Activité de l’eau, aw Pression osmotique colloïdale Interactions multi-corps, VT, dans un réseau structuré, g(r) Une force, f La pression osmotique P est reliée aux paramètres décrivant la complexité (non idéalité) de dispersions concentrées Mécanique

18. Filtration de la matière molle La pression colloïdale P : un descripteur continu de la dispersion P solide liquide gaz liquide f fcrit Résistance à la compression dans un dépôt Pression de compression Résistance à la surconcentration Pression osmotique + « Equation d’état » pour les colloïdes dans l’eau qui décrit de façon continue les propriétés des colloïdes soumis à une concentration = Pression colloïdale

19. Filtration de la matière molle La pression colloïdale Détermination expérimentale de la pression colloïdale Mesure de la pression osmotique colloïdale par une méthode de compression chimique* gaz liquide solide Particules de latex de PVC (115 nm) P critique Pression colloïdale, P (Pa) Solution de dextrane Description quantitative globale de l’effet des interactions f critique Détection des transitions de phase Fraction volumique, f (-) *Bonnet-Gonnet Cécile, Dégonflement et regonflement osmotiques de dispersions de latex, Thèse de l’université Paris 6 (1993) Espinasse B., Approche Théorique et Expérimentale de la Filtration Tangentielle de Colloïdes : Flux Critique et Colmatage, Thèse de l'Université Paul Sabatier, Toulouse, (2003)

20. Filtration de la matière molle Expérimental Théorie Interactions et transitions de phase Des propriétés de la matière molle P (f) Modélisation basée sur P(f) à la réversibilité du colmatage Etude dynamique de la filtration Simulation Comment anticiper et contrôler le colmatage ?

21. Filtration de la matière molle Modélisation basée sur P Comment décrire l’effet des interactions sur les phénomènes de transport ? Diffusion collective, Dc(f) Propriété de transfert des particules dans un gradient de concentration dP K(f) Pression colloïdale, P(f) & Dc(f) Coefficient de sédimentation, K(f)=U(f)/U0 Equation de continuité pour le transfert de matière « Modèle du film » K(f) dP Modèle du gel Transfert pour le solvant Filtration sur dépôt compressible Pm

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

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

24. Filtration de la matière molle Modélisation basée sur P Conditions de filtration critiques Filtration tangentielle Filtration frontale Pe crit % (J.d)crit Pe crit % (J.V)crit PeS crit=93 PeL crit=212 Dépôt Conditions de filtration critique

25. Filtration de la matière molle Expérimental Théorie Interactions et transitions de phase Des propriétés de la matière molle P (f) Modélisation basée sur P(f) à la réversibilité du colmatage Etude dynamique de la filtration Simulation Comment anticiper et contrôler le colmatage ?

26. Filtration de la matière molle Etude dynamique de la filtration Comment déterminer expérimentalement les conditions critiques ? 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

27. Filtration de la matière molle Module d’UF Module d’UF Etude dynamique de la filtration Détermination expérimentale des conditions critiques Filtration frontale en alternant périodes de filtration et périodes de rinçage Filtration tangentielle P     t comparaison du colmatage aux pas de pression et  permet de déterminer l’irréversibilité au pas de pression  Y. Bessiere, P. Bacchin et N. Abidine (2006) B. Espinasse, P. Bacchin et P. Aimar (2002)

28. Filtration de la matière molle Etude dynamique de la filtration 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

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

30. Filtration de la matière molle Expérimental Théorie Interactions et transitions de phase Des propriétés de la matière molle P (f) Modélisation basée sur P(f) à la réversibilité de la filtration Etude dynamique de la filtration Simulation Comment anticiper et contrôler le colmatage ?

31. Filtration de la matière molle Simulation Comment décrire l’impact des interactions sur le procédé ? • Intégration du modèle physico-chimique • dans des codes de calcul résolvant les transferts • de quantité de mouvement et de matière En frontal - développement en cours sur CFX (Poste ATER Y. Bessière en collaboration avec D. Fletcher –University of Sydney) • 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) • Distributions • des conditions critiques • dans le procédé

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

33. Filtration de la matière molle Expérimental Théorie Interactions et transitions de phase Des propriétés de la matière molle P (f) Modélisation basée sur P(f) à la réversibilité de la filtration Etude dynamique de la filtration Simulation Comment anticiper et contrôler le colmatage ?

34. Filtration de la matière molle Anticipation et contrôle du colmatage 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 Eau du Canal du midi 13,5 NTU, UV254nm=6,9 m-1 COD=5 ppm

35. Filtration de la matière molle Anticipation et contrôle du colmatage Comment contrôler le colmatage ? Développement de procédures de filtration sub-critiques En frontal avec des rinçages pour des Vf < Vfcrit Réduction de 30 % de la consommation énergétique

36. Filtration de la matière molle Bilan Des réponses et des avancées Procédures expérimentales spécifiques • Les interactions sont responsables de • conditions critiques de filtration : • (J.d)crit en filtration tangentielle • (J.Vf)crit en filtration frontale La pression colloïdale, P, permet de décrire les phénomènes contrôlant la filtration : osmose, diffusion, compression. Les modèles basés sur P 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). Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiper ou contrôler le colmatage. Un verrou persistant Les simulations ne sont pas prédictives.

37. Filtration de la matière molle Bilan Des réponses et des avancées • Les interactions sont responsables de • conditions critiques de filtration : • (J.d)crit en filtration tangentielle • (J.Vf)crit en filtration frontale Un descripteur continu pour les colloïdes La pression colloïdale, P, permet de décrire les phénomènes contrôlant la filtration : osmose, diffusion, compression. Les modèles basés sur P permettent de relier les transitions de phase aux conditions du procédés unifiant Les conditions critiques peuvent apparaître plus ou moins progressivement (dans l’espace et le temps). Modèle du film, du gel et des gâteaux compressibles Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiper ou contrôler le colmatage. Un verrou persistant Les simulations ne sont pas prédictives.

38. Filtration de la matière molle PeS crit=93 Bilan Des réponses et des avancées • Les interactions sont responsables de • conditions critiques de filtration : • (J.d)crit en filtration tangentielle • (J.Vf)crit en filtration frontale La pression colloïdale, P, permet de décrire les phénomènes contrôlant la filtration : osmose, diffusion, compression. Nombre de Péclet critique Les modèles basés sur P 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). Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiper ou contrôler le colmatage. Un verrou persistant Les simulations ne sont pas prédictives.

39. Filtration de la matière molle Bilan Des réponses et des avancées • Les interactions sont responsables de • conditions critiques de filtration : • (J.d)crit en filtration tangentielle • (J.Vf)crit en filtration frontale La pression colloïdale, P, permet de décrire les phénomènes contrôlant la filtration : osmose, diffusion, compression. Les modèles basés sur P permettent de relier les transitions de phase aux conditions du procédés Flux critique à la sortie Les conditions critiques peuvent apparaître plus ou moins progressivement (dans l’espace et le temps). Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiper ou contrôler le colmatage. Un verrou persistant Les simulations ne sont pas prédictives.

40. Filtration de la matière molle Bilan Des réponses et des avancées • Les interactions sont responsables de • conditions critiques de filtration : • (J.d)crit en filtration tangentielle • (J.Vf)crit en filtration frontale La pression colloïdale, P, permet de décrire les phénomènes contrôlant la filtration : osmose, diffusion, compression. Les modèles basés sur P permettent de relier les transitions de phase aux conditions du procédés Opérations en mode sub-critique Les conditions critiques peuvent apparaître plus ou moins progressivement (dans l’espace et le temps). Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiper ou contrôler le colmatage. Un verrou persistant Les simulations ne sont pas prédictives.

41. Filtration de la matière molle PeS crit=93 Bilan Des réponses et des avancées • Les interactions sont responsables de • conditions critiques de filtration : • (J.d)crit en filtration tangentielle • (J.Vf)crit en filtration frontale La pression colloïdale, P, permet de décrire les phénomènes contrôlant la filtration : osmose, diffusion, compression. Les modèles basés sur P 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). Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiper ou contrôler le colmatage. Un verrou persistant Les simulations ne sont pas prédictives.

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

43. Perspectives Vers la simulation 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 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)

44. Perspectives Vers de nouveaux outils 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

45. Perspectives 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…) P résistance à la surconcentration Pour établir des relations entre P / diagramme de phase / concentration / structure des phases formées Pour dégager des critères de choix entre procédés fondés sur la physico-chimie de la dispersion Génie des interactions physico chimiques  Interactions Vers d’autres procédés Phénomènes de transport

46. Perspectives 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 Vers les interactions biologiques

47. Conclusions Une approche multi-échelle agrégeant différents niveaux de connaissances et niveaux phénoménologiques Filtration dynamique Conduite des procédés Procédé Modélisation Convection diffusion Conditions critiques Colmatage/ décolmatage Transfert Caractérisation des dispersions Classification d’eaux DLVO Interface Application industrielle Expérience Théorie Le génie des procédés : une interaction de disciplines …

48. Le génie des procédés : la discipline des interactions Des interactions physico-chimiques mais aussi des interactions humaines ! Prog.CNRS Projet région ASUPS Contrat de prestation GDR 2614 Contrat de recherche Contrat de recherche Action structurante Projet Minefi REX ANRs Fermat GDR 2980 ARC ATUPS Ifremer Aquasource Rio Tinto minerals Partenaire Danone Degrémont Turboméca Mecaprotec DGA SFEC R. Field B. Jefferson D. Fletcher H. See International V. Starov C. Compere A. Ayral D. Paolucci J. Ferret N. Abidine F. Martin National M. Mercier P. Duru C. Guigui C. Cabassud JP. Bonino P. Schmitz E. Climent D. Si-Hassen JL Trompette S. Desclaux JP Lafaille JC. Rouch JF Lahitte Interne C. Bramaud M. Clifton P. Aptel P. Aimar M. Meireles Doctorant B. Espinasse Y. Bessiere C. De Fraga M. Adoue E. Micromatis Etudiant R.F. Cienfuegos G. Lesage I. Boussaki M. Combacau H. Lochard M. Prata P. Barthes L3 M1 M2 PRO Procédés Physico-chimiques Prepa Agreg IUP TMM M2 Recherche A7/N7 Enseignement

49. Plan 1 - Introduction générale Filtration de la matière molle Détails 8 - Généralités Détails 10 - Problème 11 - Démarche Détails 13 - Interactions et phases Détails 16 - Pression colloïdale 21 -P-based modèle Résultats Détails 26 - Etude expérimentale Détails Détails 31 - Simulation Détails 34 - Applications Bilan 36 - Réponses et avancées 41 - Verrou persistant Détails 42 - Perspectives 47 - Conclusions