Mesures de structure, diffusion, vitesse et dispersion en milieu poreux par IRM

1. Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages – ENS Lyon – 4 et 5 novembre 2008 Mesures de structure,diffusion, vitesse et dispersion en milieu poreux par IRM Didier STEMMELEN, Wassim SALAMEH, Sébastien LECLERC et Christian MOYNE LEMTA Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée UMR n°7563 CNRS – Nancy Université Vandœuvre-lès-Nancy, France

2. Contexte • Thème : Multi-échelles • Projet : Elaboration de modèles de dispersion efficace pour les problèmes de chimie-transport en milieu poreux (A. Mikelić, G. Allaire, C. Moyne) Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

3. Approche globale   • Mesures à la micro-échelle • Méthodes photométriques (micro-modèles, fractures) Courbe de percée S. Didierjean (1994) Introduction • Besoin d’appuyer la modélisation sur des expériences • 2 types d’expériences sur la dispersion en milieu poreux • Traceurs radioactifs (Grattoni 1985 ; J.P. Hulin, 1999) • Gammamétrie (Gardner, 1961 ; H. Bertin, 1997) • Rayons X (Keller, 1999) • Ultra-sons (D. Salin, 1989) • TEP (D. Loggia, 2004) • RMN/IRM (Guillot, 1991 ; Lebon 1996 ; Khrapitchev et Callaghan 2001…) Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

4. Accès à un imageur IRM dédié aux sciences de l’ingénieur Laboratoire de Méthodologie RMN (D. Canet) Université Henri Poincaré (Nancy 1) 200 Mhz – 4,7 T 300 Mhz – 7 T 400 Mhz – 9,4 T Spectromètres RMN Imageur RMN – Biospec 24/40 • Objectif de la présentation : possibilités qu’offre l’IRM dans le contexte de l’étude des mécanismes de transport en milieu poreux Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

5. Accès à un imageur IRM dédié aux sciences de l’ingénieur Caractéristiques de l’IRM BIOSPEC 24/40 (Bruker) 2.34 T (100 MHz) Trou horizontal diamètre = 400 mm Fourreau de gradient = 200 mm Sondes jusqu’à diamètre = 40 mm Gradients de champ = 20 Gauss/cm Achat (Faculté de Médecine) 1983 Service RMN (Université Nancy 1) 1994 Changement de la Console 2003 Changement du Système de gradient 2007 Imageur RMN – Biospec 24/40 • Objectif de la présentation : possibilités qu’offre l’IRM dans le contexte de l’étude des mécanismes de transport en milieu poreux Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

6. Plan • Rappels succincts de RMN et d’IRM • Structure des milieux poreux • Diffusion • Vitesse d’écoulement • Dispersion en milieu poreux Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

7. Champ magnétique statique B0 stable et homogène RMN en phase liquide RMN de 1H Effet Zeeman Déplacement chimique :0*= g (1-s )B0 / 2p Spectroscopie RMN Spectre RMN de l’éthanol RMN : Résonance Magnétique Nucléaire Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

8. Champ magnétique statique B0 stable et homogène RMN en phase liquide RMN de 1H Codage en fréquence par application d’un gradient de champ IRM : Imagerie par Résonance Magnétique Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

9. Porosité 0.37 seuillage contours Surface spécifique 11 cm-1 Coupe d’une colonne de billes de verre Tube diamètre 20 mm Diamètre des billes 2 mm Sélection de tranche 1.5 mm Structure des milieux poreux Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

10. Relaxation RMN Tailles de pore pour des structures multi-échelles ? Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

11. Champ magnétique statique B0 stable et homogène Excitation (bascule de l’aimantation) Détection (retour à l’équilibre) Relaxation longitudinale T1 Relaxation transversale T2 Relaxation RMN Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

12. Relaxométrie RMN Porosimétrie Hg Calcaire Dolomite d’après Schoenfelder et al. (2008) Théorie de Browstein et Tarr [1977] 1 nm < tailles de pores < 0,1 µm Tailles de pore pour des structures multi-échelles Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

13. z Echo de Hahn [1950]   90° 180° z z z z y x y y y y x x x x P.G.S.E. Séquence d’écho de spin en présence d'un gradient de champs magnétique statique. Pulsed Gradient Spin Echo Diffusion • Séquences d’écho de spin Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

14. D1 <D2 <D3 Séquence PGSE Auto-diffusion Dliq • i: intervalle de temps pendant lequel les molécules diffusent Diffusion restreinte Coefficient de diffusion D* = f(Dliq, , ) Intervalle de diffusion Δ Théorie de Mitra [1992] Diffusion Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

15. On utilise cette fois-ci le déphasage du signal (complexe) pour mesurer la vitesse (encodage de phase) Séquence PGSE Écoulement de Poiseuille (tube) Vitesse débitante : 1,355 cm/s Vitesse maximale : 2,710 cm/s Écoulement dans un tube de diamètre int. 1 cm obtenue par IRM du proton de l’eau (FOV= 4 cm - matrice = 256*256, épaisseur de coupe =1.5 mm, temps de répétition = 2000 ms, temps d’écho = 14.8 ms, durée de l’expérience d’environ 30 min). Vitesses d’écoulement Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

16. Image de référence (vitesse nulle) Image de phase obtenue par différence entre les 2 images Image de phase (avec flux) Vitesses d’écoulement en milieu poreux Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

17. Injection d’un traceur • Sans injection de traceur • 2 méthodes avec l’IRM Dispersion en milieu poreux • Injection de traceur : • molécule contenant 1H(avec une fréquence bien différenciée de 1H de l’eau) • autre espèce pour laquelle la RMN est possible 13C • plus simplement, un agent de contraste(ions paramagnétiques Mn2+,Fe3+,Gd3+…) • qui agit sur la valeur du temps de relaxation [G. Guillot, JP Hulin, 1991] Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

18. IRM : • diffusion • vitesse • Sans injection de traceur : • dispersion Séquence Double PGSE Callaghan, Codd, Khrapitchev [1999-2005] Dispersion en milieu poreux Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages

19. Conclusion • Richesse des techniques RMN & IRM pour l’étude des milieux poreux • Visualisation du milieu et paramètres de structure • Mesures de diffusion • Mesures de vitesse d’écoulement • Mesures de coefficients de dispersion • De nombreuses difficultés dans la mise en oeuvre • Limitation de l’utilisation des éléments paramagnétiques • Présence de nombreuses interfaces (inhérentes aux milieux poreux) susceptibles de créer des inhomogénéités du champ magnétique (artefacts) • Faible sensibilité des techniques RMN > Nécessité d’accumuler les mesures pour gagner en sensibilité • Difficulté pour acquérir des mesures rapides précises • Etude en cours sur la dispersion en milieu poreux Journées thématiques MoMaS : Modèles et couplages