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23 Octobre 2006. Habilitation à diriger des recherches. 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

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

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.

slide2

Introduction

Génie des interactions physico-chimiques

Forces inter-particulaires

(répulsives et attractives)

dues aux propriétés physico-chimiques

des interfaces

Réaction : transformation

Interaction : organisation

slide3

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

slide4

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

slide5

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

slide6

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

slide7

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

slide8

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
slide9

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

slide10

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?

slide11

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

slide12

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 ?

slide13

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

slide14

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

slide15

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 ?

slide16

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

slide17

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

slide18

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

slide19

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)

slide20

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 ?

slide21

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

slide22

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)

slide23

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

slide24

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

slide25

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 ?

slide26

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

slide27

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)

slide28

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

slide29

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

slide30

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 ?

slide31

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
slide32

Filtration de la matière molle

Déstabilisation

Phase gel

Phase Agrégats

Phase

solide

Phase ”gaz”

Phase ”liquide”

Concentration

Simulation

slide33

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 ?

slide34

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

slide35

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

slide36

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.

slide37

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.

slide38

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.

slide39

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.

slide40

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.

slide41

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.

slide42

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

slide43

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)

slide44

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

slide45

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

slide46

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

slide47

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 …

slide48

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

slide49

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