Etude Expérimentale du transport de particules colloïdales en milieu poreux saturé

H. BERTIN

Propagation ultrasonore et transfert de masse dans les milieux poreux ou granulaires, Le Havre, 14-15 mai 2009

V. CANSECO, A. DJEHICHE& A. OMARI

Laboratoire TREFLEUniversité

de Bordeaux

Contexte général :

Particules / milieu / interactions

Particules: Brownienne- colloïdale- non colloïdale-forme- rigidité- porosité- état de surface

Milieu (inerte ou non): très confiné micro-fluidiquepeu confiné milieu poreuxtrès peu confiné mécanique des fluides- Rhéologie

Interactions:Hydrodynamiques (régime d’écoulement)physico-chimiquesréactions (chimie)

Transport de colloïdes en milieu poreux

Mvt. Brownien > gravitation

Particule colloïdale ( d < 1 µm)

Collisions Agglomération Flocculation

Suspension colloïdale

H++

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Peptisation = stabilisation par charges de surface

Stabilisation par greffage de polymères (stérique)

[Nacl]=0 g/l; pH=5.0

10 µm

[Nacl]=10 g/l; pH=8.0

10 µm

Diagramme de phase

CollecteurCollecteur

AA

BB

CCCollecteurCollecteur

AA

BB

CC

CollecteurCollecteur

DD

Transport de colloïdes sur un collecteur

Yao et al., (1971)

Transport de colloïdes en milieu poreux

Elimelech et al., O’Melia et al., Grolimund et al., Tufenkji et al., …

TransportInteractions surface

Interactions particule/collecteur

-

Forces de van der Waals (attractives)

-

Forces de double couche (répulsives)

-1

Mesure du potentiel zêta

N

i

bii nzI

1

2

21

Israelachvili, (1986), Adamczyk, (2003)

Profils d’énergie d’interaction (théorie DLVO)

max

Dépôt a lieu en

et

(conditions favorables)Quand I diminue,

diminue (interaction faible, désorption « facile »)Quand I diminue,

diminue mais max augmente, désorption « difficile »

Ener

gie d

'inte

ract

ion

tota

le

Distance de séparationentre surfaces (nm)

1er minimum

Barrière d'énergie max

2ème minimum

k1des

kads

k2des

Tkexpk

b

maxads

Tkexpk

b

1maxdes1

Tkexpk

b

2des2

Objectifs académiques:

Etude du transport et du devenir des particules colloïdales dans des milieux poreux

Intérêts pratiques:

Médecine: «

drug delivery

»Génie civil: ouvrages (routes, barrages, ..)Environnement: aquifères (pollution)Agriculture: sols (perméabilité)Génie pétrolier: injectivité

et récupération

Matériaux et fluides

Milieu poreux:Aerolith -

10

grains de silicate frittés

= 0,45 ; k = 8,3 10-12

m2

d = 5 cm ; L = 5, 15 cmFluides:

Particules colloïdales: latex de polystyrène, charge négative, d=780 nm.

Suspensions colloïdales mono disperses,I = 0M à

0,024M, C=200ppm; pH=7

ETUDE EXPERIMENTALE

Montage expérimental

Saumure Suspensionde Latex

Pompe

Capteurs de pression

Mesure par atténuation

Milieu PoreuxCollecteur de fractions

P P P

Densimètrie Spectroscopie

Expériences de dépôt :

Mesure de la concentration des effluentsMesure de la variation de perméabilitéMesure de variation de porosité

Procédure expérimentale :

1)Saturation du milieu poreux (saumure)2)Mesure de la perméabilité

(perte de charge)

3) Injection de la suspension colloïdale (Q)4)Mesure de la concentration des effluents5)Injection de saumure (déplacement des part. mobiles)6)Mesure de la perméabilité

Influence de la salinité

Influence du débit

PRINCIPE DE LA MESURE

Atténuation d’un rayonnement X ou (Loi de Beer-Lambert)

xincidenttransmis eNN

coefficient d’atténuation = f (M)x = épaisseur traversée

MESURE LOCALE

Expériences de dépôt :

Mesure de variation de porosité(Par atténuation )

V V V V VS S S S

N1N0

XS XV

N1N0

Milieu sec

)XX(01

VVSSeNN

E E E E ES S S S

N0

XS XE

N0 N2

Milieu saturé

)XX(02

EESSeNN

Calcul de la porosité

Milieu sec )XX(01

VVSSeNN

Milieu saturé )XX(02

EESSeNN

LXL

XL.AX.A

Total.VolPores.Vol

EEE

2

1

EEE

2

1g N

NLnL

1XNNLnpetit:Hyp

Précision de la mesure

N

N = (N)1/2

Statistique deL’émission

)NN

NN(

X1

2

2

1

1

005,0400,0%2

Amélioration de la précision par augmentationDu temps de comptage

Principe de mesure

N0 N1

LS1 LS2 LS3

Comptage à sec

N0 N2

LS1 LS2 LS3

Milieu saturé en eau

locale

N0 N3

xc xc xc xc xc xc

XS1 XS2 XS3Xl1 Xl2

Ecoulement de la suspension de particules

Particules déposées

locale

Procédure expérimentale

1) Comptage gamma à

sec2) Saturation du milieu poreux (saumure)3) Mesure locale de porosité

(27 points)

4) Mesure de la perméabilité

(perte de charge)5) Injection de la suspension colloïdale (Q)6) Injection de saumure (évacuation des particules mobiles)7) Mesure de la porosité

locale et de la perte de charge

8) Injection de la suspension colloïdale (5 cc/h)9) Reprise des étapes 6 et 7

0.3

0.32

0.34

0.36

0.38

0.4

0.42

0.44

0.46

0.48

0.5

0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15

Longueur (m)

poro

sité

phi (init.)

0.3

0.32

0.34

0.36

0.38

0.4

0.42

0.44

0.46

0.48

0.5

0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15

Longueur (m)

poro

sité

phi (init.)phi (5 VP)

0.3

0.32

0.34

0.36

0.38

0.4

0.42

0.44

0.46

0.48

0.5

0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15

Longueur (m)

poro

sité

phi (init.)phi (5 VP)phi (20 VP)

Mesure de la variation locale de porosité

Résultats

Mesure de la variation locale de porositéExpérience de dépôt ( [KI] = 1,2g/L, Pe = 9,8)

Variation de la porosité

0

1E-12

2E-12

3E-12

4E-12

5E-12

6E-12

7E-12

8E-12

9E-12

1E-11

0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15Longueur (m)

Perm

éabi

lité

(m^2

)

k init.

0

1E-12

2E-12

3E-12

4E-12

5E-12

6E-12

7E-12

8E-12

9E-12

1E-11

0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15Longueur (m)

Perm

éabi

lité

(m^2

)

k init.k (5 V.P.)

0

1E-12

2E-12

3E-12

4E-12

5E-12

6E-12

7E-12

8E-12

9E-12

1E-11

0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15Longueur (m)

Perm

éabi

lité

(m^2

)

k init.k (5 V.P.)k (20 V.P.)

Mesure de la réduction de perméabilité

k8Roù)R1(R p

4/1Kp

Epaisseur hydrodynamique de dépôt

Hyp. Ecoulement dans un faisceau de capillairesPoiseuille dans chaque tube

.

.

.

.

mes

init

mes

initk P

Pkk

R

Epaisseur de couche déposée (mesure locale)

Volume de mesure (faisceau )

5 cm

5 mm

Recouvrement des grains

GHARBI D., BERTIN H. et OMARI. A. Use of gamma rays attenuation techniqueto study colloids deposition in porous media. Experiments in Fluids, Vol. 37, 5, 665-672, 2004.

Epaisseur de couche déposée (mesure locale)

)2n2(X

eg

c

2/3

3

2g

)1(180kn

g

mesg/c n

VV

2d

6d

V43e g

3/13g

g/c

Volume de colloïde déposépar grain.

Expérience de dépôt ( [KI] = 1,2g/L, Pe = 9,8)Epaisseur de couche déposée

Fa

FL

M

Fd

Décollement de particules:Bergendhal & Grasso (1998, 1999), …

Physico-chimique (pH, I)Hydrodynamique (Re, Pe)

-Lifting (Tirer)-Sliding (Glisser)-Rolling (Rouler)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

C/Co

PV

Procédure expérimentale1)Adsorption colloïdes(I = 0,0072M)2)Déplacement saumure (I=0,0072M)3)Désorption eau pure (I=0M)4)Cycles

Adsorption/désorption : effet de cycle

Adsorption/désorption : effet de cycle

0,404

0,414

0,424

0,434

0,444

0,454

5 15 25 35Position sur l'échantillon (mm)

Poro

sité

Porosité initialeA1D1A2D2A3D3

Evolution du champ de porosité

Adsorption/désorption : influence de la force ionique de dépôt

Désorption en deux étapes:-Saumure (spontanée, faible énergie)-Eau pure (disparition de

)

Adsorption/désorption : influence de la force ionique de désorption

Adsorption/désorption : influence de la force ionique de désorption

I diminue donc

diminue aussi, la désorption est facilitéeMais les particules piégées dans

restent piégées!

N

1

VP

N

1

VP

Désorption de particules : milieu poreux = {tubes capillaires}

Roulage/glissement Détachement

Conclusions et perspectives

Désorption dépend des conditions de dépôt (I, Pe)

Modification des cond.

permet la mobilisation des part.

L’hydrodynamique joue un rôle important

La géométrie du milieu poreux et l’état de surface des grainsjouent un rôle important.

Simulation numérique à l’échelle du pore (surface)