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

1

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

Patrice BACCHINEnseignant Chercheur

Procédés de Séparation et Membranes

Université Paul Sabatier Laboratoire de génie Chimique31 062 TOULOUSE Cedex 9Tel : 05 61 55 81 63 Fax : 05 61 55 61 39Email : [email protected] : http://lgc.inp-toulouse.fr

23 Octobre 2006

Habilitation à diriger des recherches

Les interactionsentraînent un accroissement de complexité source de l’émergence de performances inattendues.

Albert Jacquard, L’équation du nénuphar.

BACCHIN

Je vais vous présenter un panorama des activités de recherche menées au labora de l'uni dans les dix dernières années.Je vaiis commencer par introduire le contexte général à partir d'une explication de texte sur ce titre.

2

Génie des interactions physico-chimiques

Introduction

Interaction : organisation

Réaction : transformation

Forces inter-particulaires(répulsives et attractives)

dues aux propriétés physico-chimiquesdes interfaces

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

BACCHIN

La physique de la matière molle décrit les propriétés de fluides complexes et des systèmes moléculaires organisés qui sont souvent intermédiaires entre celles des liquides et celles des solides

BACCHIN

L'étude de la matière molle a valu le prix noobel de physique à PGdg en 1991

BACCHIN

entre entités

BACCHIN

Ces faibles tailles engendrent en effet une présence importante d'interface, responsable d'interactions physico-chimiques

4

Interactions 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

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


BACCHIN

Ces opérations reposent essentiellement sur un savoir faire empirique et il est nécessaire de développer des outils pour optimiser les procédés mis en oeuvre.

BACCHIN

Les colloïdes prennent part

6


Filtration membranaire

Co-dépôtde particules

Adhésion et biofilm

Introduction

P

V Sur la dispersabilité dans le bain électrochimiqueSur 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


Filtration membranaire

Co-dépôt de particules

Adhésion et biofilm

Introduction

P

V

Production scientifique :

1 article de revue14 publications1 brevet

1 publication1 brevet

90 % des activités de recherche passées

BACCHIN

Je vais donc illustrer mes activités de rech à travers ce procédé

8

Filtration de la matière molleGénéralités

0,5 mm 0,5 mm 10 cm

Mode tangentielMode frontal

Flux de perméation J

Membrane

Pression transmembranaire P

La filtration est limitée par le colmatage Altération des performances de la membraneAugmentation des coûts de production

9

Le colmatage

Filtration de la matière molle

Polarisation de concentration

(compressible)Modèle du gel

Concentration de gelà 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

Filtration de la matière molleLe problème

Comment mettre à profit les interactions pouranticiper 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 interactionsagissent sur le colmatage ?

Les colloïdes représentent une fractionparticulièrement colmatante (notamment en ultrafiltration). Howe et Clark (2002)

Une nouvelle source de complexité :les interactions

11

Prise en compte de l’effet d’interactions multiples

Conditions critiquesen filtration tangentielle

Thèse 1994effet interaction particule / surface

ApplicationsindustriellesDéveloppement de

procédures expérimentalesspécifiques pour la détermination

de conditions critiques

Extension des conditions critiquesau mode frontal

Modélisation /simulation

Filtration de la matière molleLa démarche

Comment mettre à profit les interactions pouranticiper et contrôler le colmatage ?

Co

mm

ent

les

inte

ract

ion

s

agis

sen

t su

r le

co

lmat

age

?

12

Expérimental Théorie

Des

propriétés de la matière molle

à

la réversibilité du colmatage

Comment anticiper et contrôler

le colmatage ?

SimulationEtude dynamique

de la filtration

Modélisation

Interactionset structures Propriétés

relatives aux interactions

Filtration de la matière molleLa démarche

BACCHIN

macroscopiques et mesurables

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 departicules en attraction

Phase solide : réseau de particules en contact

Déstabilisation

Phase “gaz“

Phase agrégats

Phasesolide

Phase gel

Phase “liquide“

Concentration

Comment les interactions structurent les dispersions colloïdales ?

Filtration de la matière molleLes dispersions colloïdales concentrées

14

Déstabilisation

Phase ”gaz”

Phase agrégats

Phasesolide

Phase gel

Phase ”liquide”

Concentration

Formation irréversible de solide Décomposition spinodale :

phénomène critique en terme de réversibilité

Les dispersions colloïdales concentrées


Comment les interactions structurent les dispersions colloïdales ?

?

15


Des


à



de la filtration

Modélisation baséesur les propriétés

Propriétésrelatives aux interactions

Interactionset transitions de

phase



le colmatage ?

16

Comment décrire cette complexité ?

Le problème des interactions électrostatiques semble a priori insolubleBernard Cabane, Sylvie Henon Liquides : solutions, dispersions, émulsions, gels (2003)


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 déterminationde propriétés

macroscopiques

La pression colloïdale

Calcul

Approche de haute technicitélimitée aux interactions entre

deux particules

17

Quelle propriété peut décrire cette complexité ?

wA

av

RTln

Energie libre, G & F

VFG

0

32

3

2dr

dr

dVrgrnnkT T

znf

1

Activité de l’eau, aw

Interactions multi-corps, VT, 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 molleLa pression colloïdale

BACCHIN

Equilibrium properties which allows deducing dynamics data

18

+

Pressioncolloïdale=

« 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

gaz liquide liquide

: un descripteur continu de la dispersion

solide

crit

Résistance à la compression dans un dépôt Pression de compression


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 colloïdalepar 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, (-)

Pre

ssio

n c

ollo

ïda

le,

(P

a)


*Bonnet-Gonnet Cécile, Dégonflement et regonflement osmotiques de dispersions de latex, Thèse de l’université Paris 6 (1993)

20


Des


à



de la filtration

Modélisation basée sur


phase ()



le colmatage ?

21

Comment décrire l’effet des interactions sur les phénomènes de transport ?

Diffusion collective, Dc()

Propriété de transfert des particules dans un gradient de concentration

pc Vd

d

a

KD

6

)()(Pression colloïdale, ()

Coefficient de sédimentation, K()=U()/U0

&Dc() K() d



Equation de continuité pour le transfert de matière

dJ

Kadx

)(

9

2 2

Transfert pour le solvant

PJ

J m

10

Modèle du gel

« Modèle du film »

Filtration sur dépôt compressible

dK()

m

22

Filtration de la matière molleModélisation basée sur

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 100 1 10-5 2 10-5 3 10-5 4 10-5 5 10-5 6 10-5 7 10-5

Fra

ctio

n v

olu

miq

ue,

(-)

Distance à la membrane, x (m)

100 s

1000 s

2000 s

3000 s

4000 s

5000 s

temps

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

Sur une épaisseur de couche limiteSur une masse accumulée

0

dxVa )(uf

Péclet =

Énergie dissipée par frictionsur les particules accumulées

Energie Brownienne

*

*

*)(m

b

dKD

JVPe

b

aS

*

*

*)(m

b

dK

D

JPe

bL

Filtration frontale

Filtrationtangentielle

Nombres de Péclet

*)( dKJ

Ddx b

par integration de

u

Péclet critique

crit crit

crit crit

Filtration de la matière molleModélisation basée sur

24

Conditions de filtration critiques

Pe crit % (J.)critPe crit % (J.V)crit

Filtration frontale Filtration tangentielle

Conditions de filtration critique

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0 10 20 30 40

J (m/s)

u (

m/s

)

Dépôt

0

200

400

600

800

1000

0 10 20 30 40

J (m/s)

Vf (

L/m

2)

DépôtPe

S crit=93

Pe L

crit

=212


Dépôt


25


Des


à



de la filtration



phase ()



le colmatage ?

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


à


Etude dynamique de la filtration


Comment déterminer expérimentalement les conditions critiques ?

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)



Filtration frontale

en alternantpériodes de filtration

et périodes de rinçage

Module d’UF

Module d’UF

Y. Bessiere, P. Bacchin et N. Abidine (2006)

28

Détermination expérimentale d’un volume filtré critique

0

1 1012

2 1012

3 1012

4 1012

0 50 100 150 200 250 300

Vf=35 L.m-2

Vf=74 L.m-2

Vf=84 L.m-2

résis

tan

ce a

dit

ion

nelle (m

-1)

volume cumulé (L.m-2)

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

0

2 1011

4 1011

6 1011

8 1011

1 1012

0 20 40 60 80 100 120

Rés

ista

nce

de

colm

atag

e ré

sid

uel

le (

m-1

)

volume filtré par cycle (L.m-2)

volume filtré critique

0

20

40

60

80

100

120

140

0 10 20 30 40

J (m/s)

Vf (

L/m

2 )

Dépôt

Bessiere Y., P. Bacchin et N. Abidine 2006

Dépôt

Pour 10-3 M KCl

Détermination expérimentale d’un volume filtré critique (2)



30


Des


à

la réversibilité de la filtration


de la filtration



phase ()



le colmatage ?

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


Comment décrire l’impact des interactions sur le procédé ?

Fraction volumique

z

x

Polarisation

Dépôtirréversible

32

Déstabilisation

Phase ”gaz”

Phase Agrégats

Phasesolide

Phase gel

Phase ”liquide”

Concentration

Simulation


33


Des


à

la réversibilité de la filtration


de la filtration



phase ()



le colmatage ?

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


0

1 1011

2 1011

3 1011

4 1011

0 20 40 60 80 100 120 140 160

J=50 L.h-1.m-2

J=80 L.h-1.m-2

Résis

tan

ce r

ésid

uelle (

m-1

)

Volume filtré par cycle (L.m-2)

Eau du Canal du midi13,5 NTU,

UV254nm=6,9 m-1 COD=5 ppm

35

Comment contrôler le colmatage ?

Développement de procédures de filtration sub-critiques

En frontal avec des rinçages pour des Vf < Vf crit

0

1 1012

2 1012

3 1012

4 1012

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

classique

subcritique

Rési

stan

ce a

ddit

ion

nelle (

m-1

)

Volume produit (L.m-2)

Flux de filtration (L.h-1.m-2)

50 50

Fréquence des rinçages (L.m-2)

25 -

Fréquence des rétrolavages (L.m-2) 100 100

Réduction de 30 % de la consommation énergétique

Anticipation et contrôle du colmatage


36

Les interactions sont responsables de conditions critiques de filtration :

• (J.)crit en filtration tangentielle• (J.Vf)crit en filtration frontale

La pression colloïdale, , permet de décrireles 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


Il est possible d’utiliser ces concepts pour anticiperou contrôler le colmatage.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 10 20 30 40

J (m/s)

Vf (

L/m

2 )

Dépôt

Procédures expérimentales spécifiques

Un verrou persistant

Les simulations ne sont pas prédictives.

37

Bilan


Un descripteur continu pour les colloïdes

Modèle du film, du gel et des gâteauxcompressibles

unifiant

gas liquid liquid solid

crit










38

Bilan


0

200

400

600

800

1000

0 10 20 30 40

J (m/s)

Vf (

L/m

2)

DépôtPe

S crit=93

Nombre de Péclet critique




Les modèles basés sur permettent de relier les transitions de phase aux conditions du procédés.






39

Bilan


Flux critique à la sortie










40

Bilan


Opérations en mode sub-critique

0

1 1012

2 1012

3 1012

4 1012

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

classique

subcritique

Rési

stan

ce a

ddit

ion

nelle (

m-1

)

Volume produit (L.m-2)










41

Bilan











0

200

400

600

800

1000

0 10 20 30 40

J (m/s)

Vf (

L/m

2)

DépôtPe

S crit=93

0

20

40

60

80

100

120

140

0 10 20 30 40

J (m/s)

Vf (

L/m

2 )

Dépôt

42

Procédés

EXTENSION

DEMONSTRATION

ThéorieExpérimental

Matière

Vers d’autres procédés

Vers de nouveaux outils

Vers la simulation

Conditionscritiques de filtration

Vers les interactions

biologiques

VALORISATION

Interactions colloïdales

Filtrationmembra-

-naire

Perspectives

EXTRAPOLATION

43

Vers de nouvelles simulationsPoste ATER de Y. Bessiere en coursCollaborations : 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

Vers de nouveaux outilsPost 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-channelsH.M. Wyss, D.L. Blair, J.F. Morris, H.A. Stone, D. A. Weitz Preprint

Vers de nouveaux outils

45

Vers de nouveaux procédésGDR 2980 Structuration, consolidation et drainage de colloïdes –M. Meireles-

Extension de l’approche (et des outils de description des transfertsdans 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 procédésfondés sur la physico-chimie de la dispersion

résistance à la surconcentration

Génie des interactions physico chimiques

Phénomènes de transport

Interactions

BACCHIN

le point commun de ces procédés est d'amener progressivement la dispersion à se concentrer

46 Vers les

interactions biologiques

Vers les interactions biologiquesDépôt d’ANR en 2006 en collaboration avecLISBP –INSA-, LBVM –UPS-, PBM –Rouen-

Extrapolation de l’approche (et des outils de description des transfertsdans les systèmes interactifs) à d’autres types d’interactions structurantesprésentes dans les milieux biologiques comme les biofilms.

Pour savoir comment les interactions entre bactéries (à l’aidede molécules « autoinductrices ») structurent le biofilm

Pour déterminer l’effet d’un flux sur la structuration d’un biofilmformé à la surface d’une membrane

Perspectives

47

Procédé

Transfert

Interface

Théorie Expérience Applicationindustrielle

Modélisation Filtrationdynamique

Conduitedes 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

N. Abidine

DegrémontAquasource

SFEC

Y. Bessiere

JC. RouchD. Si-Hassen

V. Starov

M. Clifton

S. Desclaux

B. Espinasse

Projet Minefi Contrat de recherche

Ifremer

DGA

GDR2614

Doctorant

P. SchmitzM. Mercier

JP. BoninoF. Martin

Rio Tinto minerals

P. Barthes H. Lochard

TurbomécaMecaprotec

Prog.CNRSProjet région

ASUPS

Contrat de prestation

D. FletcherH. See

ARC Contrat de recherche

Danone

C. BramaudJP LafailleM. Meireles

GDR2980

Fermat

P. Duru

R. FieldB. Jefferson

P. Aimar

ANRs

D. Paolucci

JF Lahitte

C. Compere

ATUPS

L3 M1 M2 PROProcédés

Physico-chimiques

A7/N7M2 Recherche

PrepaAgreg

IUPTMM

REX

A. Ayral

C. Guigui C. Cabassud

P. Aptel

J. Ferret

C. De Fraga

M. Combacau

mais aussi des interactions humaines !

R.F. CienfuegosM. Adoue

G. Lesage

M. Prata

I. Boussaki

E. Micromatis

JL TrompetteE. Climent

Enseignement

Partenaire

International

National

Action structurante

Interne

Etudiant

Le génie des procédés : la discipline des interactions

Des interactions physico-chimiques

49

Plan1 - Introduction générale


8 - Généralités

10 - Problème

11 - Démarche

13 - Interactions et phases

16 - Pression colloïdale21 -baseoèle26 - Etude expérimentale

31 - Simulation34 - Applications

Bilan36 - Réponses et avancées41 - Verrou persistant

42 - Perspectives

47 - Conclusions

Détails

DétailsDétails

Détails

Rés

ulta

ts

Détails

Détails

Détails

DétailsDétails

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