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Colmatage en milieu poreux : de la suspension brownienne au biofilm

Olivier Liot

Dynamique des fluides, milieux heterogenes, approches multi-echelles

Concours CNRS-10/02 CRCN 19 mars 2018 1


Olivier Liot

> Stage M2 : LPMCN - UMR 5586, Lyon (O. Bonhomme & A.-L. Biance) –Nanofluidique dans des films de savon

> These : LPENSL - UMR 5672, Lyon (F. Chilla & M. Bourgoin) –Convection thermique turbulente

> Post-doc 1 : Universidad de Navarra (J. Burguete) –Turbulence von Karman

> Post-doc 2 : LAAS - UPR 8001, Toulouse (P. Joseph & J. Morris (chaire FERMaT)) –Colmatage et transport microfluidique

> Post-doc 3 : ILM - UMR 5306, Lyon (A.-L. Biance) –Diodes nanofluidiques

PRL 3 JFM, 2 PRF, PoF, PIUTAM PRE Langmuir (+2 soumis)

2013 2014 2015 2016 20172012 2018

Stage M2(Lyon) These (Lyon) Post-doc

(Espagne) Post-doc (Toulouse)Post-doc(Lyon)

Concours CNRS-10/02 CRCN 19 mars 2018 1

Debuts en recherche : turbulence

These : Approches innovantes en convection thermique turbulente (Lyon, 2012-2015)

Plaque froide

Plaque chaude

Fluide

Flux thermique

> Interactions fluctuations turbulentes etecoulement grande echelle� Particule instrumentee� Suivi 3D de traceurs (3D-PTV)

> Influence de rugosites controlees

� Etude ecoulement grande echelle (PIV)

� Etude couches limites thermique et visqueuse 0 100 200 300 4000

100

200

300

400

x [mm]

z[m

m]

36,3

36,6

36,9

37,2

37,5

Tem

per

atu

re[◦

C]

> Inhomogeneite de l’ecoulement ⇒ statistiques turbulentes biaisees

> Couche limite turbulente ⇒ destabilisation ecoulement grande echelle

Concours CNRS10/02 CRCN Olivier Liot 2

Debuts en recherche : turbulence

Post-doc 1 : Dynamiques lentes en turbulence von Karman (Espagne, 2016)

H

D y

z

yD x

N S

(a) (b)

(c)

> Systeme axi-symetrique

> Influence du rapport d’aspectsur les brisures de symetrie� Mesures ponctuelles de vitesse (LDV)� Simulations basees

sur une equation de Langevin

> Interactions entre fluctuations turbulentes a petite echelleet composantes de vitesse grande echelle


Colmatage en milieu poreux – Contexte

> Environnement� Depollution,

cristallisation de sels

> Industrie� Filtration, ressources enfouies

> Biologie� Maladies arterielles� Biocolmatage

cerahelix.com

Membrane encrassee

health.clevelandclinic.orgThrombose

Dimensionnement d’un dispositif de filtration ?

> Mecanismes microscopiques(diffusion brownienne, interactions de surface, ...)

> Diversite des situations et topologies

> Couplages multi-echelles : du colloıde a la membrane

Bouchon schematise

> Influence de la diffusion brownienne sur la dynamique du colmatage ?

> Interactions entre pores au cours du processus de filtration ?


Colmatage en milieu poreux – Methodologies experimentales

> Systeme microfluidique modele

P0 + ∆P

P0

40µm

Éco

ule

men

t

25µm

ÉcoulementP0 + ∆P

P0Microscopie champ large, grossissement 40×

> Fabrication salle blanche

> Canaux silicium-verre,profondeur sub-micronique

> Suspension brownienne,particules de polystyrene

> Chargees en surface,∅ colloıdes : 250 nm

> Microscopie de fluorescence

> Grandes statistiques

> Developpement de codesde traitement et d’analyse d’images

> Traitement paralleliseen centre de calcul


Acceleration du colmatage

t=

1333

s(a) 5µm

t=

2667

s

(b)

t=

4000

s

(c)

Microscopie de fluorescence, grossissement 40×

> Saturation des bouchonsen extension spatiale

> Taux de croissance (τ) des bouchonsrelie a l’evolution globale du systeme (N)

> v∗0 : τ moyen si 0 bouchon sature

> v∗N : τ moyen si N bouchons satures

> Amorcage du colmatagea differents instants selon les pores

0 1 000 2 000 3 000 4 000

20

40

60

80

100

Temps [s]

Air

ede

sbo

ucho

ns[µ

m2] Saturation


Acceleration du colmatage

t=

1333

s(a) 5µm

t=

2667

s

(b)

t=

4000

s

(c)

Microscopie de fluorescence, grossissement 40×

> Saturation des bouchonsen extension spatiale

> Taux de croissance (τ) des bouchonsrelie a l’evolution globale du systeme (N)

> v∗0 : τ moyen si 0 bouchon sature

> v∗N : τ moyen si N bouchons satures

0 2 4 6 81

2

3

4

N : nombre de bouchons saturés

v∗Nv∗0


Modele de redistribution

> Bouchons satures permeables

> Redistribution des colloıdesvers les pores libres

φ > φ0

QsQs Ql

> Aspect statistique : pour un N donne,configurations pores libres/satures

> 〈φ〉N = φ0

(1 +

Qs

2Qlf (N)

)⇒ v∗

N

v∗0

= 1 +Qs

2Qlf (N)

0 2 4 6 81

2

3

4

N : nombre de bouchons saturés

v∗Nv∗0

> Premiere observation d’un tel phenomene

> Passage a une membrane 2D ?


Bilan des activites passees

PRL 3 JFM, 2 PRF, PoF, PIUTAM PRE Langmuir (+2 soumis)

2013 2014 2015 2016 20172012 2018

Stage M2(Lyon) These (Lyon) Post-doc

(Espagne) Post-doc (Toulouse)Post-doc(Lyon)

> Experimentateur en mecanique desfluides� Grandes et petites echelles� Transport et transferts� Liens micro-macro

> Production scientifique� 10 articles

dans des revues a comite de lecture+ 2 soumis (PRL, JPCM)

� 14 communications internationales

Utilisation du point de vue non lineaire pour le transport en milieu poreux

> Couplages multi-echelles

> Interactions entre pores



> Institut de Mecanique des Fluides de Toulouse (UMR 5502)

> Depollution des sols : mauvais rendements

> Quelle est l’influence du colmatage par des colloıdes,du biocolmatage, des biofilms?

Bandelette de biofilm (streamer)

Drescher et al. (2013)Comportements non lineairesd’un milieu poreux

en cours de colmatage- Lien pore modele - systeme reel

- Dynamique multi-echelles

- Reponse(s) non lineaire(s)

Suspension brownienne :structure du bouchon

- Neglige jusqu’ici

- Repandu dans l’industrie

Colmatage par desparticules deformables

- Premices du domaine

- Primordial en biologie


Structure d’un bouchon de colloıdes browniens

Microstructure du bouchon?

> A l’echelle du pore

> Taille typique des objets < 0.5µm

> Parametres de controle� Nombre de Peclet� Confinement� Forcage hydrodynamique� ...

> Evolution temporelle de la permeabilite

Interface

Bouchon

Suspension

Liquidecoloré

Dispositif inspire de Coyte et al. (2017)

> Rearrangement et compactage du bouchonpar forcage hydrodynamique

> Etude du decolmatage(diffusion collective, structure en couches)

∆P

t


Colmatage par des objets deformables

Qui pilote la dynamique du colmatage?

> A l’echelle du pore

> Taille typique des objets : 10µm

Hong et al. (2017)

Colmatage par des bulles

> Types d’objets etudies� Globules rouges (objets deformables modeles)� Vesicules lipidiques� Microgels thermo-controlables

(charge de surface, taille et proprietesmecaniques modulables)

> Mesures prevues� Permeabilite� Dynamique globale du bouchon� Deformation des objets� Structure 3D des bouchons (Tomo-RX)

P. Joseph et al. (2016)

Vesicule lipidique sous forcage hydrodynamique dansun piege microfluidique


Comportements non lineaires

Interactions longue portee et reponse(s) non lineaire(s)?

> Changement d’echelle : du modele au systeme reel

> Reseaux poreux 2D, 2,5D, 3D� Lithographie� Lithographie a niveaux de gris� Imprimante 3D

> Design astucieux, controle des “conditions initiales”

> Vecteurs de non linearites� Diffusion brownienne� Deformation des particules� Developpement de biofilms

> Visualisation des bouchons

> Reponse hydrodynamique du systeme

> Repartition colmatants en trois dimensions(Tomo-RX)

> Echanges avec travaux numeriques et/ou theoriques(DNS, pore network model, ...)

Exemple de design

Vue“microscope”

Vue“perpendiculaire”


Integration a l’environnement scientifique

> Integration dans le Groupe d’Etude des Milieux Poreux del’Institut de Mecanique des Fluides de Toulouse (UMR 5502)

Environnement

> Milieux poreux : P. Duru/M. Prat

> Globules rouge : S. Lorthois

> Biofilms : Y. Davit

> Federation FERMaT (materiel, collaboration)

> Microfabrication (IMFT & LAAS)

> Equipements BioPorousLab (IMFT)

> Plateforme calcul CALMIP (traitements)

Collaborations

> Colmatage, rheologie :J.F. Morris (USA)

> Microfluidique : P. Joseph(LAAS)

> Numeriques et theoriques :P. Bacchin & Y. Hallez (LGC)

> Microgels : N. Sanson (SIMM)

Salle BioPorousLab


Synthese


1. Structuredu bouchon

-Colloïdes browniens

2. Objetsdéformables

-Globules rouges-Vésicules-Microgels

Compactage∆P

t

Perméabilité

3. Comportementsnon linéaires

-Colloïdes browniens-Biofilms

Dynamique,déformation

40×

Réponsehydrodynamique

Déb

it

t

> Passage du pore modele au systeme reel

> Nombreux impacts applicatifs potentiels(amelioration des systemes de filtration, de depollution)


Temporalites du projet

Temps post-recrutement

Année 1 Année 2 Année 3 Année 4 Année 5 Années 6 et +

Structure bouchon de colloïdes

Système non linéaire : colloïdes

Particules déformables (globules, vésicules, microgels)

Système non linéaire : biofilms

Objets diphasiques


Membrane 2D – Exemple de design

Vue “microscope” Vue

“ent

rée

pore

s”

Vue

“côt

é”


Electro-osmose dans un film de savon

103 104 105

10−4

10−3

E [V/m]

δ/R

B c


Statistiques de vitesse en ecoulement inhomogene

−4 −2 0 2 410−5

10−4

10−3

10−2

10−1

100

vk/vRMSk

PD

F(v

k/v

RM

Sk

)

vxvyvz

−4 −2 0 2 410−5

10−4

10−3

10−2

10−1

100

v′k/v′RMSk

PD

F(v′ k/v′R

MS

k)

v′xv′yv′z

(a) (b)


Cellule rugueuse-lisse

400 µm

2,5 cmH

=41,5

cm

41,5 cm

3cm

` = 5mmh0 = 2mm

Th

Tb

⊗10,5 cm

Profondeur

Thermistance

Écoulem

ent

Creux

Obstacle

Sillon


Champs de vitesse au voisinage des rugosites

−1 0 10

0,5

1

1,5

x [cm]

z[c

m]

0 2 4 6 8 10 12

��−→V�� [cm/s], avant la transition

−1 0 10

0,5

1

1,5

x [cm]

0 10 20 30

��−→V�� [cm/s], après la transition


Champs des fluctuations de vitesse

0 100 200 300 4000

100

200

300

400

x [mm]

z[m

m]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

v′RMSx [cm/ s]

0 100 200 300 4000

100

200

300

400

x [mm]

z[m

m]


LDV dans une cellule de von Karman


Brisures de symetrie et rapport d’aspect

−0.02 −0.01 0 0.01 0.02-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

∆

〈veq〉/V

dom

prop

Γ = 1.2

Γ = 1.1

Γ = 1

Γ = 0.9

Γ = 0.8


Transport dans des canaux etroits

0.6

0.8

1

⟨〈v

x〉

Vobj.

⟩

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10.8

0.9

1

1.1

1.2

r = d/h

⟨〈v

x〉

Vobj.

⟩

d [nm]500 8501000 1100

0 1000 2000 3000

h [nm]

d [nm]100 140210 250

(c)

(d)

(a)

(b)
