Soutenance mémoire
Le transport de matières solubles ou en suspension dans les milieux poreux a fait l’objet de nombreuses recherches dans les dernières décennies. Du fait de leurs propriétés de comportement, ces particules jouent un rôle important dans divers domaines. Dans le domaine de l’environnement, le transport des particules solides peut contribuer à la détérioration de la ressource en eau souterraine, soit directement, car certaines particules sont des polluants intrinsèques, soit indirectement en transportant des polluants fixés à leur surface tels que bactéries et virus, pesticides, métaux et éléments radioactifs (Sen et al., 2002 ; Sen and Khilar, 2006). En génie civil, le détachement de particules de sol, peut conduire au phénomène d’érosion interne qui est la cause principale d’incidents sur les ouvrages hydrauliques en terre (barrages et digues) (Bonelli et al., 2006 ; Al-Fares, 2011). Lors de l’injection de coulis de ciment pour améliorer les caractéristiques mécaniques et hydrauliques des sols, on peut être confronté à la problématique de filtration des particules de ciment par le sol qui conduit à une diminution de l’efficacité du procédé. Dans le domaine du génie pétrolier, parmi les techniques utilisées pour améliorer la production dans les puits de pétrole, est celle d’injection de l’eau en utilisant des puits d’injection. Par ailleurs, l’eau utilisée contient des impuretés telles que les particules fines en suspension. Ces particules peuvent se déposer dans le milieu et provoquer la chute de la perméabilité dans le réservoir autour des puits qui conduit à une baisse de leur productivité (Moghadasi et al., 2004; Feia et al., 2013).
Les mécanismes de transport, de dépôt et de remobilisation de ces particules dans les milieux poreux saturés sont complexes et dépendent de nombreux facteurs qui peuvent être interdépendants tels que : les conditions physico-chimiques (Chen et al., 2011 ; Ryan & Elimelech, 1996 ; Mesticou et al., 2016), la taille des particules injectées (Herzig et al., 1970 ; Bradford et al., 2003 ; Bennacer et al. 2013), la concentration (Alem et al., 2013 et 2015), la granulométrie du milieu poreux (Porubcan & Xu 2011) et la surface des grains constituant le milieu (Torkzaban et al., 2010).
Le milieu poreux naturel est très hétérogène et complexe. Cette hétérogénéité provoque des variations significatives des paramètres physiques qui contrôlent l’écoulement dans le milieu. Les recherches au laboratoire ont pour objectif de développer des outils adaptés pour une meilleure compréhension et prévention du devenir des particules en suspension dans le milieu poreux. La majorité des études dans la littérature est concentrée sur les particules colloïdales (<1µm) à cause de leurs grande surface spécifique qui leur confère une grande capacité d’adsorption et une faible vitesse de sédimentation. Cependant, un certain nombre d’études récentes s’est intéressé au transport et dépôt des particules en suspension (>1µm) dans les milieux poreux saturés (Bennacer et al., 2013 ; Benamar et al., 2005 ; Massei et al., 2002 ; Mesticou et al. 2014 & 2016). En dépit des efforts réalisés dans le domaine, il semble que les différents mécanismes et processus impliqués dans la migration des particules en suspension restent encore mal connus et que des efforts de recherches expérimentales et théoriques soient encore nécessaires.
Implication de l’étude
Transport des contaminants
Les contaminants se trouvent en plusieurs types dans la nature, métaux de formes cationiques (Cs+ , Cu2+ , Ni2+, etc.), de formes anioniques (CrO₄⁻² , AsO₄⁻³), des composés organiques non polaires (les hydrocarbures aromatiques polycycliques) et des composés organiques polaires (pesticides et produits cosmétiques) (Lapworth et al., 2012 ; Samanta et al., 2002 ; Bradl, H. B. 2004 ; Sen & Khilar, 2006 ; Luo et al., 2015 ; Orlikowska et al., 2015). Les particules fines peuvent êtres des minéraux avec surface amphotère (ex : le fer, l’aluminium, les oxydes de manganèse et les carbonates), des revêtements de matière organique sur les phases minérales ou des bactéries. Plusieurs études ont montré que l’association entre les colloïdes et les contaminants est un mécanisme important dans le transport des polluants dans les aquifères et les eaux souterraines (Karathanasis et al., 2014 ; McCarthy & McKay, 2004 ; Kretzschmar et al., 1999; Sen & Khilar, 2006; Li & Zhou, 2010; Ryan & Elimelech, 1996 ; Walshe et al., 2010; Syngouna & Chrysikopoulos, 2013). Les mécanismes de base de l’association contaminant avec des particules en suspension sont la complexation de surface, l’échange d’ions et partitionnement hydrophobe. En général, la diversité des contaminants métalliques ainsi que leur mobilité ou leur dispersion dans le sol et dans l’eau dépendent essentiellement de leurs caractéristiques de sorption aux interfaces solide / liquide. Ces dernières dépendent à leur tour des variables environnementales telles que le pH, la salinité, la température, la concentration de particules en suspension et la vitesse de l’eau (Kretschmer et al., 1999;Sen & Khilar, 2006). Des concentrations importantes de particules en suspension existent dans l’eau souterraine. Ryan & Gschwend (1990) ont trouvé des concentrations de particules entre 1et 60 mg/L.
D’autres types de particules en suspension qui sont les virus et les bactéries entrent également dans la gamme de tailles colloïdales et appelées biocolloïdes. Ces biocolloïdes peuvent présenter des risques graves pour la santé lorsqu’ils se retrouvent par exemple dans les puits d’eau potable (Schijven & Hassanizadeh, 2000 ; Hejkal et al., 1982; Abbaszadegan et al., 1999 ; Bhattacharjee et al., 2002 ; Zhang et al., 2001). Par conséquent, les contaminants microbiens (protozoaires, bactéries et virus) peuvent être transportés dans les eaux souterraines et représenter une menace pour l’environnement et la santé humaine (McCarthy & Zachara, 1989 ; Frohnert et al., 2014 ; Harvey et al., 1995). Historiquement, les eaux souterraines ont été supposées être dispensées des virus pathogènes, les bactéries et les protozoaires, mais les recherches récentes indiquent qu’une fraction significative des eaux souterraines est une source des maladies d’origine hydrique (Bhattacharjee et al., 2002 ; Abbaszadegan et al., 1999 ; Frohnert et al., 2014 ). Ngueleu et al. (2013) ont montré que la concentration de pesticide est plus importante à la sortie de la colonne lorsqu’il est injecté avec des particules fines de taille inférieures à 0,45 µm que lorsqu’il est injecté tout seul. Selon Sen et al. (2002), le transport de Ni2+ à travers le sol peut être facilité par la présence des particules de kaolinite dans le sol. Pourtant, la présence de particules en suspension peut retarder ou empêcher la migration des contaminants (Li & Zhou, 2010 ; Holzbecher & Dizer, 2006 ; Vasiliadou I.V &Chrysikopoulos, 2011). Des études récentes ont démontré que les particules en suspension jouent un double rôle dans le transport des virus (Hofmann 2002). Les colloïdes mobiles facilitent le transport des virus, en particulier sous un débit élevé, ce qui augmente la vitesse de transport des virus. En outre, si les particules colloïdales sont attachées aux surfaces des grains du milieu, les virus liés aux colloïdes sont également retenues dans le milieu poreux, conduisant au retard des virus (Walshe et al., 2010).
Erosion interne
L’érosion interne est la conséquence du détachement des particules du squelette rigide à cause des contraintes d’infiltration et leur transport en dehors du milieu poreux. Ce phénomène est parmi les causes principales de l’effondrement des ouvrages hydrauliques. Le déplacement de ces particules constituant le milieu poreux favorise des changements importants dans la perméabilité locale du milieu (Abadzic & Ryan, 2001 ; Wan & Fell, 2002 ; Alhaddad, 2011). Ces modifications peuvent créer des conduits de fuite dans le corps de la structure qui peut se développer jusqu’à la ruine de l’ouvrage. Plusieurs études ont été réalisées pour étudier et comprendre ce phénomène et identifier les mécanismes qui le contrôlent (Clark & Wynn, 2007; Al-Fares, 2011 ; Sjödahl et al., 2008 ; Alhaddad, 2011).
Colmatage
Le colmatage est un phénomène provoqué par l’accumulation des particules solides transportées par un écoulement lors de leur passage dans les pores d’un milieu poreux. Ce phénomène est très connu dans la production du pétrole, la purification de l’eau souterraine et le traitement des eaux polluées. Par exemple, parmi les méthodes utilisées dans le traitement des eaux usées est de faire passer cette eau contaminée à travers un groupe de filtres. Avec le temps, les particules fines chargées de polluants s’accumulent sur les filtres et ainsi une chute progressive de la perméabilité des filtres se produit, ce qui influence le fonctionnement du système de filtration. On peut également rencontrer ce problème dans le domaine du génie pétrolier . Parmi les techniques utilisées pour améliorer la production dans les puits de pétrole, est celle d’injection de l’eau en utilisant des puits d’injection. Par ailleurs, l’eau utilisée contient des impuretés telles que les particules fines en suspension. Ces particules peuvent se déposer dans le milieu et provoquer la chute de la perméabilité dans le réservoir autour des puits qui conduit à une baisse de leur productivité (Moghadasi et al., 2004; Feia et al., 2013).
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Table des matières
Introduction générale
I. Etude Bibliographique
I.1. Implication de l’étude
I.1.1. Transport des contaminants
I.1.2. Erosion interne
I.1.3. Colmatage
I.1.4. Position de l’étude
I.2. Ecoulement en milieu poreux saturé
I.3. Caractérisation d’un milieu poreux
I.3.1. Mécanismes de transport des particules dans un milieu poreux
I.3.2. Nombres adimensionnels
I.3.2.1. Nombre de Reynolds
I.3.2.2. Nombre de Péclet
I.3.3. Equation de transport dans un milieu poreux
I.4. Processus de transport et dépôt des particules en suspension
I.4.1. Sources des particules en suspension dans l’environnement
I.4.2. Forces en présences
I.4.2.1. Forces physico-chimiques
I.4.2.2. Forces hydrodynamiques et mécaniques
I.4.3. Sites de rétention
I.4.4. Mécanismes de capture
I.4.5. Facteurs intervenant dans le transfert et la rétention des particules
I.4.5.1. La filtration
I.4.5.2. Effet des paramètres physiques
I.5. Conclusion de la partie bibliographique
II. Matériels et Méthodes
II.1. Techniques expérimentales
II.1.1. Caractérisation des matériaux utilisés
II.1.1.1. Milieux poreux
II.1.1.2. Particules en suspension (PES)
II.1.2. Dispositifs expérimentaux
II.1.3. Procédures d’essais d’injection
II.2. Détermination des paramètres hydrodispersifs
III. Résultats et Discutions
III.1. Effets hydrodynamique et du milieu poreux
III.1.1. Courbes de restitution
III.1.1.1. Effet de la vitesse d’écoulement
III.1.1.2. Effet du milieu poreux
III.1.1.3. Comportement de transport du traceur particulaire et du traceur dissous
III.1.2. Paramètres hydrodispersifs
III.1.2.1. Coefficient de dispersion hydrodynamique longitudinale
III.1.2.2. Coefficient cinétique de dépôt
III.1.2.3. Rétention des particules dans le milieu poreux
III.1.3. Suivi granulométrique des particules restituées et des particules déposées dans le milieu poreux
III.1.3.1. Granulométrie des particules restituées
III.1.3.2. Granulométrie des particules déposées
III.1.4. Conclusion
III.2. Effet de la taille et de la polydispersivité des particules injectées
III.2.1. Courbes de restitution des particules de latex
III.2.2. Comportement de transport
Calage des courbes de restitution
Taux de restitution (R)
III.2.3. Comparaison des taux de restitution des populations monodisperses injectées seules et dans le mélange
III.2.4. Cinétique de dépôt
III.2.5. Conclusion
Conclusion générale
