General information

Host laboratory: Institut de Mécanique et d’Ingénierie de Bordeaux (I2M) – porous media team.
Type of contract: 3 years PhD, full-time position. Gross salary: 2044-2300 € €/month.
Starting date: as soon as possible.

Description du sujet

L'eau, l'alimentation et l'énergie forment un nexus au cœur du développement durable. La demande des trois augmente rapidement. Les milieux urbains et agricoles sont de plus en plus contaminés par les solvants organiques chlorés, les pesticides, les nitrates, les métaux lourds, etc. Ceux-ci s'ajoutent aux pollutions historiques issues de notre patrimoine industriel. Ces polluants, qui affectent initialement les couches de sol peu profondes, finissent par s'infiltrer dans les eaux souterraines. Étant donné que les eaux souterraines constituent le plus grand réservoir d'eau douce au monde, leur quantité et leur qualité sont importantes pour les écosystèmes et les humains. La pollution des sols réduit également la quantité
de terres disponibles pour l'agriculture, car les cultures vivrières et fourragères absorbent les contaminants du sol. Ce n'est pas une question anodine étant donné la rareté actuelle des terres agricoles due à l'étalement urbain et industriel. Il est donc essentiel de restaurer les sols dégradés pour résister aux pressions actuelles et futures et assurer la souveraineté hydrique et alimentaire. D'un point de vue économique, la contamination des sols pourrait coûter à l'UE jusqu'à 38 milliards d'euros par an (source : Commission européenne). Contrairement aux procédés de réhabilitation de site par excavation, les traitements in situ ne nécessitent pas de mouvement de sol et sont moins onéreux.
Cependant, la remédiation in situ nécessite l’acheminement uniforme du traitement en évitant l’apparition de chemins préférentiels d’écoulement dans le milieu, ce qui s'est avéré être un obstacle majeur à leur plein développement. Pour y remédier, l'injection de fluides complexes est l'une des rares stratégies rentables permettant une décontamination in situ avec un impact environnemental minimal. Par exemple, des polymères tels que la gomme xanthane et le polyacrylamide sous sa forme partiellement hydrolysée (HPAM) sont généralement ajoutés aux solutions aqueuses pour augmenter l'efficacité du balayage macroscopique d’un polluant dans les opérations de remédiation de sols pollués. Cette meilleure efficacité est obtenue grâce à l’optimisation du rapport de viscosité entre les fluides injecté et déplacé apportée par ces additifs.

La connaissance de la physique des écoulements multiphasiques souterrains à l'échelle des pores est donc essentielle pour concevoir des méthodes efficaces de dépollution des sols. Bien que des progrès non négligeables dans ce domaine aient récemment été faits en combinant des expériences microfluidiques et des simulations numériques, notre connaissance de la dynamique des déplacements non miscibles des polluants reste très limitée dans le cas où le fluide déplaçant est rhéofluidifiant. Parmi les obstacles majeurs, on trouve les exigences en termes de ressources numériques nécessaires aux simulations des écoulements multiphasiques de fluides non-newtoniens en milieu poreux et les difficultés inhérentes à la mesure expérimentale des viscosités et des angles de contact dynamiques à l’échelle du pore. Cela se traduit par la rareté des travaux numériques fondamentaux et des études de validation expérimentale dans la littérature. Par conséquent, un modèle multi-échelle est nécessaire pour étudier l’influence que la viscosité dynamique dépendante du taux de cisaillement exerce sur le taux de récupération de polluant, et cela pour différentes vitesses d’injection et différentes conditions de mouillabilité.

Pour répondre à ce besoin, une série d’expériences microfluidiques (Figure 1) sera réalisée permettant d’identifier les mécanismes microscopiques de déplacement et de quantifier leur impact sur l’efficacité du balayage. La connaissance fine des mécanismes locaux obtenue dans grâce à la microfluidiques permettra de choisir judicieusement les paramètres contrôlables (débit d'injection, formulation du fluide) dans une deuxième série d'expériences 1D qui seront réalisées à l'aide de colonnes de sable et de carottes consolidées (échelle de Darcy). Les propriétés effectives à l'échelle de Darcy, c'est-à-dire la saturation résiduelle du polluant, la viscosité apparente du fluide rhéofluidifiant et les perméabilités relatives seront
quantifiées par des mesures d'atténuation des rayons gamma et de perte de charge. Des relations entre ces propriétés effectives et les conditions du procédé seront ensuite établies. Ce travail expérimental sera complété par une étude numérique permettant l’accès à des quantités physiques difficilement mesurables, telles que les viscosités locales. Une vision schématique de l’approche envisagée est donnée dans la Figure 2.

Les objectifs de cette thèse sont listés ci-dessous :

• Développer un modèle multi-échelle permettant d’évaluer l’efficacité et le coût énergétique d’une stratégie de remédiation in situ en fonction des propriétés du sol (perméabilité, mouillabilité, porosité, distribution de taille des pores, connectivité), des caractéristiques du fluide rhéofluidifiant injecté (formulation, rhéologie, tension de surface) et des paramètres d’injection (débit, pression, séquencement des étapes d’injection).
• Identifier les mécanismes et phénomènes microscopiques déterminant la quantité de polluant piégé moyennant des expériences microfluidiques de pointe.
• Utiliser ces expériences microfluidiques pour caractériser la distribution d’angles de contact dynamiques dans le milieu poreux, information essentielle et inconnue pour des nombreuses applications environnementales allant du stockage souterrain d’hydrogène à la dépollution des sols.
• Implémenter un code numérique alimenté par les résultats expérimentaux et permettant l’accès à des propriétés physiques difficilement mesurables tels que la distribution de viscosités et de pressions dans le milieu.
• Valider le modèle proposé moyennant l’expérimentation à l’échelle de la carotte et la quantification des propriétés effectives par des mesures d’atténuation des rayons gamma (saturation résiduelle) et par des mesures de perte de charge.

Figure 2. Vision schématique de l’approche de modélisation multi-échelle envisagée.

References

• Ben Abdelwahed, A., Wielhorsky, Y., Bizet, N., Breard, G.: Characterisation of bubbles formed in a cylindrical T-shaped junction device. Chemical Engineering Science 76, 206–215 (2012). 
• Rodríguez de Castro, A., Ben Abdelwahed, A., Henri Bertin: Enhancing pollutant removal from contaminated soils using yield stress fluids as selective blocking agents. Journal of Contaminant Hydrology 255, 104142 (2023).
• Rodríguez de Castro, A., Oostrom, M., Shokri, N.: Effects of shear-thinning fluids on residual oil formation in microfluidic pore networks. Journal of Colloid and Interface Science 472, 34 – 43 (2016).
• Rodríguez de Castro, A., Goyeau, B.: Numerical analysis of the pore-scale mechanisms controlling the efficiency of immiscible displacement of a pollutant phase by a shear-thinning fluid. Chemical Engineering Science 251 117462 (2022).
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