Identifiant pérenne de la notice : 225889390
Notice de type
Notice de regroupement
Note publique d'information : L'objectif de cette thèse est de progresser dans la compréhension du colmatage lors
de la filtration de la matière molle (particules colloïdales et bactéries) et d'étudier
l'efficacité et la faisabilité de séparateurs microfluidiques. Ces recherches sont
réalisées avec des puces microfluidiques constituées de canaux dont la taille est
du même ordre de grandeur que les objets filtrés. Ces puces, conçues pour représenter
les processus ayant lieu en microfiltration frontale et tangentielles, permettent
d'observer in-situ sous microscope les mécanismes de colmatage. Le système est instrumenté
avec des capteurs de débit et de pression et permet ainsi une analyse croisée entre
les observations et les variations de perméabilité. Les expériences ont été réalisées
pour différentes conditions hydrodynamiques (débit, mode de filtration) et conditions
d'interactions colloïdales (en changeant la force ionique). Les résultats mettent
en évidence l'importance de la dynamique du blocage de pore par des agrégats de particules
et du réentrainement de ces agrégats lorsqu'ils sont fragilisés par l'écoulement.
La dynamique de ces évènements provoque des fluctuations de perméabilité. Les interactions
particule-particule ou particule-paroi jouent également un rôle important sur la dynamique
du colmatage. Trois scenarios sont discutés par analogie anthropomorphique : un scenario
panique (0.01 mM) où les répulsions entre les particules induit un phénomène de poussée
entre particules qui engendre la formation d'arches à l'entrée des canaux ; un scenario
instinct de troupeau (10 mM) où l'attraction entre particules (dans un minimum DLVO
secondaire) facilite le transport dans le canal et retarde le colmatage ; un scenario
sacrificiel (100 mM) où l'efficacité de capture des particules par les parois est
élevée mais les agrégats formés sont très fragiles et fréquemment réentraînés par
l'écoulement. Cette analyse illustre l'importance des phénomènes collectifs lors du
colmatage par des particules inter-agissantes. Le mécanisme de colmatage par des particules
biologiques (bactéries) et notamment la création de panaches bactériens en aval des
canaux sont ensuite analysés. Ces phénomènes sont étudiés pour différentes conditions
de culture (ratio carbone-azote dans le substrat) afin d'examiner l'effet de la production
de substances polymériques extracellulaires (EPS) sur le colmatage. Les résultats
montrent que les EPS (et donc les conditions de cultures) jouent un rôle crucial sur
le développement de panaches bactériens lors d'écoulement dans des constrictions.
Il est montré également que la filtration d'un mélange entre des bactéries produisant
peu d'EPS et des bactéries produisant d'EPS favorise la formation des panaches bactériens.
Des filtrations de mélange de bactéries et de particules montrent que la présence
de bactérie modifie la dynamique du blocage des canaux ; de façon surprenante l'ajout
de bactérie permet de retarder le colmatage et de former des dépôts de particules
plus fragiles. Des systèmes microfluidiques avec un design spécifique ont également
été développés pour réaliser un fractionnement par taille de dispersions sous un écoulement
tangentiel. Des résultats préliminaires ont permis d'optimiser leur fonctionnement
en trouvant des conditions permettant de filtrer en évitant le blocage des canaux
; leur utilisation pour réaliser des fractionnements continus dans des puces microfluidiques
peut être envisagée.
Note publique d'information : The aim of the PhD is to progress in the understanding of the fouling phenomena during
filtration of soft matter (colloidal particles and bacteria) and to examine the efficiency
and feasibility of microfluidic separators. These studies are realized with microfluidic
devices constituted of micrometric channels having the same size range as the materials
being filtered. These devices, which mimic membrane dead-end and cross-flow microfiltration
processes, allow in-situ and direct microscopic observations of the fouling mechanisms.
The microfluidic system is equipped with flow rate and pressure measurement devices
allowing a dynamic cross analysis of the observations with the variations of permeability.
Experiments have been realized for different hydrodynamic conditions (flow rate, filtration
mode) and for different colloidal interactions (by varying the ionic strength) in
order to analyse their interplay in the clogging mechanism by soft matter (interacting
particles). The results evidenced the importance of clogs formation, fragility and
sweeping out dynamics during the fouling process. These dynamic events at bottlenecks
induce important permeability fluctuations. The particle-particle and particle-wall
interactions also play important roles on the clogging dynamics. Three different scenarios
are discussed by analogy to crowd swarming: panic scenario (0.01 mM) where repulsion
between particles induce pushing effects leading to the creation of robust arches
at pore entrances; herding instinct scenario (10 mM) where the attraction (in secondary
minima) between particles enhances the transport in pores and delays clogging; sacrifice
scenario (100 mM) where the capture efficiency is high but the aggregates formed at
the wall are fragile. These analyses illustrate the importance of collective behaviour
exhibited by interacting particles during fouling. The fouling phenomena by biological
particles (bacteria) are analysed in terms of the streamer formation conditions and
mechanisms. The streamer formation phenomena are in turn analysed by playing with
the cultivation conditions (the carbon to nitrogen ratio in the substrate) in order
to study the effect of extracellular polymeric substances (EPS) on the process. The
results show that EPS (and hence the bacterial cultivation conditions) play crucial
role in streamer formation by microorganisms under flow in constrictions. Furthermore,
the presence of non-EPS producing bacterial species along with EPS producing species
in a mixed culture enhances the streamer formation. On the other hand, filtration
of mixed particles and bacteria suspensions show that the presence of bacteria substantially
modifies the clogging dynamics. Microfluidic devices with specific configurations
have also been developed for fractionation in order to maximize performances of these
processes. The preliminary results with these chips in cross-flow conditions show
that it is possible to limit the clogging impact by working below a critical flux;
their use for continuous microparticles fractionation could be then considered.
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Documentation
