La compréhension du transport moléculaire et/ou colloïdal au sein de milieux poreux complexes et parfois multi-échelles est un prérequis dans de nombreux domaines ayant une importance environnementale, culturelle ou industrielle.
De la dépollution à la géothermie : de nombreuses applications
Dans le cadre de la gestion des sols, on peut citer en particulier :
- l’amélioration des processus de remédiation des sols dans le cadre de l’expansion forte et prévisible des cités de demain. La remédiation des sols pollués implique des processus de transport en confinement de molécules et/ou de colloïdes couplés à des processus d’adsorption/désorption aux interfaces solide/liquide. Les argiles et les silts jouent ici un rôle prépondérant ;
- le transport et l’éventuel colmatage plus ou moins contrôlé d’horizon poreux par des colloïdes argileux ou non, comme par exemple dans les applications de géothermie.
Les deux domaines se rejoignent dans la remédiation des sols par injection de nanoparticules (Engineering nano material).
Un projet de recherche ambitieux
Le projet de recherche que nous développons dans le cadre du LCR CARMEN, impliquant PHENIX (Sorbonne Université-CNRS), l’IPCMS (Equipe d’O. Ersen) et IFPEN, a pour ambition, sur trois ou quatre systèmes de poreux reconstitués (argile+colloïdes de silice), de coupler la connaissance approfondie et multi-échelle du réseau de pores au suivi in situ du transport diffusif moléculaire et/ou colloïdal.
Le projet de recherche que nous proposons dans le cadre du LCR CARMEN, impliquant PHENIX (Sorbonne Université-CNRS), l’IPCMS (équipe d’O. Ersen) et IFPEN, a pour ambition, dans le diagramme ternaire argile-eau-particule de silice (jouant le rôle de silts), de coupler la connaissance approfondie et multi-échelle du réseau de pores au suivi in situ du transport diffusif moléculaire et/ou colloïdal.
Choix et stratégies de mélanges des milieux poreux
Dans ce cadre, le choix et la nature des milieux poreux est à définir. Ici, nous ne visons pas l’étude de sols d’origine naturelle, trop complexes et dont la variabilité pédologique est importante.
Les systèmes utilisés seront des milieux poreux granulaires mixtes reconstitués à partir de mélanges d’argiles (gonflantes ou non, de taille et de chimie contrôlées) et de particules de silice de tailles variables (allant d’une fraction de µm à plusieurs dizaines de µm.
Plusieurs stratégies de mélange seront tentées (PHENIX), permettant soit d’associer des grains d’argile avec des grains de silice, soit de générer des enrobages des silices par une couverture d’argile. L’adjonction de polyélectrolytes permettant de contrôler la floculation des argiles est envisagée.
Contrôler l’humidité pour un suivi structural des argiles
Un contrôle du potentiel chimique de l’eau (humidité relative et/ou degré de saturation hydrique) sera effectué. L’évolution de ce paramètre pourra être utilisée pour définir une histoire hydrique des échantillons induisant une évolution structurale des matériaux poreux.
Ici, l’expertise de l’IFPEN, en ce qui concerne le contrôle de l’humidité, sera cruciale afin d’ étudier des états de remplissage non saturés en eau. Un suivi de l’évolution locale des argiles sera effectué par DRX (Diffraction des rayons X) avec notamment l’étude de l’évolution de la pseudo -raie 001.
Un plan de recherche en trois temps
Le plan de ce projet de recherche se divise en trois parties complémentaires. En parallèle et indépendamment du travail de thèse de Syvagen Vydelingum, une analyse prospective sera développée autour du transport colloïdal.
Quelles techniques pour connaître la structure du réseau de pores ?
Dans un premier temps, l’étude géométrique des milieux poreux sera effectuée en couplant plusieurs techniques :
- la diffusion de rayonnement X ou neutrons aux petits angles (SAXS, SANS), accessible à l’IFPEN, sur synchrotron (ligne SWING) et à l’ILL ;
- la tomographie par rayon X (IFPEN-SOLEIL-PHENIX) ;
- la microscopie X haute et basse énergie (SOLEIL, ALBA, SLS) et la tomographie électronique haute résolution ainsi que la microscopie électronique en transmission in-situ en milieu partiellement saturé en eau (IPCMS).
La mise en place d’ une approche d’analyse multi-échelle sera également l’un des objectifs de ce projet, en essayant de combiner les images 3D obtenues à différentes résolutions spatiales.
La confrontation de ces différentes techniques devrait nous permettre de suivre les variations d’organisation structurale dans l’espace direct, dans une gamme d’échelle allant de 0,5 nm à plusieurs centaines de µm.
Quelles approches pour étudier le transport moléculaire ?
Une seconde partie concernera l’étude du transport moléculaire de l’eau au sein de ces matériaux poreux. Ce suivi utilisera les outils que propose PHENIX dans le cadre du développement expérimental et théorique de la RMN bas champ.
L’interaction de l’eau et sa dynamique aux interfaces du milieu poreux (ce que l’on pourrait appeler la nanomouillabilité) sera suivie par relaxométrie RMN à champ variable (NMRD, Nuclear Magnetic Relaxation Dispersion opérée à PHENIX) et par diffusion de neutron quasi-élastique (type temps-de-vol ou écho de spin / PHENIX-ILL).
L’ensemble de ces deux approches expérimentales nous permettra de suivre la dynamique sur une échelle de temps allant de la fraction de ns à 10 µs et de longueur s’étendant de 0.1 nm à 50 nm.
À plus grande échelle (µm ou plus), il sera nécessaire de qualifier les propriétés de transport diffusif en relation avec l’architecture et la topologie des milieux poreux.
Cette seconde étude utilisera essentiellement les techniques de résonance magnétique nucléaire disponibles à PHENIX et à l’IFPEN, et notamment les gradients de champ magnétique pulsés. Enfin, de récentes techniques dites 2D T2-Ω-T2 permettront une analyse mésoscopique du transport, mettant l’accent sur l’échange entre familles de pores de tailles différentes.
La théorie et la simulation numérique en renfort
Finalement, une approche théorique et numérique accompagnera ce travail expérimental. Elle se basera en grande partie sur des simulations numériques de la dynamique moléculaire (dynamique moléculaire, gros grain, Random Walk).
Celles-ci utiliseront explicitement les reconstructions expérimentales 3D obtenues par tomographies aux rayons X et électronique. Nous y associerons une approche de physique statistique utilisant les statistiques de premier passage que nous jugeons importante dans le cadre d’une analyse physique du changement d’échelle de type « bottom-up ».