Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Impact des hétérogénéités physico-chimiques sur le transport et la rétention de nanoparticules dans les sols

Laboratoire principal - Référent principal GERS - EE  -  PEYNEAU Pierre-Emmanuel      tél. : +33 240845736

Directeur du laboratoire principal PEYNEAU Pierre-Emmanuel  -

Spécialité de la thèse Hydrodynamique physico-chimique, transport réactif en milieu poreux

Axe 3 - COP2017 - Aménager et protéger les territoires

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription Université Bretagne Loire

Ecole doctorale EGAAL - Ecologie, Géosciences, Agronomie et Alimentation

Directeur de thèse prévu BECHET Béatrice  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - EE

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Profil recherché
Le candidat aura reçu une formation en physique ou en physico-chimie et disposera d’une expérience en modélisation numérique. Il est également souhaitable qu’il ait un goût pour les expériences et leur interprétation détaillée.

Contexte
La compréhension des différents facteurs influençant la rétention et le relargage de colloïdes (microbes, argiles, nanoparticules, etc.) en milieu poreux (sols, membranes, filtres) est très importante dans de nombreux contextes, industriels comme environnementaux (transport de contaminants facilité par la présence de colloïdes [1], techniques de dépollution ou de détection de polluants traces reposant sur l’injection de nanoparticules [2], etc.). Il s’agit d’un sujet extrêmement riche et complexe compte tenu de la diversité des processus dans lesquels ces particules peuvent être impliquées [3,4] : forces d’origine hydrodynamique, osmotique, mouvement brownien lié à l’agitation thermique, interactions électrostatiques avec les surfaces solides, réactivité chimique…

Les approches théoriques utilisées pour prédire la rétention colloïdale en milieu poreux donnent dans certains cas (en particulier en conditions dites « défavorables », lorsque les charges moyennes des colloïdes et des surfaces solides sont de même signe) des résultats peu en accord avec la réalité expérimentale [5]. Cette mauvaise adéquation entre théorie et expérience est souvent attribuée à l’hétérogénéité physique (rugosité des grains à petite échelle) et/ou chimique (inhomogénéité de la charge électrique portée par les surfaces solides, liée par exemple à la présence d’oxydes métalliques) du milieu poreux considéré [6,7]. Pour autant, les conséquences quantitatives de cette hypothèse sur le transport et la rétention de colloïdes en milieu poreux n’ont jamais été étudiées de façon détaillée alors même que ces propriétés revêtent une importance pratique considérable.

Objectifs
Dans ce travail, on s’attachera à étudier l’impact d’hétérogénéités physico-chimiques (irrégularité des surfaces de la matrice solide, inhomogénéités de la charge de surface) sur le transport de colloïdes dans différents milieux poreux plus ou moins modèles du point de vue de leur géométrie et des hétérogénéités physico-chimiques qu’ils présentent (capillaires cylindriques, billes de verre, sables).

On s’intéressera en particulier à l’influence de la taille (de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres), de la forme (sphères, tiges, cubes…) et de la chimie de surface des colloïdes. Nous ferons également varier le débit (qui influence les interactions hydrodynamiques), le pH et la force ionique (quantités susceptibles de modifier les interactions électrostatiques) de la suspension colloïdale injectée. Nous nous intéresserons enfin à l’influence de la présence éventuelle d’une fraction argileuse (les argiles constituent en effet des colloïdes présents naturellement dans les sols, susceptibles d’affecter le transport d’autres espèces colloïdales [8]).

Méthodes
Ce travail, s’appuiera sur une double approche, expérimentale et numérique. La partie expérimentale reposera sur la détermination des propriétés physico-chimiques des milieux poreux et des suspensions utilisées ainsi que sur des mesures de courbes de percée de colloïdes dans un tube cylindrique (lisse ou rugueux [9]), puis dans des colonnes homogènes garnies de différents milieux poreux présentant plusieurs niveaux d’hétérogénéités locales : billes de verre lisses ou rugueuses, sable d’Ottawa (modérément anguleux), sable d’Hostun (très anguleux et qui présente des anfractuosités). Les colloïdes utilisés seront des nanoparticules d’or : il existe en effet une grande variété de suspensions d’or colloïdal et il s’agit de surcroît de nanoparticules détectables par de nombreuses méthodes. Différentes techniques analytiques seront potentiellement employées : détection de nanoparticules individuelles par spectrométrie de masse, diffusion dynamique de la lumière, zêtamétrie, spectroscopie UV-visible, fluorimétrie.

La partie numérique reposera quant à elle sur la prise en compte de l’impact des hétérogénéités physiques et/ou chimiques à l’échelle de la taille des pores et sur l’extrapolation des effets constatés à l’échelle macroscopique. On s’attachera en particulier à modéliser finement l’influence d’hétérogénéités physico-chimiques sur l’écoulement et les interactions électrostatiques, qui sont deux des principaux processus régissant le transport des particules browniennes que sont les colloïdes.

Environnement scientifique
Directrice de thèse :
• Béatrice Béchet (LEE, Ifsttar, https://www.ifsttar.fr/menu-haut/annuaire/fiche-personnelle/personne/bechet-beatrice)
Encadrants :
• Pierre-Emmanuel Peyneau (LEE, Ifsttar, http://www.ifsttar.fr/menu-haut/annuaire/fiche-personnelle/personne/peyneau-pierre-emmanuel)
• Denis Courtier-Murias (LEE, Ifsttar, https://deniscourtiermurias.wordpress.com/)

La thèse se déroulera au laboratoire Eau et Environnement (IFSTTAR Nantes).

Impact
Au moins deux publications semblent envisageables :
• Transport de nanoparticules dans un tube cylindrique
• Transport de nanoparticules dans des milieux poreux de complexité croissante

Références
[1] Durin, B. (2006). Transfert et transport colloïdal de polluants métalliques. Thèse de doctorat de l’Université de Nantes.
[2] Tosco, T., Papini, M. P., Viggi, C. C., & Sethi, R. (2014). Nanoscale zerovalent iron particles for groundwater remediation: a review. Journal of cleaner production, 77, 10-21.
[3] Squires, T. M., Messinger, R. J., & Manalis, S. R. (2008). Making it stick: convection, reaction and diffusion in surface-based biosensors. Nature biotechnology, 26(4), 417.
[4] Cejas, C. M., Monti, F., Truchet, M., Burnouf, J. P., & Tabeling, P. (2018). Universal diagram for the kinetics of particle deposition in microchannels. Physical Review E, 98(6), 062606.
[5] Tufenkji, N., & Elimelech, M. (2004). Deviation from the classical colloid filtration theory in the presence of repulsive DLVO interactions. Langmuir, 20(25), 10818-10828.
[6] Torkzaban, S., & Bradford, S. A. (2016). Critical role of surface roughness on colloid retention and release in porous media. Water research, 88, 274-284.
[7] Tufenkji, N., & Elimelech, M. (2005). Breakdown of colloid filtration theory: Role of the secondary energy minimum and surface charge heterogeneities. Langmuir, 21(3), 841-852.
[8] Motellier, S., Locatelli, D., & Bera, R. (2019). Insight into the Crucial Role of Secondary Mineral Phases in the Transfer of Gold Nanoparticles through a Sand Column Using Online ICP-MS/spICP-MS Monitoring. Environmental science & technology, 53(18), 10714-10722.
[9] Peters, T. L., Nestrick, T. J., & Lamparski, L. L. (1982). Etching borosilicate glass capillary columns. Analytical Chemistry, 54(13), 2397-2398.

Mots-clefs: Sols, polluants, nanoparticules, transport, rétention, courbes de percée, spectrométrie de masse, diffusion dynamique de la lumière, simulation numérique.

Laboratoire principal - Référent principal	GERS - EE - PEYNEAU Pierre-Emmanuel tél. : +33 240845736
Directeur du laboratoire principal	PEYNEAU Pierre-Emmanuel -
Spécialité de la thèse	Hydrodynamique physico-chimique, transport réactif en milieu poreux
Axe	3 - COP2017 - Aménager et protéger les territoires
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	Université Bretagne Loire
Ecole doctorale	EGAAL - Ecologie, Géosciences, Agronomie et Alimentation
Directeur de thèse prévu	BECHET Béatrice - Université Gustave Eiffel - GERS - EE
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Profil recherché Le candidat aura reçu une formation en physique ou en physico-chimie et disposera d’une expérience en modélisation numérique. Il est également souhaitable qu’il ait un goût pour les expériences et leur interprétation détaillée. Contexte La compréhension des différents facteurs influençant la rétention et le relargage de colloïdes (microbes, argiles, nanoparticules, etc.) en milieu poreux (sols, membranes, filtres) est très importante dans de nombreux contextes, industriels comme environnementaux (transport de contaminants facilité par la présence de colloïdes [1], techniques de dépollution ou de détection de polluants traces reposant sur l’injection de nanoparticules [2], etc.). Il s’agit d’un sujet extrêmement riche et complexe compte tenu de la diversité des processus dans lesquels ces particules peuvent être impliquées [3,4] : forces d’origine hydrodynamique, osmotique, mouvement brownien lié à l’agitation thermique, interactions électrostatiques avec les surfaces solides, réactivité chimique… Les approches théoriques utilisées pour prédire la rétention colloïdale en milieu poreux donnent dans certains cas (en particulier en conditions dites « défavorables », lorsque les charges moyennes des colloïdes et des surfaces solides sont de même signe) des résultats peu en accord avec la réalité expérimentale [5]. Cette mauvaise adéquation entre théorie et expérience est souvent attribuée à l’hétérogénéité physique (rugosité des grains à petite échelle) et/ou chimique (inhomogénéité de la charge électrique portée par les surfaces solides, liée par exemple à la présence d’oxydes métalliques) du milieu poreux considéré [6,7]. Pour autant, les conséquences quantitatives de cette hypothèse sur le transport et la rétention de colloïdes en milieu poreux n’ont jamais été étudiées de façon détaillée alors même que ces propriétés revêtent une importance pratique considérable. Objectifs Dans ce travail, on s’attachera à étudier l’impact d’hétérogénéités physico-chimiques (irrégularité des surfaces de la matrice solide, inhomogénéités de la charge de surface) sur le transport de colloïdes dans différents milieux poreux plus ou moins modèles du point de vue de leur géométrie et des hétérogénéités physico-chimiques qu’ils présentent (capillaires cylindriques, billes de verre, sables). On s’intéressera en particulier à l’influence de la taille (de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres), de la forme (sphères, tiges, cubes…) et de la chimie de surface des colloïdes. Nous ferons également varier le débit (qui influence les interactions hydrodynamiques), le pH et la force ionique (quantités susceptibles de modifier les interactions électrostatiques) de la suspension colloïdale injectée. Nous nous intéresserons enfin à l’influence de la présence éventuelle d’une fraction argileuse (les argiles constituent en effet des colloïdes présents naturellement dans les sols, susceptibles d’affecter le transport d’autres espèces colloïdales [8]). Méthodes Ce travail, s’appuiera sur une double approche, expérimentale et numérique. La partie expérimentale reposera sur la détermination des propriétés physico-chimiques des milieux poreux et des suspensions utilisées ainsi que sur des mesures de courbes de percée de colloïdes dans un tube cylindrique (lisse ou rugueux [9]), puis dans des colonnes homogènes garnies de différents milieux poreux présentant plusieurs niveaux d’hétérogénéités locales : billes de verre lisses ou rugueuses, sable d’Ottawa (modérément anguleux), sable d’Hostun (très anguleux et qui présente des anfractuosités). Les colloïdes utilisés seront des nanoparticules d’or : il existe en effet une grande variété de suspensions d’or colloïdal et il s’agit de surcroît de nanoparticules détectables par de nombreuses méthodes. Différentes techniques analytiques seront potentiellement employées : détection de nanoparticules individuelles par spectrométrie de masse, diffusion dynamique de la lumière, zêtamétrie, spectroscopie UV-visible, fluorimétrie. La partie numérique reposera quant à elle sur la prise en compte de l’impact des hétérogénéités physiques et/ou chimiques à l’échelle de la taille des pores et sur l’extrapolation des effets constatés à l’échelle macroscopique. On s’attachera en particulier à modéliser finement l’influence d’hétérogénéités physico-chimiques sur l’écoulement et les interactions électrostatiques, qui sont deux des principaux processus régissant le transport des particules browniennes que sont les colloïdes. Environnement scientifique Directrice de thèse : • Béatrice Béchet (LEE, Ifsttar, https://www.ifsttar.fr/menu-haut/annuaire/fiche-personnelle/personne/bechet-beatrice) Encadrants : • Pierre-Emmanuel Peyneau (LEE, Ifsttar, http://www.ifsttar.fr/menu-haut/annuaire/fiche-personnelle/personne/peyneau-pierre-emmanuel) • Denis Courtier-Murias (LEE, Ifsttar, https://deniscourtiermurias.wordpress.com/) La thèse se déroulera au laboratoire Eau et Environnement (IFSTTAR Nantes). Impact Au moins deux publications semblent envisageables : • Transport de nanoparticules dans un tube cylindrique • Transport de nanoparticules dans des milieux poreux de complexité croissante Références [1] Durin, B. (2006). Transfert et transport colloïdal de polluants métalliques. Thèse de doctorat de l’Université de Nantes. [2] Tosco, T., Papini, M. P., Viggi, C. C., & Sethi, R. (2014). Nanoscale zerovalent iron particles for groundwater remediation: a review. Journal of cleaner production, 77, 10-21. [3] Squires, T. M., Messinger, R. J., & Manalis, S. R. (2008). Making it stick: convection, reaction and diffusion in surface-based biosensors. Nature biotechnology, 26(4), 417. [4] Cejas, C. M., Monti, F., Truchet, M., Burnouf, J. P., & Tabeling, P. (2018). Universal diagram for the kinetics of particle deposition in microchannels. Physical Review E, 98(6), 062606. [5] Tufenkji, N., & Elimelech, M. (2004). Deviation from the classical colloid filtration theory in the presence of repulsive DLVO interactions. Langmuir, 20(25), 10818-10828. [6] Torkzaban, S., & Bradford, S. A. (2016). Critical role of surface roughness on colloid retention and release in porous media. Water research, 88, 274-284. [7] Tufenkji, N., & Elimelech, M. (2005). Breakdown of colloid filtration theory: Role of the secondary energy minimum and surface charge heterogeneities. Langmuir, 21(3), 841-852. [8] Motellier, S., Locatelli, D., & Bera, R. (2019). Insight into the Crucial Role of Secondary Mineral Phases in the Transfer of Gold Nanoparticles through a Sand Column Using Online ICP-MS/spICP-MS Monitoring. Environmental science & technology, 53(18), 10714-10722. [9] Peters, T. L., Nestrick, T. J., & Lamparski, L. L. (1982). Etching borosilicate glass capillary columns. Analytical Chemistry, 54(13), 2397-2398.
Mots-clefs:	Sols, polluants, nanoparticules, transport, rétention, courbes de percée, spectrométrie de masse, diffusion dynamique de la lumière, simulation numérique.

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