Littérature scientifique sur le sujet « Comportement de colmatage »

La production de gaz de grande pureté impose la plupart du temps l'utilisation de filtres haute efficacité qui évoluent au cours du temps, imposant leur remplacement périodique lorsqu'ils sont colmatés ou leur décolmatage séquentiel. Des recherches se sont développées sur la mise au point de procédés permettant de contrôler, voire de limiter, le colmatage. C'est par exemple le cas des filtres à écoulement tangentiel et du nettoyage continu par ultrasons ou par ondes de choc. Dans notre étude, le procédé envisagé est l'utilisation couplée de la fluidisation et de la filtration. Son intérêt réside dans le fait qu'il permet de filtrer un gaz tout en contrôlant le colmatage de lé́lément filtrant par le frottement des particules fluidisées sur celui-ci. Seule une fraction du gaz est filtrée, l'autre traverse le lit pout maintenir la fluidisation. La zone filtrante peut occuper tout ou partie du lit fluidisé, elle peut être constituée par des éléments filtrants immergés dans le lit ou par les parois de celui-ci permettant ainsi un montage parallèle de type filtre presse. La disparition progressive du gaz de la zone fluidisée entraîne un gradient vertical de vitesse qui modifie l'aspect de la fluidisation et conduit à une hydrodynamique particulière. Le principe de fonctionnement est le suivant : le fluide à traiter entre à la base du module. Les grains du lit, fluidisés par le gaz entrant, sont animés d'un mouvement aléatoire. Certains grains viennent donc en contact de la paroi filtrante. De part leur frottement sur cette paroi, ils permettent "d'éroder" le gâteau de particules formé et par conséquent de limiter son épaisseur. Les agrégats de particules décollés du médium filtrant sont ensuite entraînés vers le haut du lit. Par conséquent, la fraction du gaz traversant l'élément filtrant est totalement épurée tandis que le reste du fluide traverse le lit fluidisé sur toute sa hauteur et se concentre en particules
The production of gas of great purity usually requires use of high effectiveness filters, wich change with the time, imposing the need for periodic replacement when they are clogged or their sequential unclogging. Some researches developed on the adjustment of processes allow to control or to limit the clogging of the filter. It is for example the case of the tangential filtration and continuous cleaning by ultrasounds or shock waves. In our study, the process considered is the coupled use of fluidization and filtration. The interest of this process lies in the fact it allows the filtration of a gas while controling the clogging of the filter medium by the action of the fluidized particles friction on it. As a result, only a fraction of the gas is filtered, whereas the remaining one goes over through the bed to maintain the fluidization. The filter zone can occupy the whole or part of the fluidized bed. It can consist of filter elements immersed in the bed or by elements forming the walls of the bed. So, a parallel assembly, like a filter press employed in water treatment, can be used. The flow of a part of the gas through the filter medium leads to a vertical velocity gradient, which modifies the aspect of the fluidization and leads to a particular hydrodynamics of this process. The principle of the process is the following : the gas to be treated enters the lower part of the module. The grains of the bed, fluidized by the inflowing gas, are imparted a random movement. Some grains therefore come into contact with the filter wall. By rubbing on this wall they scrape the particle cake, therby limiting its formation on the filter surface. The aggregates of particles removed from the filter wall are then entrained towards the top of the bed. Consequently, part of the gas passing trough the filtering element is totally purified while the remaining fraction of the gas crosses the entire heigh of the fluidized bed and it concentrates in particles

Le développement de l’énergie nucléaire durant les dernières années nécessite de trouver des solutions pour le stockage et le confinement des déchets radioactifs. Une solution envisagée est l’enfouissement dans les formations argileuses peu perméables comme les argilites. Dans cette perspective, l’Andra a mis l’accent sur l’étude du comportement à court et à long terme de l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx), considérée comme une roche hôte potentielle en France. Dans le cadre de ce projet, une étude expérimentale microscopique et macroscopique sur le comportement thermo-hydro-mécanique de l’argilite du COx a été réalisée. Dans un premier temps, une investigation microstructurale des propriétés de rétention d’eau a été réalisée. L’étude de la courbe de rétention d’eau déterminée par la technique de contrôle de succion par phase vapeur et incluant les changements de volume et de degré de saturation en fonction de la succion le long des chemins de séchage et humidification a été complétée par une étude microstructurale basées sur des mesures porosimétriques par intrusion de mercure sur éprouvettes lyophilisées. On observe que les concepts régissant l’hydratation des smectites peuvent être utilisés pour une meilleure compréhension des effets de changement de teneur en eau sur la microstructure de l’argilite. Le comportement en compression-gonflement avec un aspect microstructural a été étudié par la réalisation d’un programme d’essai oedométriques haute pression et l’utilisation conjointe de la porosimétrie au mercure et le microscope électronique à balayage. Les résultats obtenus ont montré que le potentiel du gonflement était lié à la densité de fissuration engendrée lors de la compression. Le comportement thermo-mécanique de l’argilite du COx saturée a été étudié à partir d’essais de cisaillement et de chauffage en condition drainée réalisés à l’aide d’une cellule triaxiale cylindre creux à faible chemin de drainage. Les essais de cisaillement à 25°Cmontrent des résistances au cisaillement plus faible pour des éprouvettes de plus forte porosité. Les essais triaxiaux à 80°C montrent un comportement plus ductile, une résistance au cisaillement moins importante et pas d’effet significatif sur les paramètres élastiques de l’argilite. L’analyse des résultats des essais de chauffage drainée confirme un comportement plastique contractant, similaire aux argiles normalement consolidées, pour l’argilite du COx. La possibilité de réactivation d’un plan de cisaillement lors d’un essai de chauffage non drainé d’un échantillon de l’argilite du COx est mise en évidence. Les résultats obtenus montrent que la pressurisation thermique du fluide interstitiel peut, du fait du relâchement de contrainte induit, réactiver une fissure de cisaillement existante. Les propriétés d’auto-colmatage de l’argilite du Callovo-Oxfordien, dans une gamme de température de 25-80°C, ont été étudiées par la réalisation d’essais de perméabilité sur un échantillon endommagé par un chargement déviatorique. Les résultats montrent que la présence des plans de cisaillement n’affecte pas la perméabilité, ce qui confirme la bonne capacité d’auto-colmatage de l’argilite du COx
The development of nuclear energy in recent years requires safe solutions for the storage of radioactive waste. A solution proposed for high activity radioactive waste is the storage indeep low permeability geological formations such as claystones. In this perspective, Andra, the French agency for the management of radioactive wastes, supported investigations on theshort and long term behaviour of the Callovo-Oxfordian (COx) claystone, considered as apotential host rock in France. In this framework, a microscopic and macroscopic experimental study on the thermo-hydro-mechanical behaviour of COx claystone was carried out. In this work, a microstructure investigation of the water retention properties of the Cox claystone was performed. The water retention properties were determined by controlling suction through the vapour phase, with also the monitoring of volume changes and changes indegree of saturation as a function of suction along the drying and wetting paths. The study was completed by a microstructure investigation based on the use of mercury intrusion porosimetry on freeze-dried specimens. It was observed that the concepts governing the hydration of smectites appeared useful to better understand the effects of changes in water content and suction on the microstructure of COx claystone. In a second step, the compression-swelling behaviour of the COx claystone was related to micro structure features by performing high pressure oedometer compression tests and byrunning mercury intrusion porosimetry tests and scanning electron microscope observationson specimens submitted to compression and stress release. The results obtained showed that the potential of swelling was linked to the density of cracks generated during compression. The thermo-mechanical behaviour of fully saturated COx claystone specimens was investigated from shear and drained heating tests using a hollow cylinder triaxial device specially developed for low permeability materials. The shear tests at 25°C evidenced lowershear strength on specimens with higher porosity. The preliminary results obtained at 80°Cevidenced a more ductile response, with slightly smaller shear strength and little changes of the elastic parameters at elevated temperature. Drained isotropic heating tests confirmed thecontracting volumetric plastic behaviour of the COx argillite, similar to normally consolidated clays. The effect of thermal pressurisation of the pore water on a specimen with a pre-existingshear plan was investigated. The results showed that undrained heating under shear stress decreased the effective stress, bringing back the sheared specimen to failure. The self-sealing properties of COx claystone at 25 and 80°C were investigated by conducting steady state permeability tests on sheared specimens at various stages. The results showed that the overall permeability of the sheared specimen at 25 and 80°C was comparable to that before shearing, confirming the good self-sealing properties of COx claystone

La manière dont les particules en suspension se déposent et conduisent au colmatage des milieux poreux est cruciale pour de nombreux scénarios d’application. Cette recherche utilise un modèle de milieu poreux transparent pour visualiser la sédimentation et le dépôt des particules. L’utilisation d’un algorithme de détection de particules sur des images obtenues par caméra rapid permet de suivre leurs trajectoires et leurs vitesses. L’analyse du comportement mécanique de ces particules est menée en fonction de la taille des particules et de celle des pores. Premièrement, l’analyse a montré que la gravité régit le mouvement d’une seule particule. Les trajectoires d’une particule injectée à différentes positions se rejoignent une fois qu’elles aient passé les premiers obstacles. Chaque trajectoire contourne les obstacles tout en conservant un mouvement globalement vertical d’infiltration profonde. Quant à la vitesse, elle est influencée par la présence d’obstacles et celle du fluide. Ensuite, l’injection d’un nombre croissant de particules a permis de montrer un nombre critique de particules au-delà duquel les particules s’accumulent dans le milieu poreux. Ce nombre critique dépend du rapport des tailles des particules et des pores. Cette accumulation de particules conduirait au colmatage du milieu poreux caractérisé par un flux sortant de particules nul. Le comptage du nombre de cas de colmatage parmi les nombreux essais réalisés a permis de quantifier la probabilité de colmatage selon le nombre de particules injectées et selon le rapport de tailles
How suspended particles deposit and lead to clogging in a porous medium is crucial for many application scenarios. This research uses a transparent model of porous medium to visualize particle behaviors. The use of a particle detection algorithm on highspeed camera images enables us to track particle trajectories and velocities. The particle mechanical behavior is analyzed at different size ratios (particle size divided by pore size). Firstly, analysis has shown that gravity governs the single particle motion. The trajectories of a particle injected at different positions converge once it has passed the first obstacles. Each trajectory bypasses the obstacles while maintaining an overall vertical motion of deep infiltration. Velocity is influenced by the presence of obstacles and the fluid itself. Next, the injection of an increasing number of particles has demonstrated a critical number of particles beyond which particles accumulate in the porous medium. This critical number depends on the size ratio. This accumulation would lead to clogging and can be characterized by zero particle outflow. By counting the number of clogging cases over multiple tests, we can quantify the probability of clogging as a function of the number of particles injected and the particle size ratio

Etude en laboratoire du comportement de la bentonite green-bond dont on envisage l'usage dans les remblais de forages de sites de stockage de dechets radioactifs. On etudie en particulier le gonflement de l'argile avec de l'eau, son erosion par un ecoulement d'eau demineralisee. On procede a la reconnaissance de l'influence des processus chimiques sur le comportement de l'argile, les phenomenes d'erosion n'apparaissant que pour des forces ioniques faibles et donc des conductivites faibles

Lors de ce travail de thèse nous avons étudié le comportement à long terme de différentes membranes échangeuses d'anions et membranes échangeuses de cations utilisées en électrodialyse conventionnelle pour l'industrie agroalimentaire. Certaines de ces membranes sont du type homogène et d'autres du type hétérogène. La méthodologie suivie tout au long de ce travail est basée sur la comparaison de nombreuses propriétés physico-chimiques, structurales et mécaniques d'échantillons neufs et d'autres vieillis dans un module d'électrodialyse industriel (in-situ) ou selon des protocoles que nous avons mis au point en laboratoire (ex-situ).L'étude du vieillissement in-situ des différentes membranes échangeuses d'ions utilisées dans le traitement des acides organiques et dans la déminéralisation du lactosérum nous a permis de confirmer que les membranes échangeuses d'anions sont beaucoup plus sensibles au vieillissement que les membranes échangeuses de cations. Par ailleurs, nous avons démontré que les changements dans les propriétés de transport, et donc dans les performances des membranes, dépendent en grande partie des modifications survenues sur leur microstructure. Nous avons apporté des améliorations au modèle micro-hétérogène pour permettre d'interpréter et de quantifier les conséquences du vieillissement des membranes échangeuses d'ions. L'effet des opérations de nettoyage sur le comportement à long terme des membranes échangeuse d'ions utilisées dans les opérations d'électrodialyse en agroalimentaire a fait l'objet de notre étude ex-situ. Ce vieillissement est effectué par des solutions acides, alcalines ou par cycles alternant les deux solutions, ou également par des solutions oxydantes de type eau de Javel. Nous avons démontré, entre autres, que les cycles de nettoyage acide-base effectués lors des opérations d'électrodialyse en agroalimentaire engendrent d'importantes dégradations sur les membranes échangeuses d'anions et que ce nettoyage est la cause essentielle du vieillissement des membranes échangeuses d'anions homogènes utilisées en électrodialyse pour la déminéralisation du lactosérum. Une confrontation entre les résultats obtenus par les vieillissements ex-situ et in-situ nous permet de confirmer leur similarité. Ainsi, nous pouvons proposer que, sous des conditions opératoires bien choisies, les études ex-situ sont bien adaptées pour la réalisation d'un vieillissement artificiel contrôlé
The long term behavior of anion and cation-exchange membranes used in conventional electrodialysis for food industry applications was investigated. Some of these membranes were homogeneous and some others were heterogeneous. The approach of this thesis is based upon the analysis of several physico-chemical, structural and mechanical properties of new samples and aged ones in electrodialysis stacks (in-situ) or under artificial ageing protocols at laboratory scale (ex-situ).The in-situ investigation of different ion-exchange membranes used in the purification of organic acids and in whey demineralization confirmed that anion-exchange membranes are more prone to degradation than the cation-exchange membranes. It was observed, as well, that changes in the transport properties, and subsequently in the membrane performance, are dependant of the modifications of the membrane microstructure. The microheterogeneous model was improved and applied for the interpretation and quantification of the ageing consequences on ion-exchange membranes. Assessment of the cleaning process effect on the long term behavior of ion-exchange membranes used in electrodialysis for the food industry applications was the objective of the ex-situ investigation. The ageing protocols were performed using acidic or alkaline solutions or by alternating both of them, as well as in oxidant bleach solutions. Among other findings, it was proven that the damage caused by the acid-base cleaning cycles provoked severe degradation to anion-exchange membranes. Furthermore this cleaning process was the main cause of ageing of homogeneous anion-exchange membranes in electrodialysis for whey demineralization. Comparisons between results obtained by in-situ and ex-situ ageing protocols confirmed their similarity. Therefore, it may be considered that under well-chosen operation conditions, ex-situ investigation is a well adapted method for the artificial ageing

L'excavation de galeries souterraines engendre en général une zone endommagée par des fractures. Dans le cadre du stockage des déchets radioactifs en couches argileuses profondes, ce réseau de fractures désature la roche hôte et lui fait perdre ses propriétés de confinement (très faible perméabilité, bonne résistance mécanique). Cette thèse se concentre sur l'argilite du Callovo-Oxfordien (COx), une formation géologique choisie en France (Bure, Meuse/Haute-Marne) pour son potentiel en tant que barrière de confinement des déchets radioactifs. En utilisant une approche expérimentale, l'impact de la propagation et de l'auto-colmatage des fissures sur la perméabilité à l'eau et au gaz de l'argilite du COx a été étudié. Des essais d'auto-colmatage ont été réalisés sur des éprouvettes cylindriques artificiellement fracturées sous tomographie aux rayons X, sous différentes orientations (parallèle et perpendiculaire au plan de litage) et températures, avec différentes teneurs en calcite, différentes largeurs d'ouverture de la fracture initiale, et avec l'injection de différents fluides tels que l'eau et le gaz. L'objectif étant de mieux comprendre l'impact de ces différents facteurs sur le processus d'auto-colmatage de l'argilite du COx (évolutions de la perméabilité et de la fermeture de la fracture). Par ailleurs, des essais de fracturation avec mesure de la perméabilité au gaz ont également été réalisés pour les deux orientations afin d'étudier l'impact de l'endommagement par microfissuration sur les propriétés hydrauliques de l'argilite du COx. Il a été observé que la composition minéralogique de l'argilite joue un rôle déterminant dans l'efficacité de l'auto-colmatage. Une teneur élevée en calcite, associée à une faible teneur en argile, a été identifiée comme un facteur limitant, compromettant ainsi la capacité de la roche à se colmater de manière efficace. Pour garantir un colmatage efficace, il est nécessaire que la concentration en calcite reste en deçà de 40%. En général, le processus d'auto-colmatage est rapide au début du test puis se stabilise après un mois. La perméabilité à l'eau des échantillons est partiellement restaurée (~10-18-10-19 m²) par rapport à la perméabilité initiale de l'argilite saine (c'est-à-dire sans fracture) (~10-20-10-21 m²) et la fermeture de la fracture est quasi totale. Par ailleurs, le processus d'auto-colmatage semble être tout aussi efficace pour les orientations parallèles et perpendiculaires. L'impact de la température sur le processus d'auto-colmatage n'a pas été démontré de manière évidente. En ce qui concerne l'injection simultanée de gaz inerte et d'eau, notre étude a mis en évidence un effet retardateur sur la réduction de la perméabilité à l'eau, principalement en raison de la désaturation induite par le gaz. Malgré ce retard, le processus d'auto-colmatage s'est avéré efficace, induisant une réduction significative de la perméabilité. Les essais de fracturation (essais de compression triaxiale) ont montré que la perméabilité au gaz diminue progressivement pour les deux orientations avec l'augmentation de la contrainte déviatorique, illustrant la fermeture des fissures initiales due à la compression axiale des échantillons. Pour des contraintes déviatoriques plus élevées, une augmentation significative de la perméabilité au gaz est observée près du seuil de dilatance, en particulier dans les échantillons orientés parallèlement au plan de litage. Cela suggère un lien étroit entre l'ouverture des microfissures et l'augmentation de la perméabilité
The excavation of underground galleries generally results in a zone damaged by fractures. In the context of the storage of radioactive waste in deep clay layers, this network of fractures desaturates the host rock and causes it to lose its confinement properties (very low permeability, good mechanical strength). This thesis focuses on the Callovo-Oxfordian claystone (COx), a geological formation chosen in France (Bure, Meuse/Haute-Marne) for its potential as a containment barrier for radioactive waste. Using an experimental approach, the impact of crack propagation and self-sealing on the water and gas permeability of the COx claystone was studied. Self-sealing tests were carried out on cylindrical specimens artificially fractured under X-ray tomography, under different orientations (parallel and perpendicular to the bedding plane) and temperatures, with different calcite contents, different opening widths of the initial fracture, and with the injection of different fluids such as water and gas. The objective being to better understand the impact of these different factors on the self-sealing process of the COx claystone (changes in permeability and fracture closure). Furthermore, fracturing tests with measurement of gas permeability were also carried out for the two orientations in order to study the impact of microcracking damage on the hydraulic properties of the COx claystone. It has been observed that the mineralogical composition of the claystone plays a determining role in the effectiveness of self-sealing. High calcite content, combined with low clay content, has been identified as a limiting factor, thereby compromising the rock's ability to self-seal effectively. To guarantee effective sealing, it is necessary that the calcite content remains below 40%. In general, the self-sealing process is rapid at the start of the test and then stabilizes after a month. The water permeability of the samples is partially restored (~10-18-10-19 m²) compared to the initial permeability of healthy claystone (i.e. without fracture) (~10-20- 10-21 m²) and the closure of the fracture is almost complete. Furthermore, the self-sealing process appears to be equally effective for both parallel and perpendicular orientations. The impact of temperature on the self-sealing process has not been clearly demonstrated. Regarding the simultaneous injection of inert gas and water, our study demonstrated a retarding effect on the reduction of water permeability, mainly due to gas-induced desaturation. Despite this delay, the self-sealing process proved effective, inducing a significant reduction in permeability. The fracturing tests (triaxial compression tests) showed that the gas permeability gradually decreases for both orientations with increasing deviatoric stress, illustrating the closure of the initial cracks due to the axial compression of the samples. For higher deviatoric stresses, a significant increase in gas permeability is observed near the dilatancy threshold, particularly in samples oriented parallel to the bedding plane. This suggests a close link between the opening of microcracks and the increase in permeability