Littérature scientifique sur le sujet « Transport réactif diffusif »

Résumé L’assainissement des eaux usées par infiltration percolation appartient à la filière de traitement des rejets polluants à cultures fixées. Dans un contexte géographique spécifique et pour une population avoisinant 500 à 1 000 équivalents habitants, elle paraît bien indiquée. Filière dite rustique, elle n’en est pas moins complexe. L’objectif de cette étude est de contribuer, à travers une simulation numérique, à la compréhension des phénomènes physiques et biochimiques qui s’établissent au sein d’un lit d’infiltration percolation. Les aspects essentiels à l’activité bactérienne que sont l’hydrodynamique du milieu poreux, le développement de la biomasse active, le transport, la consommation et les transferts d’oxygène y sont abordés. À travers des essais d’une vérification méthodique du modèle effectuée à partir des solutions analytiques, il ressort principalement que la dispersion hydrodynamique et le taux de dégradation ont des effets contraires sur le rendement d’abattement des charges polluantes. En outre, un résultat significatif obtenu est la comparaison qualitative et quantitative des apports convectifs et diffusifs en oxygène au sein des lits d’infiltration percolation qui sont à aération naturelle.

Une étude à l'échelle centimétrique de l'interface redox situé à la limite entre mixolimnion et monimolimnion d'un lac méromictique (le lac Pavin) a permis d'observer très finement l'évolution de la concentration d'un certain nombre d'éléments chimiques. Nous avons choisi de présenter ici des résultats concernant 5 éléments qui présentent des comportements très contrastés : le rubidium, le fer, le baryum, le vanadium et le manganèse. La comparaison avec un élément conservatif, le sodium, montre que Rb est conservatif, que Fe, Ba et V sont précipités et que Mn est dissous dans cette zone. Une modélisation de ces concentrations en vue de préciser à quelle profondeur et avec quelle vitesse se produisent les réactions concernant ces éléments nécessite la détermination des paramètres de transport au voisinage de cet interface. Une représentation analytique des concentrations de sodium permet de calculer le coefficient de diffusion turbulente Kz en fonction de la profondeur. Au voisinage de l'interface redox, ce coefficient est très petit (0,0017m2/jour) et inférieur au coefficient de diffusion thermique moléculaire. Les concentrations des éléments étudiés ont pu être représentés avec précisions par des polynômes en fonction de la concentration en sodium. Cela permet d'estimer les vitesses des réactions de précipitation dissolution en fonction de la profondeur. Le rubidium n'est affecté par aucune réaction. Le fer précipite entre 63 et 65 m, le baryum entre 68 et 72 m tandis que le vanadium précipite à la fois dans ces 2 zones. Le manganèse réagit dans une zone très étroite : il est précipité entre 61,5 et 62 m et dissous entre 62,8 et 63,1 m. Une étude similaire de tous les éléments majeurs (y compris pH et COD) pourrait permettre d'élucider les processus qui conduisent à ces comportements complexes.

Background: The main reservoir of Enterobacterales is the human gut, which has been reported as a source of hospital acquired infection. Enterobacterales carrying the extended spectrum β-lactamase (ESBL) genes have emerged over the years as significant multidrug resistant (MDR) pathogens, that have hindered effective therapy of infections caused by them, and limited treatment to a small number of drugs such as carbapenems, leading to selection pressure and emergent resistance to carbapenems. The objective of this study was to determine the faecal carriage of ESBL-producing Enterobacterales (ESPL-PE) among children under 5 years of age at the Ladoke Akintola University of Technology Teaching Hospital, Ogbomoso, Nigeria. Methodology: A total of 144 children under 5 years of age were consecutively recruited over a period of 5 months from the paediatrics outpatient clinic, children emergency, paediatrics ward, and neonatal unit of the hospital. Rectal swabs were collected from selected children and transported to the medical microbiology laboratory of the hospital for inoculation on MacConkey agar plates and aerobic incubation at 37oC for 24 hours. All positive growth on the culture plates were identified by colony morphology, Gram stain reaction and conventional biochemical tests scheme. Antimicrobial susceptibility test was performed by the disc diffusion method against selected antibiotics, and ESBL production was confirmed by the double disc synergy test (DDST). Association of risk factors with ESBL-PE faecal carriage was determined using Chi‑square or Fisher Exact test, with statistical significance set at p< 0.05. Results: The prevalence of ESBL-PE faecal carriage was 37.5% (54/144), with 34.7% (50/144) for Escherichia coli and 2.1% (3/144) for Klebsiella pneumoniae. The overall resistance rate of both ESBL and non-ESBL producing isolates were to ampicillin (100.0%), amoxicillin- clavulanic acid (96.2%), ceftazidime (94.3%) and ciprofloxacin (90.6%), while resistance to carbapenems was low at 22.2%. Significant risk factors associated with ESBL-PE faecal carriage were age group 24-59 months (p=0.0187), prior intake of antibiotics (p=0.014), and intake of antibiotics without prescription (p=0.0159), while gender (p=0.8877), mother’s education level (p=0.3831) and previous hospital visit (p=0.8669) were not significantly associated with faecal ESBL carriage. Conclusion: The relatively high faecal carriage rate of ESBL-PE in children <5 years of age in our study highlights the risk for antimicrobial resistance transmission within the hospital and community. French title: Transport fécal d'entérobactéries productrices de β-lactamases à spectre étendu (ESBL-PE) chez des enfants de moins de cinq ans dans un hôpital tertiaire du sud-ouest du Nigéria Contexte: Le principal réservoir d’Enterobacterales est l’intestin humain, qui a été signalé comme source d’infections nosocomiales. Les Entérobactéries porteuses des gènes des β-lactamases à spectre étendu (BLSE) sont apparues au fil des années comme d'importants agents pathogènes multirésistants (MDR), qui ont entravé le traitement efficace des infections provoquées par elles et ont limité le traitement à un petit nombre de médicaments tels que les carbapénèmes, conduisant à une pression de sélection et à une résistance émergente aux carbapénèmes. L'objectif de cette étude était de déterminer le portage fécal d'entérobactéries productrices de BLSE (ESPL-PE) chez les enfants de moins de 5 ans à l'hôpital universitaire de technologie Ladoke Akintola, à Ogbomoso, au Nigeria. Méthodologie: Au total, 144 enfants de moins de 5 ans ont été recrutés consécutivement sur une période de 5 mois dans la clinique externe de pédiatrie, les urgences pédiatriques, le service de pédiatrie et l'unité néonatale de l'hôpital. Des écouvillons rectaux ont été prélevés sur des enfants sélectionnés et transportés au laboratoire de microbiologie médicale de l'hôpital pour inoculation sur plaques de gélose MacConkey et incubation aérobie à 37°C pendant 24 heures. Toutes les croissances positives sur les plaques de culture ont été identifiées par la morphologie des colonies, la réaction de coloration de Gram et le schéma de tests biochimiques conventionnels. Le test de sensibilité aux antimicrobiens a été réalisé par la méthode de diffusion sur disque contre des antibiotiques sélectionnés, et la production de BLSE a été confirmée par le test de synergie à double disque (DDST). L'association des facteurs de risque avec le portage fécal des BLSE-PE a été déterminée à l'aide du test du Chi carré ou de Fisher Exact, avec une signification statistique fixée à p<0,05. Résultats: La prévalence du portage fécal des BLSE-PE était de 37,5% (54/144), dont 34,7% (50/144) pourEscherichia coli et 2,1% (3/144) pour Klebsiella pneumoniae. Le taux de résistance global des isolats produisant et non des BLSE était à l'ampicilline (100,0%), à l'amoxicilline-acide clavulanique (96,2%), à la ceftazidime (94,3%) et à la ciprofloxacine (90,6%), tandis que la résistance aux carbapénèmes était faible à 22,2%. Les facteurs de risque significatifs associés au portage fécal de BLSE-PE étaient le groupe d'âge de 24 à 59 mois (p=0,0187), la prise antérieure d'antibiotiques (p=0,014) et la prise d'antibiotiques sans ordonnance (p= 0,0159), tandis que le sexe (p=0,8877), le niveau d'éducation de la mère (p=0,3831) et la visite antérieure à l'hôpital (p=0,8669) n'étaient pas significativement associés au portage fécal de BLSE. Conclusion: Le taux de portage fécal relativement élevé d'EP-BLSE chez les enfants de moins de 5 ans dans notre étude met en évidence le risque de transmission de la résistance aux antimicrobiens au sein de l'hôpital et de la communauté.

Le nom « alpe » d’origine prélatine, dont le radical alp signifie « montagne », est commun à tout le territoire en question. L’espace physique ainsi dénommé crée une série d’oppositions entre la plaine et la montagne, entre la ville et la montagne et entre les populations intra-alpines, dotées de connaissances spécifiques pour vivre dans cet espace, et les populations demeurant à l’extérieur des Alpes ou les traversant (voir aussi Monde alpin). Redécouvertes à l’époque des Lumières, dans un cadre positiviste, les Alpes deviennent un objet de spéculation philosophique (Rousseau 1761) et d’étude pour les sciences naturelles, notamment la biologie, et la médecine. L’apport de ces disciplines ne manqua pas d’influencer le regard porté par le monde urbain sur les Alpes, à partir de ce moment. En suivant l’exemple du philosophe et naturaliste Horace B. de Saussure (1779-1796), qui explora cette région à la fin du 18e siècle et qui accomplit l’ascension du mont blanc en 1787, un an après la première de Balmat et Paccard, les voyageurs anglais à leur tour découvrirent les Alpes et opposèrent la grandeur de ces paysages au côté misérabiliste des populations rencontrées, dans le cadre d’une sorte d’anthropologie spontanée empreinte d’idéologie, où les locaux sont perçus et décrits comme des survivances de sociétés primitives et donc étrangères à la nature sophistiquée de leurs observateurs. La naissance de l’alpinisme se situe dans ce contexte. En tant que paysage, les Alpes jouent un rôle important à l’âge romantique : Étienne Pivert de Senancour (1804) est le premier écrivain romantique à les avoir parcourues dans un but contemplatif. Objet contradictoire, les Alpes sont souvent peintes en vertu de leur beauté terrifiante. Au fil de voyages initiatiques, de découvertes et de rencontres, la vision romantique s’enrichit jusqu’à acquérir une dimension pédagogique, voire d’édification morale (Töpffer 1844), et nourrit encore en partie les représentations collectives de nos jours. Intégrées dans la société globale, les Alpes exercent un attrait sur le citadin depuis deux siècles. Celui-ci y projette tantôt la nostalgie d’un univers sauvage, tantôt le désir de conquérir et de domestiquer l’espace naturel. Les collections présentes dans quelques grands musées urbains font aussi partie de ce regard que les villes portent sur les Alpes, notamment au cours de la première moitié du 20e siècle. Tel est le cas des objets de la vie quotidienne réunis par Hippolyte Müller, fondateur du Musée Dauphinois, et par les plus de 8000 collectés par Georges Amoudruz, qui ont été acquis par le Musée d’Ethnographie de Genève. Ce n’est que plus récemment que les Alpes sont devenues un objet d’étude pour les géographes (Raoul Blanchard fonde en 1913 la Revue de géographie alpine) : les problématiques sociales, territoriales et environnementales des espaces montagnards sont au centre de ces recherches. Enfin, les anthropologues s’y sont intéressés aussi en privilégiant une approche qui combine l’étique et l’émique (voir Monde alpin). Terres de contrastes, les Alpes échappent à toute catégorisation trop stricte, tantôt appréhendées comme une unité qui efface les spécificités, tantôt comme un ensemble problématique : « un vaste territoire dont l'unité se décompose en un grand nombre de variétés régionales » que le géographe étudie en portant à la lumière « de multiples problèmes relatifs à de multiples pays » (Arbos 1922). Bätzing (2003, 2007) propose un essai de définition des Alpes en montrant la difficulté de la tâche à cause de l’absence de frontières claires, que ce soit sur le plan géographique ou sur le plan humain. Il désigne cette variabilité géographique comme l’origine du problème pour l’éclosion d’une politique alpine. Par exemple, la définition classique des Alpes en tant que massif au-delà de la frontière où poussent les arbres (1900-2200 mètres) est aujourd’hui contestée après la mise en évidence de l’existence de montagnes hautes, très arides et sans glaciers, qui ne rentrent pas dans cette définition. Quant à Fernand Braudel (1966) et Germaine Veyret-Verner (1949), qui introduisent la dimension sociale à travers les études démographiques, définissent les Alpes comme un espace isolé, à l’écart des bouleversements de l’histoire. Ces théories ont été depuis sérieusement remises en question, les archéologues ayant amplement démontré que déjà pendant la préhistoire les Alpes étaient le théâtre de passages et d’échanges. Une deuxième définition, qui est à la base de la loi anthropogéographique des Alpes théorisée par Philippe Arbos (1922), l’un des pères fondateurs de la géographie alpine, et de l’alpwirtschaft de John Frödin (1940), est centrée sur les notions de pente et de verticalité, impliquant une organisation humaine et une modalité d’exploitation de la montagne par étagements successifs où tout est lié dans un système d’interdépendance et de complémentarité. Cette définition est aussi partiellement dépassée : le système traditionnel s’est transformé (sédentarisation des populations, abandon de la montagne, nouvelles installations à cause du tourisme). D’ailleurs, le tourisme, qui semble une constante de l’espace alpin contemporain, n’est pourtant pas présent partout : le tourisme touche moins de 40 % des communes des Alpes (Bätzing 2007). D’autres façons de délimiter les Alpes font référence aux unités géographiques formées par les vallées (ayant chacune son histoire, son évolution et son organisation pour l’exploitation des ressources locales) ou par les groupements de massifs et de sommets (qui revêtent un intérêt notamment pour les alpinistes) : dans le premier cas les frontières passent par les cours d’eau, dans le deuxième par les sommets. Enfin, la division politico-administrative est une autre tentative de définition : les Alpes sont partagées et loties sur la base de subdivisions territoriales qui en ont fait « un facteur de séparation plus ou moins déterminant » (Fourny 2006), à la base de conflits, notamment lorsque les aires culturelles ne recoupent pas les délimitations politiques, ce qui est assez fréquent, étant donné que les unités de peuplement, de langue, de religion, se différencient dans les plaines et les vallées et non sur les lignes de crête. Le signe le plus manifeste en est la langue. En effet, les Alpes sont une vraie mosaïque de groupes linguistiques, ethniques et religieux : des populations de langue provençale du secteur sud-occidental aux populations slaves de l’extrémité orientale. Parfois la variation existe à l’intérieur de la même vallée et remonte au Moyen Âge, par exemple dans les vallées occitanes et francoprovençales du secteur occidental, versant italien. Dans certains cas, elle est la conséquence de mouvements migratoires, tels que l’expansion colonisatrice des Walser, qui en partant de l’Oberland bernois entre le 13e et le 15e siècle se sont implantés dans plus de cent localités alpines sur une région très large qui va de la Savoie au Vorarlberg (Weiss 1959, Zinsli 1976), ou les déplacements des paysans carintiens et bavarois qui occupèrent la partie supérieure de nombreuses vallées des Alpes orientales, italiennes et slovènes. Les situations de contact linguistique dans les Alpes orientales italiennes et slovènes ont fait l’objet d’études anthropologiques de la part de Denison (1968) et de Brudner (1972). Le problème des relations entre milieu physique et organisation sociale est au cœur des études sur les Alpes. Les études de Philippe Arbos (1922) sont une réaction au déterminisme largement partagé jusqu’ici par les différents auteurs et se focalisent sur la capacité humaine d’influencer et de transformer le milieu. Dans ce filon possibiliste s’inscrit aussi Charles Parain (1979). Germaine Veyret-Verner (1949, 1959) introduit la notion d’optimum, à savoir l’équilibre démographique résultant de la régulation numérique de la population et de l’exploitation des ressources locales. Bernard Janin (1968) tente de cerner le processus de transformation économique et démographique dans le Val d’Aoste de l’après-guerre jusqu’aux années 1960, dans un moment perçu comme crucial. D’autres études se sont concentrées sur l’habitat humain, notamment sur l’opposition entre habitats dispersés, typiques des Alpes autrichiennes, bavaroises et suisses (et plus marginalement des Alpes slovènes : Thomas et Vojvoda, 1973) et habitats centralisés, typiques des Alpes françaises et italiennes (Weiss 1959 : 274-296 ; Cole et Wolf 1974). Au lieu de focaliser sur la variabilité interne des phénomènes alpins et sur leurs spécificités culturelles, quelques chercheurs sous la direction de Paul Guichonnet (1980) tentent une approche globale des Alpes, en tant qu’entité unitaire en relation avec d’autres espaces physiques et humains. Cette approche se développe parallèlement à la transition qui s’opère au niveau institutionnel où les Alpes deviennent un objet politique et ne sont plus un assemblage de régions : en effet, avec la Convention alpine (1991), les Alpes acquièrent une centralité en Europe. Plutôt que les confins d’un territoire national, elles sont perçues comme des lieux d’articulation politique, une région de frontières. Dans cette optique, les Alpes sont étudiées sous l’angle des forces extérieures qui les menacent (transport, tourisme, urbanisation, pollution) et qui en font un espace complémentaire de l’urbain et nécessaire à la civilisation des loisirs (Bergier 1996). C’est ainsi que « le territoire montagnard tire sa spécificité non pas d’un “lieu” mais de la complexité de la gestion de ce lieu. » (Gerbaux 1989 : 307) Attentifs au nouvel intérêt que la société porte sur les Alpes, après l’orientation vers les problèmes urbains, les anthropologues étudient la mutation rapide que connaît cet espace. Gérald Berthoud et Mondher Kilani (1984) entreprennent des recherches sur les transformations des Alpes en démontrant comment l’axe tradition-modernité demeure central dans les représentations des Alpes, toutes d’origine urbaine, qui se succèdent au fil des siècles, à tel point que les phénomènes contemporains y sont toujours interprétés en fonction du passé. Kilani (1984) décrit les Alpes comme un puissant lieu d’identification et analyse les effets de la manipulation de cette image figée sur les communautés alpines, que ce soient les images négatives renvoyant à la montagne marginale et arriérée ou les images utopiques de la nature vierge et du berceau de la tradition. La question de l’aménagement des Alpes étant devenue cruciale, en vue de la promotion touristique et de la préservation des milieux naturels, Bernard Crettaz met l’accent sur cette nouvelle représentation des Alpes qui régit l’aménagement contemporain et introduit la notion de disneylandisation (Crettaz 1994). Parallèlement, la floraison de musées du territoire semble être un signal parmi d’autres de cette volonté des populations locales de se libérer des représentations urbaines, qui en ont longtemps affecté le développement en imposant un sens univoque dans la diffusion de la pensée, et de raconter à leur tour les Alpes. Enfin, une réflexion sur l’avenir et le devenir des Alpes s’amorce (Debarbieux 2006), sur la déprise humaine entraînant un ensauvagement généralisé et la reforestation massive, qui est en train de progresser vers le haut, au-delà des limites écologiques, à cause du réchauffement climatique. À cette déprise, s’oppose la densification de l’impact humain le long des grands axes de communication (Debarbieux 2006 : 458), une constante de l’histoire alpine à l’échelle des millénaires, ayant comme conséquence un contraste croissant dans l’accessibilité entre les différentes localités, les villes situées le long des couloirs de circulation devenant toujours plus proches les unes des autres (Tschofen 1999 ; Borsdorf & Paal 2000). Marginalisation progressive ou reconquête de l’espace et de l’héritage?

Le stockage du CO2 dans les aquifères salins profonds a été reconnu comme l'une des voies les plus prometteuses pour atténuer les émissions atmosphériques de CO2 et répondre ainsi aux enjeux du changement climatique. Cependant, l’injection du CO2 dans le milieu poreux perturbe considérablement son équilibre thermodynamique. La zone proche du puits d’injection est particulièrement impactée avec une forte réactivité géochimique associée à d’intenses échanges thermiques. Cela a un impact majeur sur l’injectivité du réservoir et l’intégrité du stockage. A ces effets s’ajoute une complexité supplémentaire liée à la présence de deux phases non miscibles : la saumure et le CO2. Ces effets conduisent à des processus Thermo-Hydro-Mécaniques-Chimiques (THMC) fortement couplés, dont les interprétations ne sont pas encore abouties ni formellement implémentées dans les modèles numériques.Ce travail de thèse, associant des mesures expérimentales et des modélisations numériques, porte sur l’étude du couplage entre les gradients thermiques et les processus diffusifs de transport réactif se déroulant dans les aquifères salins, notamment dans la zone proche du puits d’injection. Nous avons étudié les échanges entre une phase froide CO2 anhydre qui s’écoule dans des zones de forte perméabilité, et une phase aqueuse salée chaude piégée dans la porosité de la roche. La stratégie de l'étude commence par une approche simple en milieu libre sans flux de CO2 afin d'étudier la réactivité des solutions salines de différentes compositions chimiques et d’évaluer l'impact d'un gradient thermique sur ce réseau réactionnel.Nous avons développé une cellule expérimentale permettant de superposer 2 à 3 couches de solution de concentration et composition chimique différentes. L’analyse de la lumière diffusée par les fluctuations de non-équilibre de la concentration et de la température permet de remonter aux coefficients de diffusion des sels dans l’eau. Nos résultats sont en bon accord avec les valeurs de la littérature. Pour ce qui est de l’étude du transport réactif diffusif, l’analyse du contraste des images a permis de mettre en évidence le fait que la précipitation de minéral, par mise en contact de deux couches aqueuses de sels réactifs, s’accompagne d’une instabilité convective qui s’estompe dans le temps. La modélisation numérique des résultats expérimentaux avec PHREEQC par une approche de diffusion multi-espèce hétérogène permet de rendre compte des instabilités convectives. Différents gradients de température ont été appliqués au système réactif, tout en conservant une température moyenne de 25 °C. Les observations expérimentales et les interprétations numériques montrent que le gradient de température n'a pas d’influence significative sur le comportement du système.Ensuite, nous avons étudié numériquement le processus de dessiccation (évaporation de l’eau) à l’interface entre une saumure piégée dans la porosité de la roche et du CO2 circulant dans une structure porale drainante, simulant les conditions de l’aquifère du Dogger du bassin parisien. Un modèle couplant l’évaporation de l’eau dans le flux de CO2 et la diffusion multi-espèces hétérogène des sels prévoit l’apparition d’un assemblage minéral au niveau du front d’évaporation, principalement composé d’halite et d’anhydrite. La modélisation de ce phénomène à l’échelle du réservoir nécessite la prise en compte de la vitesse d’évaporation en fonction du taux d’injection du CO2 et de l’évolution de la porosité au niveau de l’interface.Ce travail de thèse a permis de mettre en évidence plusieurs phénomènes physico-chimiques, thermo-physiques et de transport diffusif aux interfaces de phase. Ce qui ouvre de nouvelles perspectives d’amélioration des approches numériques et de modélisation à grande échelle notamment du proche puits d’injection du CO2 et des réservoirs de stockage géologique et soutenir les futurs développements industriels et technologiques pour la transition écologique
CO2 storage in deep saline aquifers has been recognised as one of the most promising ways to mitigate atmospheric CO2 emissions and thus respond to the challenges of climate change. However, the injection of CO2 into the porous medium considerabely disturbs its thermodynamic equilibrium. The near-well injection zone is particularly impacted with a strong geochemical reactivity associated with intense heat exchanges. This has a major impact on injectivity of the reservoir and the integrity of the storage. In addition to these effects, there is the added complexity of the presence of two immiscible phases: brine (wetting fluid) and CO2 (non-wetting fluid). These effects lead to highly coupled Thermo-Hydro-Mechanical-Chemical (THMC) processes, whose interpretations have not yet been completed nor formally implemented into the numerical models.This thesis work, combining experimental measurements and numerical modelling, focuses on the study of the coupling between the thermal gradients and the diffusive reactive transport processes taking place in the deep saline aquifers, particularly in the near-well injection zone. We studied the exchanges between a cold anhydrous CO2 phase flowing in high permeability zones, and a hot salty aqueous phase trapped in the porosity of the rock. The strategy of the study starts with a simple approach in a free medium without CO2 flow, in order to study the reactivity of saline solutions of different chemical compositions, and to evaluate the impact of a thermal gradient on this reaction network.We have developed an experimental cell that allow to superimpose 2 to 3 layers of solution of different concentration and chemical composition. The analysis of the light scattered by the non-equilibrium fluctuations of concentration and temperature allows to obtain the diffusion coefficients of salts in water. Our results are in good agreement with literature values. Regarding the study of diffusive reactive transport, the analysis of the contrast of the images allowed us to highlight the fact that the precipitation of minerals, obtained by superimposing two aqueous layers of reactive, is accompanied by a convective instability that fades with time. Numerical modelling of the experimental results with PHREEQC using a heterogeneous multicomponent diffusion approach has allowed us to account for these convective instabilities. Different temperature gradients were applied to the reactive system, while keeping a mean temperature of 25 °C. The experimental observations and numerical interpretations swhow that the temperature gradient has no significant influence on the behaviour of the system. Subsequently, we numerically studied the desiccation process (evaporation of water) at the interface between a brine trapped in the rock porosity and the CO2 flowing in a draining pore structure, simulating the conditions of the Dogger aquifer of the Paris basin. A model coupling the evaporation of water in the CO2 stream and the heterogeneous multicomponent diffusion of salts predicts the appearance of a mineral assemblage at the evaporation front, mainly composed by halite and anhydrite. Modelling this phenomenon at the reservoir scale would requires taking into account the evaporation rate as a function of the CO2 injection rate and the change in porosity at the interface.This thesis work has made it possible to highlight several physicochemical, thermophysical and diffusive transport phenomena at phase interfaces. This opens up new perspectives for improving numerical approaches and large-scale modelling, in particular of near-well injection of CO2 and geological storage reservoirs, and supports future industrial developments and technologies for the ecological transition

Ce travail concerne l'évolution au cours du temps d'un système carbonaté sous l'effet de phénomènes de transport et de processus chimiques. La diagenèse carbonatée étudiée ici est la calcitisation, i.e., la transformation en calcite de l'aragonite constituant le squelette des coraux du genre Porites. En effet, le corail, qui sécrète son squelette en environnement marin peut subir au cours de son histoire une évolution au milieu sub-aérien suite à l'émersion du récif. Le squelette aragonitique alors confiné dans les lentilles d'eau douce, caractéristiques des aquifères coralliens, devient métastable et peut, à terme, être totalement calcitisé.
La compréhension de ces phénomènes est appréhendée par une approche pluridisciplinaire qui relève à la fois de la géologie (1) et de la physique des milieux poreux (2).
1. Géologie - Différents stades de calcitisation sont investigués sur des coraux fossiles datés de l'Holocène et du Pléistocène échantillonnés sur les terrasses soulevées de Nouvelle-Calédonie, Vanuatu et Wallis et Futuna (Pacifique Sud-Ouest). Les produits de la diagenèse sont observés et caractérisés par différentes techniques d'analyses (Diffraction de Rayons X, microscopie optique, imagerie de cathodoluminescence, spectroscopie Raman, Microscopie Electronique à Balayage, microsonde électronique...) pour argumenter l'origine de la calcite néoformée et identifier les processus mis en jeu, notamment l'implication ou non d'une étape de transport.
2. Physique des milieux poreux - Les données expérimentales révèlent l'existence d'hétérogénéités structurales à l'échelle de la lame mince. Pour expliquer ces hétérogénéités, on développe, à l'échelle microscopique, un modèle de transport réactif multicomposant incluant les processus représentatifs de la diagenèse du corail (diffusion de type traceur, migration, adsorption/désorption, réactions cinétiques et /ou à l'équilibre). Des simulations numériques préliminaires 1D sont présentées et discutées pour évaluer l'importance relative des phénomènes intervenant dans la précipitation de la calcite. Ce type de simulations numériques peut servir de point de départ à une procédure de changement d'échelles, permettant d'intégrer des paramètres supplémentaires (notamment plusieurs échelles de descriptions...). Ceci est illustré à l'aide de la prise de moyenne volumique, dans le cas d'un échantillon 3D de Porites subissant un processus de transport réactif fortement idéalisé.

Cette thèse porte sur la simulation numérique de modèles couplés pour l'écoulement et le transport dans les milieux poreux. Nous présentons une nouvelle méthode de couplage entre les réactions chimiques et le transport en utilisant une méthode de Newton-Krylov, et nous étudions également un modèle d'écoulement en milieu fracturé qui traite l'intersection des fractures par une méthode de décomposition de domaine.
Ce travail est divisé en trois parties : la première partie contient une analyse de différents schémas numériques pour la discrétisation des problèmes d'advection-diffusion, notamment par une technique de séparation d'opérateurs, ainsi que leur mise en oeuvre informatique, dans un code industriel.
La deuxième partie, qui est la contribution majeure de cette thèse, est consacrée à la modélisation et à l'implémentation d'une méthode de couplage globale pour le transport réactif. Le système couplé transport-chimie est décrit, après discrétisation en temps, par un système d'équations non linéaires. La taille du système sous-jacent, à savoir le nombre de points de grille multiplié par le nombre d'espèces chimiques, interdit la résolution du système linéaire par une méthode directe. Pour remédier à cette difficulté, nous utilisons une méthode de Newton-Krylov qui évite de former et de factoriser la matrice Jacobienne.
Dans la dernière partie, nous présentons un modèle d'écoulement dans un milieu fracturé tridimensionnel, basé sur une méthode de décomposition de domaine, et qui traite l'intersection des fractures. Nous démontrons l'existence et l'unicité de la solution, et nous validons le modèle par des tests numériques.

Dans ce travail nous avons réalisé une étude expérimentale du mouillage réactif dans l'objectif de comprendre la relation existant entre l'étalement du liquide et la formation d'une nouvelle phase à l'interface liquide/solide. Les systèmes modèles choisis pour cette l'étude sont composés d'un substrat de carbone (carbone vitreux ou graphite monocristallin) et d'un alliage liquide constitué d'une matrice non-réactive (essentiellement Cu mais aussi Ni, Ge et Sn) et d'un soluté réactif formant un carbure mouillable (Si, Cr, B et Ti). Ce choix nous a permis d'obtenir les deux types d'étalement réactif, à contrôle chimique et à contrôle diffusionnel. Le suivi des cinétiques d'étalement a nécessité la mise en œuvre de méthodes spécifiques (goutte "déposée" et goutte "transférée") permettant de découpler le processus de formation d'une goutte et celui de son étalement sur un substrat. Le contrôle de l'état de surface des substrats et la caractérisation des interfaces ont été réalisés par différentes techniques: profilométrie optique haute résolution, microscopie optique, microscopie électronique à balayage, micronanalyse X et spectroscopie d'électons Auger. Pour les cinétiques d'étalement à contrôle chimique nous montrons que dans le cas général, le mouillage a lieu en une seule étape à vitesse d'étalement décroissante et que cette vitesse n'est fonction que de l'angle de contact instantanné. Nous définissons cet angle comme un angle d'équilibre reflétant continuellement le taux de recouvrement de l'interface par le produit de réaction à la ligne triple. Enfin, nous montrons que cinétique réactionnelle et cinétique d'étalement sont contrôlées par la dissolution du substrat. Pour les cinétiques à contrôle diffusionnel nous réalisons une modélisation numérique permettant de prendre en compte dans la description du mouillage la diffusion et la réaction interfaciale ayant lieu en arrière de la ligne triple, ou encore le phénomène d'évaporation/condensation pouvant intervenir en avant de la ligne triple
In this work we performed an experimental study of reactive wetting to understand the relation between the spreading of the liquid and the formation of a new phase at the liquid/solid interface. The model systems chosen for this study are composed by a carbon substrate (vitreous carbon or monocrystalline graphite) and a liquide alloy consisted of a non-reactive matrix (essentially Cu but also Ni, Ge and Sn) and a reactive solute (Si, Cr, B and Ti) forming a wettable carbide. This choice allows the two types of reactive spreading to be obtained, ie controlled by the chemical reaction or by the diffusion of the reactive solute. The spreading kinetics are studied using two specific methods (the "trasnfered" drop and the "dispensed" drop) which allow the processes of drop formation and of spreading to be separated. Surface control and characterization of the interfaces are performed using optical microscopy, high resolution optical profilometry, scanning electron microscopy, energy dispersion spectroscopy and Auger spectroscopy. In the case of spreading kinetics controlled by the chemical reaction we show that in the general case wetting usually takes place in a single stage at decreasing spreading velocity, and that this velocity depends only on the instantaneous contact angle. We define this contact angle as an equilibrium contact angle which reflects continually the coverage of the liquid/solid interface by the reaction product at the triple line. Finally, we show that reaction kinetics and spreading kinetics are controlled by the dissolution of the substrate. In the case of spreading kinetics controlled by the diffusion of the reactive solute, we perfom a numerical modelling which takes into account the role of the diffusion and interfacial reaction behind the triple line, and also the role of the evaporation/condensation which occurs ahead of the triple line

Dans le cadre de la maîtrise des risques associée au stockage et à l'entreposage des déchets nucléaires, le Commissariat à l'Énergie Atomique a un rôle d'expertise et conduit, dans ce sens, des recherches sur le devenir des polluants pour divers scénarios de contamination des sols et sous-sols. Dans cette thèse, on se focalise sur un matériau homogène constitué de sable de Fontainebleau inerte et de granules de glauconies (illite) présentant des propriétés de sorption. Ce milieu complexe présente différentes échelles d'observation. Sa conceptualisation en terme d'agencement géométrique et de lois agissant aux différentes échelles nous a permis d'établir un modèle macroscopique à l'échelle de Darcy. Les deux axes de recherche poursuivis sont l'impact de la réaction de sorption sur le transport du polluant et la dispersion en milieu non-saturé
In the context of nuclear risk control associated to nuclear waste storage, the french nuclear agency plays an increasing role in terms of research and development in the area of subsurface contamination. This study focuses on an homogeneous porous media constituted of Fontainebleau sand and clay grains (illite) presenting sorption capacities. The modeling of the complex geometry and physical phenomena at different scales enables us to describe the average transport at Darcy's scale. The two main axes developped are the impact of an heterogeneous sorption on transport phenomena and the dispersivity of an unsaturated porous media

Le devenir des polluants dans les sols constitue un enjeu environnemental majeur. Dans ce travail, nous apportons une contribution à quelques méthodes numériques pour la simulation de l'écoulement et du transfert de polluants en milieu poreux variablement saturés. La propagation d'un contaminant dans les milieux souterrains dépend en premier lieu des caractéristiques de l'écoulement qui le transporte. Dans la première partie de ce travail, nous présentons la méthode des éléments finis mixtes hybrides pour la résolution de l'équation de Richards. Une procédure de condensation de la masse est proposée pour éviter l'apparition d'oscillations non physiques, notamment lors de la simulation de problèmes d'infiltration dans un milieu initialement sec.Dans la deuxième partie de ce travail, la méthode ELLAM (Eulerian-Lagrangian Localized Adjoint Method) est utilisée pour la modélisation du transport réactif en milieux fortement hétérogènes. En effet, les résultats obtenus pour le transport linéaire, décrit par l'équation d'advection-dispersion, avec les ELLAM sont très encourageants. La méthode ELLAM permet (i) de s'affranchir des contraintes de discrétisations spatiale ettemporelle imposées avec les méthodes eulériennes classiques, (ii) de conserver la masse et (iii) de traiter toutes les conditions aux limites. Par ailleurs, nous proposons une nouvelle formulation des ELLAM (C_ELLAM) permettant d'éviter les oscillations numériques et de limiter la diffusion numérique générées parla formulation standard.Dans la dernière partie, le code de calcul élaboré avec la formulation C_ELLAM est utilisé pour la caractérisation de la macrodispersion dans les milieux hétérogènes. Pour ce faire, il est indispensable de disposer d'outils de simulation précis et efficaces car cette étude est basée sur une méthode Monte Carlo nécessitant la réalisation d'un très grand nombre de simulations sur des grilles de calcul de l'ordre du million de mailles. Les résultats obtenus sont comparés avec une étude antérieure basée sur le Random WalkParticle Method.

Le devenir des polluants dans les sols constitue un enjeu environnemental majeur. Dans ce travail, nous apportons une contribution à quelques méthodes numériques pour la simulation de l’écoulement et du transfert de polluants en milieu poreux variablement saturés. La propagation d’un contaminant dans les milieux souterrains dépend en premier lieu des caractéristiques de l’écoulement qui le transporte. Dans la première partie de ce travail, nous présentons la méthode des éléments finis mixtes hybrides pour la résolution de l’équation de Richards. Une procédure de condensation de la masse est proposée pour éviter l’apparition d’oscillations non physiques, notamment lors de la simulation de problèmes d’infiltration dans un milieu initialement sec.Dans la deuxième partie de ce travail, la méthode ELLAM (Eulerian-Lagrangian Localized Adjoint Method) est utilisée pour la modélisation du transport réactif en milieux fortement hétérogènes. En effet, les résultats obtenus pour le transport linéaire, décrit par l’équation d’advection-dispersion, avec les ELLAM sont très encourageants. La méthode ELLAM permet (i) de s’affranchir des contraintes de discrétisations spatiale ettemporelle imposées avec les méthodes eulériennes classiques, (ii) de conserver la masse et (iii) de traiter toutes les conditions aux limites. Par ailleurs, nous proposons une nouvelle formulation des ELLAM (C_ELLAM) permettant d’éviter les oscillations numériques et de limiter la diffusion numérique générées parla formulation standard.Dans la dernière partie, le code de calcul élaboré avec la formulation C_ELLAM est utilisé pour la caractérisation de la macrodispersion dans les milieux hétérogènes. Pour ce faire, il est indispensable de disposer d’outils de simulation précis et efficaces car cette étude est basée sur une méthode Monte Carlo nécessitant la réalisation d’un très grand nombre de simulations sur des grilles de calcul de l’ordre du million de mailles. Les résultats obtenus sont comparés avec une étude antérieure basée sur le Random WalkParticle Method
The fate of contaminants in soils is a major environmental challenge. In this work, we develop efficient and reliable numerical tools for simulation of water flow and distribution prediction of pollutants in variably saturated porous media. In the first part of this document, the mixed hybrid finite element method is presented for solving Richard’s equation. A mass lumping technique is proposed to avoid unphysical oscillations when sharp infiltration fronts are simulated. In the second part of this work, the Eulerian Lagrangian Localized Adjoint Method (ELLAM) is used for modeling reactive transport in highly heterogeneous domains. Solute transport is described mathematically by the advection-dispersion and results obtained with ELLAM are very encouraging. ELLAM allows (i)overcoming spatial and time discretizations constraints imposed by classical Eulerian method, (ii)conserving mass and (iii) treating general boundary conditions naturally in the formulation. Moreover, we introduce a new ELLAM scheme (C_ELLAM) which avoid unphysical oscillations and reduce the numerical dispersion generated by the standard formulation.In the last part of this document, the C_ELLAM scheme is used to characterize the macrodispersion of a nonreactive solute in heterogeneous domains. This study is based on Monte Carlo simulations andtherefore requires highly efficient simulators. Our results are compared with previous work using Random Walk Particle Method to solve the advection-dispersion equation

Nous avons développé un microlaboratoire pour étudier la diffusion et son couplage avec la réaction chimique. Il est constitué d’une chambre d’analyse dans laquelle on peut appliquer des champs électriques en deux dimensions pour obtenir des profils de concentration stationnaires ou non-stationnaires. La simplicité spatiale du flux électrophorétique utilisé permet d’appliquer systématiquement une analyse dans l’espace de Fourier. Ce traitement fournit le coefficient de diffusion d’un analyte pur ainsi que la constante thermodynamique et les constantes cinétiques d’un mélange réactif. D’autre part, nous avons étudié la réaction d’hybridation entre deux brins d’ADN et constitué une banque d’oligonucléotides avec des constantes cinétiques variées. Ces études nous ont mené à développer une sonde oligonucléotidique fluorescente à motif quadruplex permettant une discrimination cinétique lorsqu’elle s’hybride avec une séquence parfaitement complémentaire ou mésappariée.

Dans le concept actuel du stockage géologique des déchets radioactifs en France, les interfaces entre la roche encaissante, une argilite, et les matériaux cimentaires utilisés pour les bouchons de scellement et les corps des alvéoles de stockage pourraient subir une température de 70°C due à l’activité exothermique de déchets. Les évolutions minéralogiques, microstructurales et leurs conséquences sur les propriétés de transport à ces interfaces sont mal connues dans ces conditions de température.Deux dispositifs expérimentaux sont conçus. Le premier consiste à créer des interfaces pâte de ciment CEM I / argilite de Tournemire en cellules de diffusion. La chimie des solutions est suivie dans le temps et quatre échéances permettent d’étudier l’évolution temporelle des matériaux. Le second dispositif consiste à créer de telles interfaces in situ à 70°C dans le laboratoire souterrain de Tournemire. Ce dispositif, plus représentatif des conditions de stockage, est démantelé après un an d’interaction. Au préalable, le comportement de la pâte de ciment CEM I à l’issue d’une augmentation de température de 20 à 70°C est analysé. La modélisation en transport réactif (Hytec) est utilisée en support à la compréhension des évolutions physico-chimiques.La néoformation de tobermorite, de phillipsite (in situ uniquement), de C-A-S-H et de calcite formant un ruban à l’interface est avérée. Une cinétique de précipitation de la tobermorite a ainsi pu être évaluée. La pâte de ciment est décalcifiée et carbonatée. La porosité totale diminue dans la pâte de ciment, malgré une ouverture de la macroporosité par dissolution de portlandite. L’argilite semble être peu altérée. La température accélère la diffusion, tandis que les variations de porosité et le ruban ne changent pas significativement les propriétés de diffusion sur une année
Radioactive wastes in future deep geological disposals will generate heat and locally increase temperature in the engineered barriers and host-rock. In the French design of disposal cells, temperature may reach 70°C in cementitious materials and at their contact with the clayey host-rock. The impact of temperature under such disposal conditions is still poorly known, especially regarding the geochemical and physical evolution at the interface between these two materials.Two experimental devices are designed. The first involves creating interfaces between OPC paste and argillite of Tournemire in diffusion cells. The evolution of solutions and materials are analysed over time. The second device involves creating OPC paste / argillite interfaces at 70°C under in situ conditions in the underground laboratory of Tournemire (France). This device, more representative of a deep disposal, is dismantled after one year. Prior to interface study, behaviour of the OPC paste after a temperature increase from 20 and 70°C was analysed and simulated. Reactive transport modelling supports the experimental results in order to better understand the physico-chemical evolutions at the interface.Neoformation of tobermorite (well-crystallised C-S-H), phillipsite (only in situ), C-A-S-H and calcite formed a layer at the interface. A kinetic of tobermorite precipitation is evaluated. Significant decalcification and carbonation were noticed in the cement paste. Total porosity decreases in the cement paste despite an opening of the macroporosity due to portlandite dissolution. Argillite seems to be weakly altered even if alkaline plume goes deeply through it. Porosity changes do not alter significantly diffusive properties at the studied time scale

Au vu de leurs différentes propriétés, les matériaux cimentaires sont largement considérés dans les différents projets de gestion de déchets radioactifs. Leurs propriétés mécaniques, leurs faibles coefficients de transport ainsi que leur capacité à fixer les principaux radionucléides sont les principaux avantages qui en font un des meilleurs choix pour la conception des barrières ouvragées.Pour les études de sûreté, leur durabilité est capitale. Au cours de la vie d’un tel dépôt,via l’infiltration d’eau ou les interfaces chimiquement agressives avec les argiles, les différents matériaux vont subir des perturbations physicochimiques qui vont altérer leurs structures et potentiellement compromettre leurs fonctions de sûreté. L’étendue de ces perturbations, fondamentale pour l’étude de sûreté, est contrôlée par les propriétés de transport de ces matériaux.Pour modéliser proprement ces phénomènes, il faut pouvoir coupler les évolutions géochimiques des matériaux tout en évaluant le transport à travers ceux-ci. C’est le but de différents codes de transport réactif, qui utilisent une loi de rétroaction pour modifier les propriétés de transport lors d’une modification de microstructure. Le problème est qu’il n’existe pas de loi de rétroaction adaptée aux matériaux cimentaires, qui possèdent une structure poreuse complexe du nanomètre jusqu’à plusieurs micromètres. En général, des lois empiriques de type Archie sont utilisées. Toutefois, même l’utilisation de lois plus sophistiquées ne permet pas de reproduire sensiblement les évolutions liées à la structure porale. Cette loi de rétroaction est probablement la principale raison pour laquelle les résultats de simulation ont du mal à reproduire lesrésultats expérimentaux. Le but de cette thèse est de proposer une meilleure loi de rétroaction et de l’intégrer dans un code de transport réactif.Pour ce faire, trois approches complémentaires ont été mises en oeuvre. La première, expérimentale,consiste en la réalisation des matériaux cimentaires les plus simples possibles :des phases C-S-H pures et une pâte de ciment modèle. Ces matériaux sont ensuite caractérisés finement :leurs propriétés de transport sont évaluées et une description fine de leur microstructure est obtenue. L’approche expérimentale consiste ensuite en la dégradation (par lixiviation et carbonatation sous eau) de la pâte de ciment modèle, afin de comprendre l’impact de ces dégradations sur la microstructure et les propriétés de transport.La deuxième partie, numérique, consiste en l’obtention d’un volume élémentaire représentatif de la pâte de ciment modèle, basée sur les caractérisations expérimentales. Différentes analyses de sensibilité et de propriétés de transport permettent de comprendre les liens entre les différents paramètres et les propriétés effectives. Ensuite, l’approche numérique modélise les dégradations.Ces approches numériques démontrent pourquoi les approches empiriques fonctionnent dans certains cas, et pas dans d’autres.La dernière partie dédiée à la modélisation mathématique développe une approche d’homogénéisation statistique de la diffusion, basée sur une description du phénomène à l’échelle du pore. Cette étude met en évidence des paramètres clés qui contrôlent les propriétés effectives de diffusion.C’est ce pour quoi il est démontré que cette approche, en plus d’être très adaptée aux matériaux cimentaires, est applicable à un large spectre de microstructures. Les paramètres mis en évidences ont intrinsèquement sensibles aux propriétés de percolation et de connectivités de la structure poreuse, qui sont centrales pour la compréhension des propriétés effectives de transport ainsi que l’impact des dégradations. La finalité de la thèse consiste en le couplage de ces différentes approches et en l’incorporation de celles-ci dans un code de transport réactif. Les résultats obtenus en utilisant différentes lois de rétroaction sont comparés entre eux. L’utilisation de lois de rétroaction basée sur l’étude tri-dimensionnelle de la microstructure améliore la comparaison aux résultats expérimentaux.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie
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