Thèse soutenue par Filippo MIELE le 1er septembre 2020, Institut des sciences de la Terre (ISTE)
La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les composantes d’un mélange d’une phase liquide et d’une phase solide (particules, colloïdes) au travers d’un milieu poreux, un filtre. Ce phénomène est très utilisée dans le domaine de l’agroalimentaire, de la chimie, de la pharmacie et par de nombreuses espèces animales, principalement aquatiques qui trouvent leur nutriment en suspension dans le milieux aquatique.
Cette thèse de doctorat propose un nouveau cadre théorique pour la filtration par milieux poreux caractérisé par une forte l’hétérogénéité. La théorie de la filtration classique (CFT) est formulée adopte un point de vue macroscopique dans lequel la filtration est décrite en termes de deux processus principaux : le transport et la rétention qui sont les 2 formulés à l’échelle du milieu poreux, où sa structure réelle est remplacée par un système virtuel / efficace dont les propriétés d’écoulement moyennes correspondent à celles du milieu poreux. Même si la CFT fournit une description de la filtration qui, grâce à une formulation simple et macroscopique, permet de surmonter les difficultés liées à la nature complexe de la filtration, des observations via des expériences de laboratoire en colonne ont montré que les quantités diagnostiques macroscopiques qui sont généralement définies pour décrire la filtration, les courbes de restitution et les profils de dépôt, s’écartent quantitativement et qualitativement des prédictions du CFT.
Avec cette thèse de doctorat, nous avons l’intention de proposer un nouveau cadre théorique pour la filtration par milieu poreux en adoptant le point de vue de la particule individuelle (un colloïde ou un micro-organisme) qui circule à travers l’espace confiné (celui du milieu poreux).
D’une part, nous formulons le problème de filtration en termes de mécanismes fondamentaux de transport et d’attachement vécus par les particules individuelles en termes de trois processus stochastiques et markoviennes : la longueur de rétention des particules, leur vitesse sur une telle longueur et le taux d’attachement. Le modèle proposé prédit des com-portements de filtration anormaux, similaires à celui rapporté dans la littérature.
D’autre part, nous développons une nouvelle configuration expérimentale, basée sur la microfluidique et la vidéo-microscopie qui per-met d’étudier la nature multi-échelle du phénomène de filtration des colloïdes et des micro-organismes et, enfin, l’agrégation des bactéries en agrégats que nos expériences indiquent être responsables de l’apparition des streamers.
