L’objectif de cette thèse est de quantifier l’évolution de la surface réactive d’un silicate modèle (orthose) lors de son altération hydrothermale et estimer son impact sur la cinétique réactionnelle. L’étude porte sur : (1) l’influence de la présence de couverture de phases secondaires à même la surface de l’orthose, (2) l’impact de l’anisotropie de la structure cristalline de l’orthose et (3) l’effet de la formation de puits de corrosion en surface. Les résultats expérimentaux et numériques mettent en évidence que la vitesse de dissolution de l’orthose et son évolution au cours du temps dépendent essentiellement de sa morphologie.Certaines faces cristallines se dissolvent 10 fois plus rapidement que d’autres, entraînant une augmentation de la proportion de faces rapides au cours du processus et une élévation, jusqu’à un ordre de grandeur, de la vitesse de dissolution globale de l’orthose. Ces résultats ouvrent d’importantes pistes de réflexion sur la méthode adéquate pour rendre compte des cinétiques des interactions fluide/roche sur le terrain ainsi que sur la signification des lois de vitesse et des mécanismes réactionnels déterminés à partir d’expériences sur poudre. / This thesis aims at quantifying the reactive surface area evolution of dissolving K- feldspar, and evaluating the impact on the dissolution kinetics during its alteration in geothermal context. The study focuses on : (1) the influence of secondary coatings on the orthoclase surface, (2) the impact of the anisotropic crystalline structure of orthoclase and (3) the effect of etch pit formation on the mineral surface. Experimental and numerical results highlight that the orthoclase dissolution rate and its evolution over time mainly depends onits morphology. Some orthoclase faces dissolve 10 times faster than others, resulting in an increase of the surface proportion of rapid vs. slow dissolving faces during the process and the increase of up to an order of magnitude of the overall orthoclase dissolution rate. These results question the significance of rate laws and reaction mechanisms determined from powder experiments and the pave to new approaches for investigating mineral reactivity.

Les aciers maraging classiques doivent leurs propriétés mécaniques à une composition chimique contrôlée et à des traitements thermiques adaptés, conduisant à des microstructures de martensite revenue et de précipitation de phases durcissantes (carbures et intermétalliques). Les performances de ce type d’aciers, en constante amélioration, ont donné naissance, au cours de la dernière décade, à une nouvelle nuance, le ML340TM, répondant à des applications spécifiques dans le domaine de l’aéronautique. Bien que la composition chimique soit strictement contrôlée en imposant, entre autres, une très faible teneur d’azote, des nitrures d’aluminium (AlN), de quelques dizaines de microns, peuvent précipiter. La précipitation de ces nitrures peut être à l’origine de la formation de microfissures, dommageables aux propriétés de fatigue. L’amélioration de ces propriétés de fatigue passe incontestablement par une réduction drastique de la taille de ces nitrures. Au cours de cette étude, il est apparu que les paramètres thermiques et thermomécaniques pouvaient avoir une influence sur les grandeurs microstructurales des nitrures d’aluminium : fraction massique, densité surfacique, distributions en taille et spatiale. Cette tâche a été possible grâce à la mise en place d’une méthode automatisée couplant l’analyse d’images à celle de la composition chimique. Cette méthode originale permet ainsi de discriminer, par la taille et par la chimie, les nitrures d’aluminium des autres particules (inclusion, carbures, etc.). Le rôle de certains paramètres du traitement thermique (vitesse de refroidissement, temps et température de maintien isotherme, trempe étagée, trempe intermédiaire) sur les grandeurs microstructurales des nitrures d’aluminium a été clairement identifié. Par ailleurs, l’effet d’une déformation plastique à chaud, dans le domaine austénitique, sur les grandeurs microstructurales des nitrures d’aluminium précipités, a aussi été mis en exergue. In fine, nous avons, dans cette étude, mis en évidence que l’obtention d’une précipitation submicronique de nitrures d’aluminium passe par une conjugaison maîtrisée des différents paramètres des traitements thermiques et thermomécaniques / The mechanical properties of the conventional maraging steels are controlled by the choice of chemical composition and appropriate heat treatment parameters; the latter leading to martensitic microstructure and precipitation hardening phases (carbides and intermetallics). In the last decade, this steel family, that mechanical properties are in steady progress, has enabled the development of a new grade of steel, namely: the ML340TM. The performance of the ML340TM is scheduled to meet applications in the aeronautic domain. Despite a strictly controlled chemical composition, requiring very low nitrogen content, aluminium nitride (AlN) can precipitate with particle size up to few tens of microns. The precipitation of these nitrides could be at the origin of micro-cracks formation, which is responsible of the fatigue properties degradation. Improvement of the fatigue property is undoubtedly related to a drastic reduction of the nitrides size. During this study, it was found that the parameters of thermal and thermo-mechanical treatments might have an influence on microstructural features of aluminium nitrides: mass fraction, surface density, size and spatial distribution. This task was made possible thanks to the introduction of an automated method coupling the image analysis to the chemical composition. This unusual method allows discriminating, by size and by chemistry, aluminium nitrides from the other particles (carbides inclusion, etc.). The role of some of the heat treatment parameters (cooling rate, time and isothermal holding temperature, intermediate and direct quenching) on the microstructural features of aluminium nitrides has been clearly identified. Furthermore, hot plastic deformation, in the austenitic range, has a highlighted effect on the microstructure features of the aluminium nitrides. Ultimately, in this study, we have revealed that getting a submicron aluminium nitride precipitation is subjected to a controlled combination of thermal and thermo-mechanical parameters

Les météorites les plus primitives, appelées chondrites, sont les témoins privilégiés de la formation des premiers solides du système solaire et des processus qui ont conduit à la naissance des premiers corps planétaires. Les chondres, qui sont des sphérules ferromagnésiennes ignées, et leur matrice finement cristallisée constituent l’essentiel du volume des chondrites primitives. L’origine des chondres comme celle de la matrice est encore largement débattue. Cette thèse interroge les relations qui existent entre les chondres et la matrice à grains fins qui les auréole fréquemment, notamment dans les chondrites carbonées. En prenant l’exemple de la chondrite Vigarano (CV3) nous explorons la piste d’un continuum des conditions physico-chimiques pour former les chondres et leurs auréoles de matrice à grain fin. La thèse aborde cette problématique par une double approche : une approche expérimentale consacrée à la quantification des vitesses de dissolution de l’olivine dans des liquides silicatés caractéristiques des chondres de type I et une approche de caractérisation détaillée de la minéralogie, des fabriques et de la composition isotopique de l’oxygène des chondres et de leurs auréoles de matrice à grains fins dans Vigarano. Ces travaux suggèrent que chondre et matrice pourraient enregistrer une continuité d’interaction avec le gaz environnant, d’abord de type liquide/gaz (solubilité) pour la formation des chondres, puis de type solide/gaz (condensation) à plus basse température pour la formation des auréoles de matrice à grains fins / The most primitive meteorites, the chondrites, are our best witnesses of solar system birth and formation of first solids as well as processes that formed the first planetary bodies. Both chondrules, which are ferromagnesian igneous spherules, and fine-grained matrix, constitute the largest volume fraction of primitive chondrites. Their origin still constitutes a matter of debate. This thesis questions the relationship between chondrules and fine-grained matrix, called fine-grained rims, that frequently overlay chondrules in primitive carbonaceous chondrites. By taking the example of Vigarano (CV3), we explore the idea that chondrules and fine-grained rims could form in a continuum of physical and chemical conditions. This thesis combines both experimental and characterization approaches, with an experimental determination of olivine dissolution rates in molten silicates representative of type I chondrule melts and a detailed petrographic characterization of mineralogy, fabrics and oxygen isotopic composition of chondrules and their fine-grained rims in Vigarano. This work suggests that chondrules and their fine-grained rims could register a continuous interaction with surrounding gas, with first, chondrule formation from liquid/gas interaction (solubility) and then fine-grained rim formation, at lower temperature and from solid/gas interaction (condensation)

Different pulps were chemically (nitren) and biologically (enzyme) treated in order to improve the chemical accessibility and dissolution capacity in cold NaOH. The treatments effect on the pulp properties was accessed by studying the changes on their chemical and macromolecular structure and by analyzing the dissolution performance in cold NaOH.The nitren treatment has the effect of removing a large part of the xylan present in a dissolving pulp and is also removing mannans. Increasing the nitren concentrations will extract also cellulose and decrease its mean molar mass. These extractions are favorable for the dissolution in cold NaOH–water, being more effective with higher nitren concentrations. A maximum of 44.7% increase on the dissolution yield was achieved.The new enzymatic treatment shows a higher efficiency on promoting fibers accessibility to NaOH ions, (directly correlated with the enzymatic load), allowing a maximum increase of 150% on the dissolution yield. A slight decrease of the average molar mass was also seen. The different pulps reacted differently to the treatments, showing that the pulping pretreatments have an influence on the enzymatic efficiency. Using a mixture of enzymes and endoglucanase showed that the synergistic effect of these two enzymes is more effective on cellulose activation.Both nitren and enzymatic treatments are improving the pulp chemical accessibility mostly by modifying the structure of the primary wall and S1 wall. This promotes the swelling of these wood cell structures, allowing the access of the NaOH solvating ions into fiber regions not accessible on the original pulp. The nitren is disassembling the fiber surface with extraction of hemicelluloses and degrading the cellulosic structure.The use of this enzyme on the cellulose pulps activation towards dissolution in cold NaOH is of great importance. It presents a high potential in both technical, with further development and industrial implementation, and fundamental research fields, with further studies on mechanisms of cellulose activation.The work was performed in Cemef - Mines ParisTech, Sophia Antipolis, France, and TI / Hamburg University, Germany and financed by Sappi, Tembec, Lenzing, Viskase and Spontex and had support from EPNOE (European Polysaccharide Network of Excellence). / Different pulps were chemically (nitren) and biologically (enzyme) treated in order to improve the chemical accessibility and dissolution capacity in cold NaOH. The treatments effect on the pulp properties was accessed by studying the changes on their chemical and macromolecular structure and by analyzing the dissolution performance in cold NaOH.The nitren treatment has the effect of removing a large part of the xylan present in a dissolving pulp and is also removing mannans. Increasing the nitren concentrations will extract also cellulose and decrease its mean molar mass. These extractions are favorable for the dissolution in cold NaOH–water, being more effective with higher nitren concentrations. A maximum of 44.7% increase on the dissolution yield was achieved.The new enzymatic treatment shows a higher efficiency on promoting fibers accessibility to NaOH ions, (directly correlated with the enzymatic load), allowing a maximum increase of 150% on the dissolution yield. A slight decrease of the average molar mass was also seen. The different pulps reacted differently to the treatments, showing that the pulping pretreatments have an influence on the enzymatic efficiency. Using a mixture of enzymes and endoglucanase showed that the synergistic effect of these two enzymes is more effective on cellulose activation.Both nitren and enzymatic treatments are improving the pulp chemical accessibility mostly by modifying the structure of the primary wall and S1 wall. This promotes the swelling of these wood cell structures, allowing the access of the NaOH solvating ions into fiber regions not accessible on the original pulp. The nitren is disassembling the fiber surface with extraction of hemicelluloses and degrading the cellulosic structure.The use of this enzyme on the cellulose pulps activation towards dissolution in cold NaOH is of great importance. It presents a high potential in both technical, with further development and industrial implementation, and fundamental research fields, with further studies on mechanisms of cellulose activation.The work was performed in Cemef - Mines ParisTech, Sophia Antipolis, France, and TI / Hamburg University, Germany and financed by Sappi, Tembec, Lenzing, Viskase and Spontex and had support from EPNOE (European Polysaccharide Network of Excellence).

La dissolution de cavités karstiques appelle à une description multi-échelle. A partir d'une discussion des hypothèses les plus fréquemment utilisées, un modèle à l'échelle du pore (ou micro-échelle) est développé pour des schémas réactifs géochimiques simples. L'impact du choix de conditions aux limites réactives ou équilibre thermodynamique est discuté. Ce modèle à l'échelle du pore est ensuite utilisé pour le développement de modèles aux échelles supérieures. Le premier problème traité considère le transport sur une surface chimiquement hétérogène et rugueuse, caractérisée par une condition mixte pour le transfert de masse. Le modèle résultant est un modèle de surface effective (ESCM). Le concept de surface effective est développé à l'aide d'une méthode de décomposition de domaine. Dans ce contexte, vitesse, pression et concentration à la petite échelle près de la surface sont estimées par une méthode de développement asymptotique par rapport aux champs loin de la surface. Des problèmes de fermeture sont alors obtenus qui sont utilisés pour définir la position de la surface effective et les conditions aux limites effectives associées. L'effet sur les propriétés effectives de la position de la surface, des nombres sans dimension est étudié. Une comparaison entre des résultats numériques à petite échelle avec ceux obtenus par le modèle effectif montre un bon accord. Dans le cas du transport dans un milieu poreux, le deuxième problème de changement d'échelle étudié, une méthode de changement d'échelle basée sur la prise de moyenne spatiale est proposée (PMM) à partir du problème à l'échelle du pore avec des conditions aux limites d'équilibre thermodynamique ou réactives non-linéaires. Une expression générale du modèle macroscopique est obtenue impliquant plusieurs propriétés effectives qui sont données par la résolution de problèmes de fermeture à l'échelle du pore. Pour une cellule unitaire représentative stratifiée, les paramètres effectifs sont obtenus analytiquement ou numériquement, alors que les propriétés pour des cellules plus complexes 2D/3D sont obtenus numériquement. L'impact sur les paramètres effectifs des propriétés physiques à l'échelle du pore (en terme de nombre de Péclet, Damköhler et ordre de la réaction) est étudié pour des cellules unitaires 1D, 2D ou 3D. Un exemple d'application du modèle macroscopique est présentée en mettant l'accent sur l'apport potentiel des termes additionnels non-classiques sur la précision des prédictions. Le modèle macroscopique de dissolution de milieu poreux est aussi utilisé comme un modèle à interface diffuse (DIM) pour décrire la dissolution d'une cavité à grande échelle, une cavité de gypse dans l'illustration traitée dans la thèse. Le modèle est basé sur l'approximation de pseudo-constituant, avec une condition d'équilibre à l'échelle du pore sur l'interface fluide-solide. Une méthodologie numérique est proposée pour choisir correctement les paramètres effectifs du DIM de façon à reproduire avec suffisamment de précision les flux et la vitesse de récession de l'interface. Une étude spécifique est effectuée sur l'impact du choix du modèle de bilan de quantité de mouvement macroscopique. De manière intéressante, les résultats numériques ne suggèrent pas un impact très important de ce choix dans le cas des problèmes aux limites traités. Des calculs ont aussi été effectués, dans le cadre d'une approximation de Boussinesq, pour évaluer l'impact éventuel de mouvements de convection naturelle. Le potentiel de la méthode est illustré dans deux cas: un correspondant à une lentille de gypse dans un aquifère, l'autre au cas d'un pilier isolé dans une carrière souterraine. Les conséquences de la dissolution sur la stabilité mécanique sont étudiées à l'aide d'un modèle géomécanique simplifié. Enfin, un cas test est étudié montrant la possibilité d'utiliser le modèle dans le cas de dissolution d'une cavité saline, matériau plus soluble que le gypse. / The karstic cavity dissolution problems are often studied from a hierarchical point of view. Based on a discussion of the frequently adopted assumptions, a pore-scale model is first developed for a simple geochemistry scheme. The impact of implementing reactive or thermodynamic equilibrium boundary condition at the dissolving surface is discussed. Such a pore-scale model is subsequently used as a basis for developing models at higher scale levels. The first problem deals with transport from a heterogeneous and rough surface characterized by a mixed boundary condition. The resulting macro-scale model takes the form of an effective surface theory. In the homogenized model developed with the effective surface concept (denote ESCM), the original rough surface is replaced locally by a homogeneous and smooth surface, where effective boundary conditions are prescribed. To develop the concept of effective surface, a multi-domain decomposition approach is applied. In this framework the velocity, pressure and concentration are estimated at the micro-scale with an asymptotic expansion of deviation terms with respect to macro-scale velocity and concentration fields. Closure problems for the deviations are obtained and used to define the effective surface position and the corresponding boundary conditions. The evolution of some effective properties and the impact of surface geometry and some dimensionless numbers are investigated. A comparison between the numerical results obtained with this effective model and those from direct numerical simulations with the original rough surface shows good agreements. In the case corresponding to mass transport in porous media, upscaling is carried out with the method of volume averaging to develop a macro-scale porous medium model (denote PMM), starting from a pore-scale transport problem involving thermodynamic equilibrium or nonlinear reactive boundary conditions. A general expression to describe the macro-scale mass transport is obtained involving several effective parameters which are given by specific closure problems. The impact on the effective parameters of the fluid properties, in terms of pore-scale Péclet number (Pe), and the process chemical properties, in terms of pore-scale Damköhler number (Da) and reaction order (n), is studied for periodic stratified, 2D and 3D unit cells. An example of the application of the macro-scale model is presented with the emphasis on the potential impact of additional, non-traditional effective parameters appearing in the theoretical development on the improvement of the accuracy of the macro-scale model. The above developed PMM is also used as a Diffuse Interface Model (DIM) to describe the evolution of a gypsum cavity formation induced by dissolution. The method is based upon the assumption of a pseudo-component dissolving with a thermodynamic equilibrium boundary condition. A methodology is proposed in order to choose suitable parameters for the DIM model and hence predict the correct dissolution fluxes and surface recession velocity. Additional simulations are performed to check which type of momentum balance equation should be used. Calculations with a variable density and Boussinesq approximation were also performed to evaluate the potential for natural convection. The results showed that the impact of density driven flows were negligible in the cases under investigation. The potential of the methodology is illustrated on two large-scale configurations: one corresponding to a gypsum lens contained within a porous rock layer and the other to an isolated pillar in a flooded gypsum quarry. Geomechanical consequences of the dissolution in terms of mechanical stability is evaluated with the help of a simplified geomechanical model. A final case is also studied in which gypsum is replaced by salt to show the applicability of the proposed methodology to a rapidly dissolving material

The pharmaceutical industry is at a critical juncture. With little remnants of the “Golden Age of the Pharmaceuticals” and applied pressure from large companies experiencing a dissipation of proprietary compounds, trends indicate a transition from a decade of stagnant productivity to one in which high throughput screening technologies and computational chemistry have diversified the discovery of new chemical entities (NCE). Despite these advances, drug discovery has been challenged by chemical entities that present delivery limitations due to the properties of their molecular structure. A recent evaluation of development pipelines indicated that approximately 70% of drug candidates exhibit poor aqueous solubility; thereby, resulting in erratic dissolution and insufficient bioavailability. Due to intrinsic physical properties, these compounds are known by the biopharmaceutics classification system (BCS) as class II compounds and are amendable to solubility and bioavailability enhancement platforms. Approaches such as pH adjustment, micronization, nanosuspensions, co-solvent solubilization, cyclodextrin inclusion complexation, salt formation, emulsified drug formulations and amorphous solid dispersions (ASD) are commonly utilized to maximize bioavailability and enrich in vivo absorption by prolonging exposure to high concentrations of dissolved drug in the gastrointestinal tract (GIT). Single-phase amorphous systems, such as solid dispersions, have been the focal point of the aforementioned practices as a result of their ability to promote a state of drug supersaturation over an extended duration of time. Within the structure of this dissertation, the application of concentration enhancing polymers for bioavailability enhancement of low solubility compounds was evaluated using solvent and fusion-based solid dispersion technologies. Exploiting a variety of analytical methodologies and tools, formulations produced by spray drying and hot melt extrusion (HME) techniques were investigated for sufficient dissolution enhancement. Studies revealed the selected formulation approaches provided a viable platform for manufacturing solid dispersions by illustrating systems that offered rapid and prolonged periods of supersaturation. While of the applications of single-phase amorphous solid dispersions are continuously expanding, their dissolution behavior is not as well understood. The overarching objective of dissolution testing during formulation development is to achieve biological relevance and predict in vivo performance. Proper in vitro dissolution testing can convey the influence of key in vivo performance parameters and be implemented for assessment and comparison of ASD formulations. Studies suggest that existing research fails to accurately address the intricacies associated with the supersaturated state. Upon solvation and during transit in the GIT, several high-energy drug-containing species are present in addition to free drug. Although these species are not absorbed in vivo, they play a pivotal role in generating and maintaining the supersaturation of a drug substance and function to replenish the supply of free drug as it permeates across the gastrointestinal membrane. Established dissolution apparatuses and methodologies in the United States Pharmacopeia (USP) focus on evaluation of total dissolved drug and may not be physiologically relevant for determining the amount of drug absorbed in vivo. Within the framework of this dissertation, a dissolution methodology was designed to reflect the physiochemical, physiological and hydrodynamic conditions that transpire throughout dissolution and absorption of an ASD during transit in the GIT. The apparatus and model present the ability to understand the kinetics and mechanisms of dissolution, supersaturation and nucleation. To support this hypothesis, analytical methods including high pressure liquid chromatography (HPLC) with ultraviolet (UV) detection were developed and fully validated. In parallel, a novel plasma membrane treatment was established to fabricate biomimetic membranes that possessed a hydrophilic and hydrophobic surface. The treated membranes are comprised of applied surface chemistries that emulate the unstirred aqueous layer created by microvilli protruding from the intestinal epithelial membrane as well as lipophilic constituents corresponding to the epithelial lipid membrane. Calculated in vitro similarity (f2) and difference (f1) factors support the hypotheses that plasma treated microporous polymer membranes exhibit biorelevant properties and demonstrate adequate biorelevance for in vitro dissolution studies. The described dissolution methodology has been applied as a tool for selection of candidates to move forward to pharmacokinetic studies. In a culminating study, in vitro – in vivo correlations (IVIVC) were performed employing the universal membrane-permeation non-sink dissolution method for formulations of Carbamazepine. To demonstrate the utility of the methodology, multiple level C correlations were established. The membrane-permeation model enables quantitative assessment of drug dissolution and absorption and offers a means to predict the relative in vivo performance of amorphous solid dispersions for BCS class II drug substances. / Chemistry

L’apparition d’inclusions exogènes demeure un problème majeur pour les élaborateurs de titane. Afin d’améliorer la propreté inclusionnaire des lingots élaborés par le procédé de refusion à l’arc sous vide (Vacuum Arc Remelting), une étude numérique et expérimentale a été réalisée. La partie numérique de la thèse consiste à modéliser le comportement d’un défaut hard-α provenant de l’électrode consommable et tombant dans le puits liquide du lingot. Un modèle décrivant le processus de dissolution prédit l’évolution de la taille d’une inclusion durant son séjour dans le puits liquide. La trajectoire est déterminée à l’aide d’un modèle lagrangien tenant compte de la turbulence de l’écoulement en modifiant le coefficient de trainée. Les deux modèles ont été couplés et implémentés dans le logiciel SOLAR, qui simule la croissance d’un lingot VAR.Les résultats mettent en évidence la difficulté d’éliminer une inclusion hard-α avec une seule refusion, principalement à cause de la croissance d’une couche de phase β pendant les premiers moments de l’immersion. Le comportement global du défaut dépend fortement de l’hydrodynamique du puits et des caractéristiques de l’inclusion.Pour étudier la dissolution expérimentalement, des défautssynthétiques (hard-α et HDI) ont été immergés dans un bain de titane liquide chauffé dans un four à bombardement électronique. Les vitesses de dissolution ont été déterminées en mesurant les dimensions des défauts avant et après les expériences et ont été ensuite utilisées pour valider les modèles numériques. Par ailleurs, nous avons mis en évidence la grande influence de la température et de la vitesse de l’écoulement sur les cinétiques de dissolution / The presence of exogeneous inclusions has always been a major concern for the titanium industry. To help improve the inclusional cleanliness of VAR (Vacuum Arc Remelting) titanium ingots, a numerical and experimental study was undertaken.The numerical model is capable of predicting the motion and dissolution of a hard-α defect falling from the electrode tip into the ingot melt pool during vacuum arc remelting. It is implemented in SOLAR, a CFD code that simulates the ingot growth and solidification. The dissolution of the inclusion is governed by nitrogen diffusion from the defect towards the surrounding molten metal. A model describing this phenomenon predicts the particle size evolution and the nitrogen profile at each moment. The motion of the spherical particle is tracked using a Lagrangian model and the influence of turbulence is accounted for by a modification of the drag coefficient.Results show that inclusion removal is difficult with a single melt since the growth of a β-phase layer leads to an initial increase in the defect size. The inclusion behaviour is highly dependent on the pool hydrodynamics and on inclusion characteristics.In order to clarify dissolution aspects of these defects and to measure their dissolution kinetics, synthetically processed defects were introduced into molten titanium heated in an electron beam melting furnace. Dissolution rates were calculated by measuring the size of the defects before and after the experiments and the results were used to validate the numerical models. Furthermore, the experiments show that dissolution kinetics highly depend on fluid motion and temperature

L’évolution d’une phase microbienne au sein d’un milieu poreux est un processus complexe de par la prise en compte des effets de croissance (ou de mortalité) et d’étalement de la phase cellulaire. D’autres processus tels que l’arrachement d’une partie du biofilm ou l’attachement-détachement de cellules mobiles depuis la phase fluide peuvent aussi contribuer à la variation du volume de biofilm présent. Une meilleure compréhension des interactions mis en jeu entre les processus de croissance de biofilm, du transport de soluté et de l’écoulement et une modélisation rigoureuse de ce processus de croissance à l’échelle microscopique est un enjeu essentiel à une prédiction plus fine du devenir des polluants dans les sols. L’évolution temporelle d’un milieu poreux sous l’effet de l’activité biologique constitue toutefois à l’heure actuelle un défi scientifique majeur d’un point de vue de la modélisation numérique. Les variations locales de la géométrie du domaine (bio-obstruction des pores) induisent en effet une chenalisation de l’écoulement et du transport qui va évoluer au cours du temps. Si différentes méthodes numériques – lagrangiennes ou eulériennes – ont été développées (méthode de capture du front, méthode d’interface diffuse de type « Level Set » ou « Volume Of Fluid »), elles restent souvent peu adaptées à des modélisations 3D à l’échelle du pore (temps de calcul, remaillage parfois nécessaire, problème de gain ou de perte de masse). Nous combinons ici une méthode IBM (Immersed Boundary Method) à une méthode LBM (Lattice Boltzman Method) pour le calcul de l’écoulement en 3D tandis qu’une approche de type VOF (Volume of Fluid) ou par reconstruction d’interface couplée à une discrétisation en Volume Finis est utilisée pour le transport des espèces chimiques. L’intérêt ici de la méthode IB-LBM est de pouvoir bénéficier de la précision de la formulation Lattice- Boltzmann tout en travaillant sur un maillage fixe, un terme correcteur venant modifier la vitesse au voisinage des interfaces mobiles. Le modèle d’écoulement-transport en milieu poreux évolutif développé est ensuite couplé à un modèle d’automate cellulaire prenant en compte les processus d’attachement-détachement. Le modèle est comparé à des benchmarks numériques et utilisé pour étudier les différents régimes de croissance du biofilm en fonction des conditions hydrodynamiques. Dans le dernier chapitre, ce modèle est étendu à la prise en compte d’une phase non-miscible afin d’étudier l’impact des processus de biodégradation sur la dissolution d’une phase polluante piégé. On se limite aux conditions où le NAPL est à saturation résiduelle. L’influence de la production de biosurfactant sur la solubilité du polluant ainsi que la toxicité de celui-ci sur la cinétique de croissance des bactéries est prise en compte. Plusieurs résultats numériques sont présentés afin d’illustrer l’influence des différents paramètres hydrodynamiques sur la dissolution du NAPL. / Mathematical modeling of transport in porous media of organic chemical species in the presence of a bacterial population growing in the form of biofilms is an important area of research for environmental and industrial applications such as the treatment and the remediation of groundwater contaminated by organic pollutants. Biofilms, which are composed of bacteria and extracellular organic substances, grow on the pore-walls of the porous medium. Biodegradable organic solutes are converted into biomass or other organic compounds by the bacterial metabolism. This evolution of the microbial biomass phase within the porous medium is a complex process due mainly to growth (or decay) and spatial spreading of the cellular phase. Processes such as biofilm sloughing and attachment (or detachment) of cells from the fluid phase may also contribute to the biofilm volume variation. In this context, the aim of the thesis is to focus on the mechanisms that control the development of biofilms in porous media and its impact on the hydrodynamic properties of the porous matrix. The objective of this work is to model this pore-scale phenomenon of biofilm growth by integrating the various mechanisms which favor the bacterial development (bacterial proliferation, assimilation of nutrients to synthesize new cellular materials, attachment of cells) or, conversely, which are responsible for slowing down (e.g., detachment of cells, toxicity). An IB-LB model is developed for flow calculation and non-boundary conforming finite volume methods (volume of fluid and reconstruction methods) are used for reactive solute transport. A sophisticated cellular automaton model is developed to describe the spatial distribution of bacteria. Several numerical simulations have been performed on complex porous media and a quantitative diagram representing the transitions between the different biofilm growth patterns was proposed. Finally, the bioenhanced dissolution of NAPL in the presence of biofilms was simulated at the pore scale. The impact of biosurfactants and NAPL toxicity on bacterial growth has been investigated.

En vue de contrôler les émissions de gaz à effet de serre, il est envisagé d’injecter du CO2 dans des réservoirs géologiques. Or le CO2 n'est pas un gaz inerte. En modifiant la composition chimique de l'eau in situ, il est à l'origine d'interactions roche/fluide. Ces réactions géochimiques impactent les propriétés d'écoulement. Aussi, pour s'assurer de la viabilité et de la pérennité du stockage, les opérateurs ont besoin de simulations tenant compte de ces écoulements réactifs. Cependant les paramètres de l'équation macroscopique de transport utilisée sont affectés par les réactions surfaciques. Or, ces spécificités dues au transfert de masse ne sont pas prises en compte actuellement. De même, la loi perméabilité-porosité (K-F) n’est estimée que semi-empiriquement. Le but de cette thèse a été de développer une méthode pour obtenir les coefficients macroscopiques précédents et les relations K-F, en résolvant les équations gouvernant les phénomènes à l'échelle du pore. Pour ce faire, nous avons utilisé l'approche réseau de pores. L'avantage du modèle réseau est qu'il prend en compte explicitement la structure tout en conceptualisant cette dernière à un ensemble de pores et de canaux à la morphologie simplifiée (sphères, cylindres). L'étude est basée sur deux changements d'échelles successifs : du local au pore, puis du pore à la carotte. Le problème de transport réactif est résolu pour des éléments basiques, analytiquement ou numériquement. Puis, en faisant appel aux solutions précédemment trouvées, le transport réactif est traité sur l'ensemble du réseau. Notre model fut validé par des observations sur micromodèles, puis à l'aide d'une expérience d'altération acide / The geological storage of CO2 is considered as an attractive option to reduce the greenhouse gas emissions in the atmosphere. CO2 is not an inert gas, however. Its dissolution in brine forms a weak acid that has the potential to react with the host rock formation. The induced pores structure modification impacts the flow properties. Thus, to ensure the viability and sustainability of CO2 storage, operators need simulations that take into account the specificities of reactive transport. However, the macroscopic coefficients of the reactive transport equation are modified from the values of an inert tracer by surface reactions. These specificities due to mass transfer are currently not considered. Similarly, the permeability-porosity (K-F) relationship is only estimated semi-empirically. The aim of this thesis was to develop a method to obtain the macroscopic coefficients and the K-F laws, by solving the equations governing the pore-scale phenomena. To do this, we used the Pore Network Modelling approach (PNM). The advantage of the PNM is that it explicitly takes into account the pore structure, while conceptualizing the latter to a set of pores and throats whose morphology is simplified into spheres or cylinders for instance. The study is based into two successive upscalings: from local-scale to pore-scale, then from pore-scale to core-scale. The reactive transport problem is solved for basic elements, analytically or numerically. Then, using the solutions previously found at the pore scale, the reactive transport phenomena are treated throughout the network. Our model was validated by observations on micromodels and by a comparison with an acid-induced alteration experiment

Décrypter les mécanismes et cinétiques de croissance et dissolution des minéraux dans les liquides silicatés est indispensable à la compréhension des processus magmatiques fondamentaux. La migration transcristalline des inclusions magmatiques sous l'effet d'un gradient thermique permet de quantifier une loi cinétique de croissance et dissolution du minéral hôte dans des conditions proches de celles qui prévalent le plus souvent dans la nature. L'objectif principal de ce travail de thèse était : i) d'étudier l'effet de la composition du liquide piégé sur le processus de migration dans l'olivine et ii) d'exploiter systématiquement le processus de migration afin de quantifier les lois cinétiques pour d'autres couples minéral-liquide. Lorsqu'elles sont soumises à un gradient thermique, les inclusions siliceuses (SiO2 ≥ 60pds%) piégées dans les olivines mantelliques et les inclusions basaltiques piégées dans les clinopyroxènes volcaniques migrent à travers leur hôte en direction du point chaud de la zone de travail. La migration s'effectue à une vitesse constante et, dans les olivines, sans modification de la composition du liquide piégé ; les inclusions des clinopyroxènes subissent en revanche une rééquilibration chimique transitoire en début de migration. Les cavités, subsphériques avant la migration, évoluent vers la forme en cristal-négatif du minéral hôte en cours d'expérience. L'achèvement de l'évolution morphologique nécessite un temps caractéristique gouverné par la diffusion chimique dans le liquide. La bulle de gaz exsolvé dans les inclusions n'est pas entraînée dans la migration. Elle se sépare du liquide magmatique et donne naissance à une inclusion fluide isolée au sein du cristal hôte. Les résultats expérimentaux indiquent que la migration procède par dissolution du minéral hôte à l'avant et recristallisation à l'arrière de l'inclusion. La vitesse de migration est limitée par les mécanismes à l'interface cristal-liquide, non par la diffusion chimique. Les taux de croissance et dissolution de l'olivine et du clinopyroxène que nous obtenons sont respectivement trente et quinze fois inférieurs à ceux déterminés dans une étude antérieure à partir d'expériences de migration d'inclusions basaltiques dans des olivines volcaniques. Ils obéissent cependant à la même forme de loi cinétique, qui peut être aisément transposée à des environnements de cristallisation ou de fusion naturels, similaires ou de plus faible déséquilibre. Le taux de croissance et dissolution de l'olivine lors des migrations n'a pas de lien simple avec la composition du liquide piégé ; il est peut-être aussi en grande partie contrôlé par la densité de dislocations du cristal hôte. Le phénomène de migration n'a pas été observé dans le quartz et le plagioclase pour les durées d'expériences réalisées. Il est néanmoins probable que l'absence de migration lors des expériences ne soit qu'apparente. Notamment, la prédominance de liaisons de forte énergie dans la structure du quartz et du plagioclase est susceptible de rendre les processus interfaciaux, et donc aussi la dissolution, particulièrement lente. Au cours de ce travail de thèse, l'opportunité s'est présentée d'étudier les inclusions magmatiques piégées dans les cristaux d'olivine de la pallasite Brahin. En particulier, deux familles d'inclusions ont été identifiées. La première consiste en des plans d'inclusions secondaires contenant de nombreuses chromites et des assemblages à métal-sulfure et olivine phosphorée ; la seconde correspond à des inclusions isolées renfermant pour la plupart de la stanfieldite, une bulle de gaz et de l'olivine phosphorée. Les inclusions secondaires se seraient formées suite à un choc ayant eu lieu alors que l'assemblage minéralogique actuel de Brahin était déjà formé, ou en cours de formation. En revanche, les inclusions de stanfieldite témoigneraient d'un choc prépallasitique. / Deciphering the mechanisms and kinetics of crystal growth and dissolution in silicate melts is essential for understanding the fundamental magmatic processes. When remelted and subjected to an imposed thermal gradient, melt inclusions migrate through their host, which provides a direct access to the host crystal growth / dissolution kinetics and allows to quantify the kinetic laws at very low undercoolings or overheatings, i.e. in conditions appropriate to many natural systems. The main goal of the present study was: i) to study the effect of the trapped melt composition on the migration process in olivine and ii) to extend the transcrystalline melt migration approach to quantify the kinetic law for other mineral-melt pairs. When subjected to a thermal gradient, Si-rich melt inclusions (SiO2 ≥ 60 wt%) in mantle olivines and basaltic melt inclusions in volcanic clinopyroxenes migrate through their host toward the host spot of the working zone. Migration proceeds at a constant rate and in olivine, without modification of the trapped melt composition ; melt inclusions in clinopyroxene, however, undergo a transient chemical reequilibration while they begin to migrate. While moving, the melt inclusions gradually change from subspherical to a faceted, negative-crystal shape. Completion ofthe morphological evolution requires a characteristic time that is governed by chemical diffusion. When a gas bubble is initially present, it responds to elastic forces by quickly shifting toward the cold end of the inclusion, where it soon becomes engulfed as an isolated fluid inclusion in the reprecipitated crystal. The experimental results indicate that the migration operates by progressive dissolution and recrystallistion of the host, governed by interface kinetics with no interference of chemical diffusion.The growth / dissolution rates we obtained for olivine and clinopyroxene are respectively thirty and fifteen times lower than those determined in a previous study from melt migration experiments on basaltic inclusions in volcanic olivines. Nevertheless, they obey the same form of kinetic law, which can be transposed to equally or more sluggish melting or crystallisation events in nature. Dependence of the growth / dissolution rate of olivine on trapped melt composition is not straightforward ; rates may be largely controlled by the density of dislocations in the host crystal. The melt migration phenomenon was not observed in quartz and plagioclase for the investigated experiment durations. Nonetheless, the lack of migration during experiments may only be apparent. Notably, the dominance of high-strength bonds in the quartz and plagioclase structure may render interfacial reactions, and so dissolution, particularly slow. During this research work, we had the opportunity to study the melt inclusions trapped in olivine crystals from the Brahin pallasite. In particular, two contrasted sets of melt inclusions were evidenced. The first set consists of plans of secondary inclusions containing abundant chromite and assemblies of metal, sulfide, and phosphoran olivine ; the second set corresponds to isolated inclusions consisting for the most part of stanfieldite, a gas bubble, and phosphoran olivine. Secondary inclusions may have formed during a shock event that took place while the current stony-iron assembly of the Brahin pallasite was already formed, or was created by this shock. However, stanfieldite inclusions may originate from a pre-pallasitic shock event.