La faible masse volumique et les bonnes propriétés mécaniques des alliages d’aluminium en font des matériaux de structure de choix dans l’industrie aéronautique. Ils présentent une microstructure polyphasée qui crée des discontinuités électrochimiques et une sensibilité accrue à la corrosion. Un système de revêtements protecteurs composé de chromate Cr(+VI) est traditionnellement formé à la surface de ces alliages. Néanmoins, les directives environnementales REACH imposent leur remplacement en raison de la cancérogénicité des chromates. L'objectif des travaux a été le développement d'un nouveau traitement constitué d’une Oxydation Anodique Sulfurique (OAS) et d’un colmatage aux sels de sulfate de chrome et de fluorozirconate (Cr3+ / ZrF62-). L’étude du procédé électrochimique d’OAS a permis de faire le lien entre la microstructure des alliages et la morphologie poreuse de la couche anodique développée à leur surface. Le traitement de colmatage Cr3+ / ZrF62- est réalisé par simple immersion dans la solution. Il est démontré que le colmatage est le fait d’une alcalinisation locale de la surface de la couche anodique qui mène à la précipitation des sels de Cr3+ et ZrF62-. Ces derniers forment un film de colmatage de 300 nm d’épaisseur très recouvrant des pores nanométriques. Le colmatage des couches anodiques permet d’améliorer considérablement la tenue à la corrosion des alliages anodisés en formant une barrière supplémentaire contre les agents corrosifs et en cicatrisant les départs de corrosion. Le traitement développé permet à la fois d’atteindre les performances des traitements aux Cr(+VI) sur une large gamme d’alliages et de satisfaire aux exigences environnementales / Aluminium alloys are very used in the aircraft industry as structural materials because of their low density and their good mechanical properties. They have a polyphase microstructure that is causing electrochemical discontinuities and increasing sensitivity to corrosion. A system of protective coatings containing chromate Cr(+VI) is traditionally formed at the surface of these alloys. However, the REACH environmental guidelines impose Cr(+VI) surface treatments replacement because of chromate carcinogenicity. The aim of the thesis work has been the development of a new surface treatment constituted of a sulfuric acid anodizing (SAA) and a sulfate chromium and fluorozirconate salts sealing (Cr3+/ ZrF62-). The study of the SAA electrochemical process linked the alloys microstructure and the anodic layer porous morphology developed at their surface. The Cr3+ / ZrF62- sealing treatment is realized by a simple immersion of the anodized alloy in the solution. It is demonstrated that the sealing is caused by a local alkalinization of the anodized coating surface that leads to the precipitation of the Cr3+ and ZrF62- salts. These ones are forming a sealing film of about 300 nm thick, very covering of the nanometric pores. The anodic layers sealing greatly improves the corrosion resistance of the anodized alloys by forming an additional barrier against corrosive agents and by healing the corrosion initiation. The developed treatment allows both to achieve Cr(+VI) treatments performance over a wide range of alloys and to satisfy the environmental requirements.

Le colmatage des membranes reste la principale limitation pour le développement du bioréacteur à membrane (BAM). Dans cette thèse, l'objectif principal se concentre sur les effets des micropolluants pharmaceutiques qui se retrouvent dans les eaux usées domestiques sur le colmatage de la membrane du BAM. Carbamazépine (CBZ), un médicament antiépileptique, a été choisi. Les effets de la CBZ sur le colmatage du BAM ont été étudiés de deux manières: un pic de pollution pour étudier les effets des pics de CBZ à court terme sur le pouvoir colmatant et une pollution continue pour examiner les effets de CBZ à long terme sur le colmatage du BAM. Les résultats ont montré que, pendant 3 heures contact avec CBZ de 100 µg L-1, le pouvoir colmatant des boues activées a augmenté en raison de l'augmentation des protéines de 100-1000 kDa dans le surnageant, ce qui pourrait être complètement retenu par la membrane du BAM et les membranes utilisées dans les essais de filtrabilité. L'augmentation des protéines de 100-1000 kDa dans le surnageant peut probablement être causé par la décomposition bactérienne face aux médicaments. L'effet réduit a été observée pour les boues provenant du BAM fonctionné sous la charge organique plus élevée. Pendant le contact continue, la vitesse du colmatage plus élevée a été observé après l'addition en continu de CBZ dans le BAM (90 µg L-1 dans l'alimentation), qui pourrait être lié à l'augmentation importante des protéines de 10-100 kDa dans le surnageant. Des protéines de 10-100 kDa s’accumulent dans le dépôt de la membrane du BAM, modifient de la structure de dépôt et changent les caractéristiques de rétention de BAM. L'augmentation des protéines de 10-100 kDa a probablement été causée par la réaction de défense des bactéries face en permanence des médicaments. Légère inhibition de l'activité microbienne a été trouvée plusieurs jours après l'addition de la CBZ dans le BAM, puis il a été stabilisé à un certain niveau en raison de l'acclimatation des boues au stress pharmaceutique. Similaire, l'augmentation significative de la concentration en protéine a été observée au début plusieurs jours après l'addition de la CBZ dans le BAM, puis retourne à son niveau initial. Aucun changement significatif de la taille des flocs des boues et de la concentration en polysaccharides dans le surnageant n’a été constaté au cours de la période de contact continu à long terme. Cette étude pourrait contribuer à améliorer la compréhension des interactions complexes entre les micropolluants pharmaceutiques, boues activées et le colmatage du BAM / Membrane fouling still remains the main limitation for the development of membrane bioreactor (MBR). In this thesis, the main objective focuses on the effects of pharmaceutical micropollutants which are frequently found in domestic wastewater on MBR fouling. Carbamazepine (CBZ), an anti-epileptic drug, was chosen in this study due to its occurrence in domestic wastewater and persistency in MBR process. The effects of CBZ on MBR fouling were investigated in two different ways of contact, i.e. short-term peak contact and long-term continuous contact. The results showed that during only 3 hours contact with 100 µg L-1 CBZ, the fouling propensity of the sludge increased due to the increase in 100-1000 kDa protein-like substances in the supernatant, which could be completely retained by the MBR membrane and the membranes used in the filterability tests. The increase of 100-1000 kDa protein-like compounds in the supernatant may probably be caused by the bacterial decay when facing the pharmaceutical stress. Besides, the reduced effect was observed for sludge obtained from MBR operated under higher organic loading rate. During the long-term continuous contact, significantly higher MBR fouling rate was observed after the continuous addition of CBZ in the MBR via the feed (90 µg L-1 CBZ in the feed), which could be related to the significant increase of 10-100 kDa protein-like compounds in the supernatant after addition of CBZ. The 10-100 kDa protein-like compounds could accumulate in the biocake, which was formed on MBR membrane surface, modify the biocake structure and change the retention characteristics of MBR. The increase of 10-100 kDa protein-like compounds was probably caused by the defensive response of bacteria when continuously facing the pharmaceutical stress. Slight inhibition of microbial activity was found several days after addition of CBZ in MBR, and then it was stabilized to some constant level due to the acclimation of sludge to the pharmaceutical stress. Similar, significant increase of protein concentration was observed at the beginning several days after addition of CBZ in MBR, then returned to the initial level. No significant change in sludge floc size and polysaccharide concentration in supernatant was found during the long-term continuous contact period. This study could help to enhance the understanding of complex interactions among pharmaceutical micropollutants, activated sludge and MBR fouling

Nous nous intéressons au traitement tertiaire d'eaux issues de stations d'épuration traitant des eaux usées domestiques, en vue de leur réutilisation en particulier pour l'irrigation. Les opérations de séparation membranaires sont aujourd'hui les plus souvent considérées pour ce type de traitement, avec par exemple l'osmose inverse couplée à de l'ultrafiltration en pré traitement. Ces solutions présentent les inconvénients propres à ces technologies, inconvénients qui restent à lever au plan scientifique mais aussi au plan technologique. Notre objectif initial était de reconstruire totalement le schéma de procédé de réutilisation des eaux, à partir de son analyse globale. Nous avons pu réaliser seulement trois des étapes de ce travail : L'analyse de l'efficacité de techniques de modification de surface de membranes d'ultrafiltration en vue de rendre le colmatage réversible. L'analyse de la faisabilité d'utiliser la distillation membranaire pour traiter des eaux usées en sortie de station d'épuration traditionnelles ou par bio réacteurs à membranes, dont nous avons fait une évaluation expérimentale à partir d'eaux de complexité croissante, allant jusqu'au traitement d'eaux prélevées directement en sortie de station. Les résultats prometteurs de ces essais ont été complété par une recherche de points de fonctionnement de la distillation membranaire, par une analyse classique de bilans matière et d'énergie, dont l'originalité est la prise en compte du facteur de conversion comme paramètre opératoire. / We are interested in polishing steps of waters from sewage treatment plants dealing with domestic wastewater, with a view to their re-use, in particular for irrigation. Membrane separation operations are today most often considered for this type of treatment, with, for example, reverse osmosis coupled with ultrafiltration as a pretreatment. These options present the disadvantages peculiar to these technologies, disadvantages which still need to be sorted out scientifically but also at the technological level. Our initial objective was to completely reconstruct the water reuse flow sheet, based on its overall analysis. We were able to achieve only three of the stages of this work: Analysis of the efficiency of surface modification techniques of ultrafiltration membranes in order to make them fouling resistant. The analysis of the feasibility of using membrane distillation to treat wastewater discharged from traditional sewage treatment plants or by bio-membrane reactors, of which we have made an experimental evaluation based on waters of increasing complexity, up to the treatment of water taken directly from the treatment plant. The promising results of these tests lead us to define operating points for membrane distillation, by a classical analysis of material and energy balances, in which the stage cut-off was considered as an operational parameter.

Le couplage de la nanofiltration et de l'oxydation électrochimique est étudié pour le traitement tertiaire des eaux usées de l'hôpital après leur traitement par bioréacteur à membrane. L'efficacité de la nanofiltration est fortement influencée par le colmatage. Afin d'assurer des flux durables et des performances élevées lors de l'étape de nanofiltration, les mécanismes de colmatage sont étudiés. Les flux critique et limite sont déterminés et liés à l'effet combiné du colmatage colloïdal organique et du dépôt inorganique. L'impact de la couche de colmatage et de la présence de matières organiques dans la matrice sur la rétention des produits pharmaceutiques est également évalué. Le rétentat de la nanofiltration est ensuite traité par oxydation électrochimique sur une anode BDD. L'influence des conditions opératoires et la compétition lors de l'oxydation des constituants au sein du réacteur sont évaluées. Au lieu d'être rédhibitoire au bon fonctionnement du procédé, la présence des ions et des composés organiques dans le concentrat peut accélérer la dégradation des produits pharmaceutiques. En particulier, la formation de composés organohalogénés due à la présence de chlorure peut être contrôlée par le choix de conditions opératoires appropriées. Un modèle décrivant la dégradation des produits pharmaceutiques en fonction du temps d'électrooxydation est établi. Un des objectifs est d'accéder au meilleur compromis entre la minéralisation des produits pharmaceutiques et la consommation d'énergie. Après optimisation des conditions opératoires des 2 procédés, il est démontré que leur couplage est efficace pour l'élimination de produits pharmaceutiques et la diminution de la toxicité de l'effluent, permettant d'envisager son rejet dans l'environnement ou sa réutilisation. / The coupling of nanofiltration and electrochemical oxidation is studied for the tertiary treatment of hospital wastewater after membrane bioreactor treatment. The effectiveness of nanofiltration is greatly affected by membrane fouling. In order to ensure sustainable flux and high performances during nanofiltration step, fouling mechanisms are investigated. The critical flux and the limiting flux are determined and associated with the combined effect of the organic colloidal fouling and the scaling. Impact of the fouling layer and of the presence of organic matters in the matrix on pharmaceuticals rejection is also investigated. NF retentate is then treated by electrochemical oxidation on BDD anode. The influence of operating conditions and the competition between components oxidation in the reactor are studied. Rather than a hindering effect, the presence of ions and common organics in the concentrate can accelerate the degradation of pharmaceuticals. In particular, the formation of organohalogens due to the presence of chloride can be controlled thanks to the choice of appropriate operating conditions. A model for the degradation of pharmaceuticals over electrooxidation time is established. One objective is to access to the best compromise between mineralization of pharmaceuticals and energy consumption. After optimization of the operating conditions of both processes, their coupling is confirmed to be efficient for the elimination of pharmaceuticals and the reduction of the toxicity of the effluent, allowing to consider its release into the environment or its reuse.

Dans le contexte actuel de raréfaction de l'eau, une meilleure efficacité de l'utilisation de l'eau est essentielle pour maintenir une croissance économique durable. En France, en période ordinaire, 48% d'eau est utilisé pour l'irrigation. Ce pourcentage augmente jusqu'à 79% en période d'été. Cela souligne la nécessité d'utiliser des méthodes d'irrigation performantes. La micro-irrigation offre la meilleure efficience, cependant, son utilisation n'est pas très répandue. Dans le monde, ce système ne couvre que 3% des terres irriguées et 5% en France, du fait de la sensibilité de ce système au colmatage, ce qui augmente le coût de son installation et de sa maintenance. Ce colmatage est fortement lié aux faibles sections de passage du distributeur de micro-irrigation. En effet, un labyrinthe constitué de chicanes est généralement inséré dans les distributeurs. Les chicanes existantes, qui jouent un rôle important pour générer des pertes de pression et assurent la régulation du débit sur le réseau d'irrigation, produisent des zones de recirculation où la vitesse est faible voire nulle. Ces zones de recirculation favorisent le dépôt de particules ou autre développement biochimique provoquant le colmatage du goutteur. La caractérisation de la topologie de l'écoulement dans le labyrinthe du goutteur doit être décrite pour analyser la sensibilité du goutteur au colmatage qui réduit considérablement ses performances.Des expériences utilisant la micro-PIV et un ensemencement avec des particules de 1 µm sont menées sur dix motifs répétitifs pour analyser les régions qui peuvent être sensibles au colmatage. Un goutteur fonctionne avec un débit faible, et la section transversale du labyrinthe est d'environ 1mm2. Le nombre de Reynolds varie de 400 à 800. Ainsi, cette étude expérimentale permet d'analyser le régime d'écoulement et son influence. Un algorithme de traitement est développé pour obtenir la moyenne et les fluctuations des vitesses. Une attention particulière est apportée à la validation de la technique micro-PIV et aux courbes débit-pression qui quantifient la performance globale du goutteur. Plusieurs modèles de turbulence, implémentés dans ANSYS/Fluent, sont utilisés pour modéliser l'écoulement au sein du labyrinthe. Les résultats des expériences de micro-PIV et des modélisations sont comparés afin de valider le modèle numérique. Puis, des méthodes avancées d’analyses tourbillonnaires ont été utilisées pour détecter précisément la vorticité et les zones de recirculations. L'objectif global de ce manuscrit est d'identifier le meilleur modèle qui permettra ensuite de prédire et analyser les zones sensibles au colmatage afin de les réduire grâce à l'optimisation de géométrie. / In the present context of increasing water scarcity, a better water use efficiency is essential to maintain a sustainable economical growth. Moreover, water use efficiency covers also important environmental and social issues. Micro-irrigation system has the best water efficiency, nevertheless, its use is not much widespread. In the world, this system covers only 3 % of land irrigated against 4% in France, as this system is sensitive to clogging, which increases the installation cost.The baffle-fitted labyrinth-channel is largely used in micro-irrigation systems. The existing baffles, which play an important role for generating pressure losses and ensure the flow regulation on the irrigation network, produce vorticities where the velocity is low or zero. These vorticities favor the deposition of particles or other biochemical development causing emitter clogging. Flow topology characterization in the labyrinth-channel of emitter must be described to analyze emitter clogging sensibility which drastically reduces its performance.Micro-PIV experiments, using 1µm particles, are conducted on ten-pattern repeating baffles to characterize the labyrinth-channel flow and to analyze regions which can be sensitive to clogging. An emitter works with a weak flow rate, and the labyrinth-channel cross-section is about 1 mm2 Reynolds number varies from 400 to 800. So, this experimental investigation allows analyzing the flow regime and its influence. A treatment algorithm is developed to get the mean and fluctuating velocities. Advanced swirl analysis method is adapted to precisely detect the vorticity. Particular attention is focused on the technique acquisition and on pressure losses curves accuracy in the labyrinth-channel flow since this curve represents the emitter global performance.Several turbulent models, implemented in ANSYS/Fluent, are used to perform modelling of the labyrinth-channel geometry. The micro-PIV and modeling results comparisons are presented in order to validate numerical model. The global objective of this manuscript is to identify the best model which allows to predict and analyze the sensitive areas in order to reduce them thanks to geometry optimization.

Le projet NEOPHIL a pour ambition d'élaborer une membrane d'ultrafiltration (UF) en fibre creuse de poly(fluorure de vinylidène) (PVdF) possédant une résistance au colmatage stable dans le temps. Cette propriété peut être acquise par l'ajout d'un copolymère à blocs nommé GEN dans la solution de préparation des fibres en plus de l'additif poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) classiquement utilisé. Dans ce travail, nous nous sommes attachés à la détermination des additifs en surface, dans la masse et à établir des profils de concentration par ATR-FTIR, T%-FTIR et microscopie Raman. Ces analyses ont montré que la moitié de la PVP est lessivée dans le bain de coagulation alors que GEN reste quantitativement ancré dans la matrice. Dans le cas de la PVP, les paramètres d'élaboration comme la présence de solvant ou de PVP dans le bain de coagulation influent fortement sur le profil de concentration au niveau des interfaces. Par la suite, une analyse multicritère entre l'hydrophilie apportée par les additifs et le colmatage a été effectuée. Cette étude a été réalisée par des mesures d'angle de contact à l'eau, de rétention d'eau et de pression d'intrusion d'eau sur fibres sèches en relation avec la taille et la distribution des pores, la rugosité de surface (AFM) et la perméabilité à l'eau pure. La rétention d'eau et la pression d'intrusion d'eau semblent les deux techniques les plus pertinentes pouvant relier les propriétés physico-chimiques et les performances de filtration. Une étude préliminaire sur le comportement au vieillissement a également été effectuée qui montre que GEN est peu extrait alors que la PVP disparait en partie par extraction et/ou dégradation. Ce phénomène affecte fortement les différents paramètres étudiés dans l'analyse multicritère. / The project NEOPHIL aims to develop an ultrafiltration (UF) membrane hollow fiber from poly (vinylidene fluoride) (PVdF) that resists to fouling amide time. This property can be achieved by adding a block copolymer called GEN in the fiber preparation solution in addition to the classic additive, poly (vinyl pyrrolidone) (PVP). In this work, we focused on the quantification of additives on the surface, in the bulk and establishing the concentration profile by ATR-FTIR, T% -FTIR and Raman microscopy. These analyzes showed that half of the PVP is washed away into the coagulation bath while GEN quantitatively remains anchored in the matrix. In the case of PVP, the formulation parameters such as the presence of solvent or PVP in the coagulation bath greatly affects the concentration profile at the interfaces. In addition a multi-criteria analysis between hydrophilicity provided by the additives and the fouling was established. This study was carried out by measurement of the water contact angle, water retention and water intrusion pressure of dry fibers in relation to the size and distribution of pores, the surface roughness (AFM) and the permeability to pure water. Water retention and water intrusion pressure seem to be the two most relevant techniques that can connect the physicochemical properties and filtration performance. A preliminary study on the aging behavior was also performed showing that GEN is not extracted while the PVP is lost partly by extraction and/or degradation. This phenomenon strongly affects the different parameters studied in the multi-criteria analysis.

Le colmatage à la surface et dans la masse d’une membrane échangeuse d’ions est un obstacle majeur à son utilisation en électrodialyse. En bloquant les voies conductrices d’ions à travers la membrane, le dépôt réduit la surface active de la membrane et conduit à une résistance au transfert de matière supplémentaire.Trois membranes échangeuses de cations ont été utilisées lors de ce travail: une membrane commerciale hétérogène MK-40 et deux de ses modifications (une membrane MK-40/Nafion obtenue par revêtement de la surface de MK-40 avec un film de Nafion® homogène conducteur d’ions, et une membrane MK-40/PANI obtenue par synthèse de polyaniline sur la surface de la MK-40). Les solutions utilisées sont des solutions de CaCl2 et MgCl2 aux concentrations 0,02 et 0,04 mol/L, ainsi qu’une solution modélisant la composition minérale du lait, concentrée 3 fois. La visualisation de la surface de la membrane est réalisée par microscopie optique et microscopie électronique à balayage. L’analyse élémentaire des dépôts sur la surface de la membrane est réalisée par l’analyse aux rayons X. Le caractère hydrophobe-hydrophile de la surface de la membrane est estimé par la mesure de l’angle de contact. La chronopotentiométrie et la voltamétrie ont été utilisées pour caractériser la vitesse de transport des cations à travers les membranes et la dissociation d’eau à la surface ; la mesure du pH de la solution dessalée a été effectuée en parallèle.Il est démontré que l’hydrophobicité relativement élevée de la surface de la membrane, son hétérogénéité électrique et géométrique créent les conditions favorables au développement de l’électroconvection. L’intensité de l’électroconvection par rapport à la membrane non modifiée est significativement plus élevée dans le cas de la MK-40/Nafion mais plus faible dans le cas de la MK-40/PANI. L’électroconvection provoque le mélange de la solution à la surface de la membrane dans une couche d’environ 10 µm d’épaisseur. Cet effet augmente de manière significative le transfert de matière en mode de courant intensif, empêche ou réduit le colmatage et réduit aussi le taux de dissociation de l’eau sur la surface de la membrane. L’intensité de l’électroconvection dépend essentiellement du degré d’hydratation du contre-ion ; elle augmente avec son rayon de Stokes. Le taux de croissance des dépôts minéraux Mg(OH)2, Ca(OH)2 et CaCO3 sur la surface de la membrane échangeuse d’ions est déterminé par la pente du chronopotentiogramme. On établit expérimentalement que, par rapport à la vitesse de colmatage sur la membrane MK-40 non modifiée, celle sur la surface de MK-40/Nafion devient plus petite mais celle sur la surface de la MK-40/PANI, devient plus grande.Le taux du colmatage est considérablement réduit lorsqu’un mode de courant électrique pulsé est appliqué. Un tel mode permet de réduire de moitié la différence de potentiel et d’atteindre un état quasi-stable du fait que le précipité devient instable / Scaling on the surface and in the bulk of ion-exchange membranes is a considerable locker for electrodialysis. The scale reduces the effective surface area of the membrane and leads to additional resistance to the mass transfer and solution flow.Three cation-exchange membranes are used in this study: a heterogeneous commercial MK-40 membrane and two of its modifications. The MK-40/Nafion membrane is obtained by mechanical coating the MK-40 membrane surface with a homogeneous ion-conductive Nafion® film. Modification of the MK-40/PANI membrane is carried out by polyaniline synthesis on the membrane surface. The solutions used in the study are 0.02 and 0.04 mol/L CaCl2 and MgCl2 solutions, as well as the solution, imitating the mineral composition of milk, concentrated 3 times. The visualization of the membrane surface is made using optical and scanning electron microscopy. The elemental analysis of the scale on the membrane surface is made by X-ray analysis. The hydrophobic-hydrophilic balance of the membrane surface is estimated by the contact angle measurements. To characterize the cation transport through and the water splitting rate, chronopotentiometry and voltammetry methods are used, pH measurement of the diluate solution is conducted at the same time.It is shown that the relatively high hydrophobicity of the membrane surface, its electrical and geometric heterogeneity, create conditions for the development of electroconvection. The electroconvection intensity in the case of MK-40/Nafion is significantly higher, and in the case of MK-40/PANI is lower in comparison with that of the unmodified membrane. Electroconvection vortexes cause the mixing of the solution at the membrane surface in a 10 µm thick layer. This effect significantly increases mass transfer in intensive current modes and prevents or reduces the scaling process, as well as reduces the water splitting rate at the membrane surface. The rate of electroconvection essentially depends on the counterion hydration degree, it increases with increasing the counterion Stokes radius. The rate of the scale formation on the membrane surface is determined by the slope of the chronopotentiogramme. The formation of Mg(OH)2, Ca(OH)2 and CaCO3 scales is observed. It is experimentally established that the scaling rate on the surface of MK-40/Nafion is smaller, and on the surface of the MK-40/PANI is larger in comparison with the MK-40 membrane. The scaling rate is significantly reduced when the pulsed electric current mode is applied. Such mode allows the reduction of the potential drop more than twice and achievement of a quasi steady-state because an unstable periodically crumbling scale occurs

Des phénomènes de colmatage de la structure granulaire des réservoirs pétroliers sont observés lors de la réinjection d'eau de production dans le réservoir (endommagement hydrique). Le dépôt des particules solides en suspension dans l'eau de production peut engendrer une réduction de la perméabilité du réservoir notamment autour des puits d'injection. Il en résulte une diminution significative de l'injectivité des puits. L'objectif de cette thèse est d'étudier le processus de transport et de dépôt des particules solides dans un réservoir de sable et son influence sur la perméabilité du milieu. Nous étudions également l'influence de certains paramètres tels que : la concentration en particules, le débit d'injection, la taille de particules injectées, la taille des pores du milieu et la rugosité de la surface des grains. La finalité de ce travail est de proposer un modèle prédictif de transport-dépôt-endommagement afin de pouvoir estimer la pérennité du système. Dans ce but, une campagne d'essais expérimentaux est menée sur le processus de transport et de dépôt des particules siliceuses de taille de quelques microns dans une éprouvette de sable dense. Ces essais ont été réalisés sur trois dispositif différents ; deux dispositifs d'injection unidimensionnelle (colonne d'injection et cellule d'injection) et un dispositif d'injection radiale en chambre d'étalonnage en vue de simuler les conditions d'injection en puits. Dans ces essais, les conditions hydrauliques sont contrôlées et la concentration en particules dans la suspension est imposée. Au cours de l'injection, le suivi de l'évolution de la pression interstitielle est réalisé en utilisant des capteurs de pression installés à différents endroits dans le milieu. La concentration des particules dans le fluide sortant est mesurée en utilisant un turbidimètre installé à la sortie du milieu. L'étude expérimentale réalisée sous différentes conditions a permis de mettre en évidence une forte hétérogénéité du dépôt des particules dans le milieu poreux. Cette hétérogénéité se traduit par la formation d'un cake interne et/ou externe au voisinage du point d'injection. L'analyse de ce cake montre un milieu à double porosité avec deux familles de pores correspondant à la porosité interne des agglomérats formés par les particules déposées et la porosité du sable réduite progressivement par le dépôt de ces derniers. Une étude paramétrique a permis de mettre en évidence une distinction entre l'effet des faibles et des fortes concentrations, ainsi que l'importance de l'effet du débit d'injection, de la taille des pores, de la taille des particules de la suspension ainsi que de la rugosité de la surface des grains. Ce travail expérimental s'accompagne d'une modélisation des phénomènes de transport et de dépôt des particules dans un milieu poreux. Dans un premier temps, nous avons utilisé un modèle de convection dans lequel la loi décrivant le dépôt des particules prend en compte la densité des particules déposées ainsi que le relargage des particules. Les paramètres de la loi constitutive de dépôt, ainsi qu'une loi empirique porosité-perméabilité ont été calibrés en simulant les résultats expérimentaux d'essais d'injection en cellule sous différentes conditions. Un nouveau modèle semi analytique basé sur le modèle d'Eylander (1988) a été développé dans lequel nous prenons en compte une distribution spatiale des particules déposées et une double porosité du milieu (cake et milieu granulaire). Cette distribution est inspirée du modèle convection étudié auparavant. La simulation d'essais d'injection en cellule a permis de montrer les capacités du modèle pour la prédiction des variations de la pression en cours de l'essai. Ce modèle permet une prédiction de l'évolution de la perméabilité pendant l'injection de façon plus simple et directement applicable dans l'ingénierie de réservoirs / Hydraulic damage and plugging of the granular structure of oil reservoirs are commonly observed during the re-injection of produced water. These phenomena can lead to a significant decrease of the reservoir permeability around the injectors and affect the injectivity of these wells. The objective of this thesis is to study the transport and deposition process of solid particles in a sand reservoir and its influence on the permeability of the medium. We also study the influence of certain parameters such as particle concentration, injection flow rate, the size of injected particles, the pore size of the medium and the surface roughness of the grains. The aim of this work is to propose a predictive model of transport-deposition-damage in order to estimate the durability of the system. For this purpose, an experimental program was conducted on the transport and deposition process of the siliceous particles of size of a few microns in dense sand specimens. These tests were carried out on three different devices; two one-dimensional injection devices (injection column and injection cell) and a radial injection device in “chambre d'étalonnage” in order to simulate the injection wells conditions. In these tests, the flow conditions are controlled and the concentration of particles in the suspension is imposed. During injection, the monitoring of the evolution of pore pressure is carried out using pressure sensors located in different places in the medium. The particle concentration in the outgoing fluid is measured using a turbidimeter installed at the outlet. The experimental study carried out under different conditions allowed to highlight a highly heterogeneous particle deposition in the porous medium. This heterogeneity results in the formation of an internal and/or external cake in the vicinity of the injection point. The analysis of this cake shows a double porosity medium with two pore families corresponding to the internal porosity of the agglomerates formed by the deposited particles and porosity of the sand gradually reduced by the particles deposition. A parametric study permitted to show a distinction between the effect of low and high particles concentrations, as well as the importance of the effect of injection flow rate, the pore size, the particle size of the suspension and the roughness of the surface of the grains. This experimental work is associated with modelling of transport and deposition of particle in a porous medium. We used first the convection model in which a constitutive law describing the particle deposition takes into account the effects of the deposited particles concentration and the release of particles. The parameters of the particle deposition constitutive law as well as an empirical porosity-permeability law have been calibrated by simulation of the results of injection tests performed in the injection cell under different conditions. A semi-analytical model based on the Eylander (1988) model was developed in which we take into account a spatial distribution of the deposited particles and a double porosity of the medium (cake and granular medium). This distribution is inspired from the results if convection model studied before. The simulation of the results of injection experiments permitted to show the performances of this model for prediction of the pore pressure evolution during the fluid injection. This model allows prediction of the permeability evolution in a simpler and directly applicable manner in the reservoir engineering

La formation d'agrégats d'anticorps monoclonaux en solution est difficile à empêcher. Même si la présence de gros agrégats est assez rare, leur existence peut avoir des effets dramatiques dans les systèmes d'injection, en menant à des situations de colmatage partiel ou total de la restriction dans ce dernier. Cela entraîne une injection mal contrôlée ou même une obstruction totale du système d'injection. Très peu est connu sur le rôle de la taille des agrégats et de la pression appliquée sur de tels évènements de colmatage. Dans cette thèse, nous présentons un système microfluidique modèle, imitant les systèmes médicaux d'injection afin de comprendre fondamentalement le colmatage de restrictions d'une taille donnée. Des solutions très concentrées en anticorps monoclonaux nous permettent de créer des agrégats de protéines (plus grands que 50 micromètres) en utilisant un stress mécanique ou thermique. Nous montrerons que le colmatage a lieu quand les agrégats atteignent la taille de la restriction et peut dans certains cas être défait en augmentant la pression appliquée. La possibilité observée d'éjecter des agrégats de la restriction via une augmentation en pression indique le rôle important de la déformabilité des agrégats de protéines, à ce jour complètement inexplorée. Nous réalisons des expériences systématiques pour différentes tailles relatives d'agrégats et de pressions appliquées, et nous mesurons le débit en sortie. Malgré leurs formes et densités différentes, nous pouvons prédire le nombre d'évènements de colmatage pour une taille donnée de restriction par des mesures utilisant le Flow Imaging Microscopy (MFI). De plus, notre système peut détecter l'occurrence de très gros agrégats (très rares) souvent non détectés par d'autres techniques. Avec un modèle mécanique simple, nous pouvons estimer pour la première fois un ordre de grandeur du module d'Young et un diamètre effectif de pores pour des agrégats d'anticorps monoclonaux. Nous avons également développé une autre expérience modèle dans un canal hyperbolique couplé avec un flow focusing afin d'observer la déformation d'agrégats sous écoulement élongationnel. Nous décrirons leur comportement en analysant leurs trajectoires qui sont pour la plupart d'entre eux du tumble et de l'alignement avec l'écoulement. De plus, nous développerons un modèle mécanique qui tient compte de la force de friction dans une expérience modèle contrôlée avec une solution polymérique de PEGDA. Nous étudierons ainsi le rôle d'une différence de pression minimale à appliquer pour remettre la particule en mouvement dans la restriction, et ainsi relier cela aux agrégats de protéines. / The formation of aggregates in solutions of monoclonal antibodies is difficult to prevent. Even if the occurrence of large aggregates is rather rare, their existence can have dramatic effects in injection devices, as they can lead to partial or total clogging of constrictions in the latter. This leads to badly controlled injection or even total obstruction of the device. Little is know on the role of aggregate size and applied pressure on such clogging events. In this thesis, we present a microfluidic model system, mimicking medical injection devices to gain fundamental understanding of the clogging of constrictions of given size. Highly concentrated solutions of monoclonal antibodies allow us to create protein aggregates (bigger than 50 micrometers) using mechanical or heat stress. We show that clogging occurs when aggregates reach the size of the constriction and can in some cases be undone by increasing the applied pressure. The observed possibility to eject aggregates from constrictions via an increase in pressure indicates the important role of protein aggregate deformability, so far completely unexplored. We perform systematic experiments for different relative aggregate size and the applied pressure, and measure the flow-rate. Despite their different shapes and density, we can predict the number of clogging events for a given constriction size by Flow Imaging Microscopy (MFI) measurements. In addition our device can detect the occurrence of very rare big aggregates often overlooked by other detection techniques. With a simple mechanical model where we neglected the friction, we could estimate for the first time an order of magnitude for the Young modulus and a porous diameter for monoclonal antibodies aggregates. We also develop another model experiment with an hyperbolic channel coupled with a flow focusing to observe deformation of the aggregates under extensional flow. We describe their behavior by analyzing their trajectories which are for most of them tumbling and alignment with the flow. Moreover, we develop a mechanical model which took into account the friction force in a controlled model experiment with polymeric solution. We thus investigate the role of a minimal applied pressure to generate the particle movement into the constriction, and then link it with protein aggregates.

Si les risques liés à la présence de résidus médicamenteux dans l'environnement sont encore méconnus, les premiers cas avérés et l'introduction récente de trois médicaments (2013) sur une liste de surveillance de l'UE imposent d'ores et déjà le développement de procédés de traitement capables d'éliminer cette pollution spécifique. C'est dans ce contexte que le traitement des effluents d'un service d'oncologie par un bioréacteur à membranes a été évalué dans cette thèse. Les effluents collectés sont caractérisés par une importante variabilité de la charge polluante et des concentrations médicamenteuses très élevées, parfois supérieures à 1 mg.L-1. Ces conditions n'ont pas favorisé le développement continu de la biomasse épuratrice. Il a toutefois été démontré que la toxicité de ces effluents n'est pas proportionnelle à la charge appliquée puisqu'une charge massique supérieure à 0.20 kgDCO.kgMVS-1.j-1 permet la croissance de la biomasse. Le colmatage des membranes a permis une rétention significative des médicaments sélectionnés. L'élimination des médicaments sélectionnés a par ailleurs été systématiquement améliorée par les boues acclimatées avec notamment le développement de capacités de biotransformation sur des molécules parfois uniquement éliminées par sorption dans les stations d'épuration. / The risks concerning the presence of pharmaceutical residues into the environment are still unknown. However, the first confirmed cases and the recent introduction of three drugs (2013) on a surveillance list of EU already require the development of processes able to remove this specific pollution. It is against that background that oncological ward wastewater treatment by a membrane bioreactor was investigated in this thesis. These effluents are characterized by a very variable charge and high pharmaceutical concentrations, sometimes above 1 mg.L-1. These conditions did not favor the continuous development of the biomass. However, it could be demonstrated that the toxicity of these effluents is not related to the applied charge since a food to microorganisms ratio above 0.20 kgCOD.kgMLVSS-1.d-1 allows biomass growth. Membrane fouling played a major role in the significant retention of the investigated drugs. In comparison to unacclimated activated sludge from WWTP pharmaceutical removal was systematically enhanced by the acclimated biomass with the development of biotransformation possibilities.