Influence de l’écoulement sur les réactions chimiques sous conditions instaurées en eau – INFLOW

INFLOW rassemble une équipe pluridisciplinaire entre la chimie, la mécanique des fluides et les sciences de la Terre pour explorer comment l'écoulement multiphasique de l'eau et de l'air contrôle la réactivité chimique dans un milieux poreux saturé. Cette dynamique d’écoulement joue un rôle central dans le transport et la dégradation des contaminants dans les sols, qui constituent des réacteurs très hétérogènes. Alors que les propriétés de transport réactif sont généralement caractérisées dans des conditions saturées, très peu de connaissances existe sur comment différents niveaux de saturations en eau modifient la cinétique de réaction. INFLOW combinera des études expérimentales sur les mécanismes moléculaires à l’interface minéral/eau (WP1) avec une imagerie à l'échelle des pores des vitesses de réaction en utilisant des nouvelles techniques microfluidiques (WP2). Ces données expérimentales alimenteront un nouveau modèle qui permettra la mise à l'échelle de transport réactif dans un milieu poreux insaturé (WP3), intégrant les vitesses de réaction et les paramètres thermodynamiques, ainsi que la dynamique de transport dans les écoulements multiphasiques.
Un défi majeur consiste à relier les processus chimiques à l'échelle moléculaire avec les processus physiques (e.g., l'écoulement de l'eau ou la dispersion/diffusion à travers le milieu poreux). Le couplage de mesures de chimie interfaciale in situ et de techniques émergentes de microfluidique offre une opportunité très intéressante de résoudre cette question scientifique majeure. INFLOW rassemble pour la première fois une équipe interdisciplinaire comprenant des experts de ces différentes techniques. Il s'attaquera à ce problème en se concentrant sur le cas des agents antibiotiques largement utilisés en médecine humaine et vétérinaire. Récemment, les quinolones et d'autres agents antibactériens ont émergé comme micropolluants aqueux dans les eaux de surface, les eaux souterraines et les sols. Leur transport et leur mobilité dans l'environnement sont fortement liés à la nature et à l'abondance relative des phases minérales abondantes, comme les oxyhydroxydes de fer. Bien que la dégradation redox de ces composés soit essentielle, les mécanismes de transformation moléculaire restent très peu étudiés. De plus, la grande partie des connaissances actuelles concernent la réactivité des surfaces minérales dans les systèmes de suspension, et à l'équilibre, et très peu d'études ont été effectuées sur l'impact du flux sur les processus interfaciaux, et beaucoup moins sur l'impact de l’écoulement où règne le non-équilibre. Par conséquent, on ne sait pas comment la dynamique d'écoulement non saturé influence ces processus interfaciaux et entraîne probablement des réactions de non-équilibre.
Nos hypothèses de recherche sont les suivantes: (i) l'écoulement multiphasique de l'eau et de l'air dans les milieux poreux induit de fortes hétérogénéités macroscopiques dans la teneur en eau et les vitesses d'écoulement, affectant ainsi les temps de séjour des solutés et l'exposition aux surfaces réactives; (ii) à l'échelle des pores, cela induit des gradients de concentration améliorés conduisant à la rupture de l'hypothèse de mélange complet des modèles de transport réactifs conventionnels; (iii) À l'échelle de l’interface, le flux a probablement un impact majeur sur la réactivité en conditions instaurées et le devenir des espèces liées à la surface.
Cette approche multidisciplinaire fournira un ensemble de données unique de l'échelle moléculaire à l'échelle des milieux poreux. INFLOW est le premier projet à développer une méthodologie multi-échelle et interdisciplinaire reliant les mécanismes moléculaires des réactions chimiques à la dynamique d'écoulement multiphasique dans les milieux poreux, ouvrant ainsi un large éventail d'applications environnementales.