Rheological and structural characterization of sludge from treatment processes and study of the influence of ultrasound on their flow properties
Caractérisation rhéologique et structurale de boues issues de procédés de traitement et étude de l’influence d’ultrasons sur leurs propriétés d’écoulement
Résumé
The nuclear industry produces various types of radioactive waste, including complex suspensions known as "sludge." To beeffectively transported and mixed, these sludges require a detailed understanding of their rheological properties. Thisthesis focuses on a model non-radioactive sludge and simplified suspensions. Using various analytical techniques, the modelsludge can be described as a mixed dispersion of colloidal and non-Brownian particles suspended in a saline aqueoussolution. The microstructure is based on a gel network formed by colloidal particles that support the non-Brownianparticles. The rheological analysis of the model sludge showed a yield-thinning fluid behavior, with its structure graduallybreaking down under prolonged shear. An ultrasonic velocity profiling technique was used to image the actual flow of thesludge in a rheometer. This revealed a persistent wall slip and allowed the analysis of complex phenomena associated withheterogeneous flow and periodic alternations between phases of wall adhesion and plug flow. Subsequently, a devicecoupling high-power ultrasound via a piezoelectric transducer to a rheometer was implemented. Despite significantheating, the application of ultrasound fluidized the sludge at stresses below the yield point by breaking down the sludgeflocs and releasing fluid initially trapped within these particle agglomerates. Furthermore, ultrasound seems to promotewall slip of the sample, which could also facilitate the flow of sludges.
L’industrie nucléaire produit un certain nombre de déchets radioactifs tel que des suspensions complexes appelées « boues ». Pour être convoyées et mélangées, ces boues demandent une compréhension détaillée de leurs propriétés rhéologiques. Ce manuscrit se concentre sur une boue modèle non radioactive, ainsi que sur des suspensions simplifiées. Grâce à diverses techniques analytiques, la boue modèle peut être décrite comme une dispersion mixte de particules colloïdales et non-browniennes en suspension dans une solution aqueuse saline. La microstructure repose sur un réseau gélifié formé par les particules colloïdales qui maintient en suspension les particules non-browniennes. L’analyse rhéologique de la boue modèle a montré un comportement de fluide à seuil rhéofluidifiant, avec une structure progressivement détruite sous cisaillement prolongé. Une technique de vélocimétrie ultrasonore a été utilisée pour imager l’écoulement réel de la boue dans un rhéomètre. Cela a permis d’observer un glissement permanent aux parois, et d’analyser des phénomènes complexes associés à un écoulement hétérogène, et à alternances périodiques entre des phases d’adhérence aux parois et d’écoulement bouchon. Dans un second temps, un dispositif couplant des ultrasons de puissance via un transducteur piézo-électrique à un rhéomètre a été mis en place. Malgré un échauffement non négligeable de la suspension, l’application d’ultrasons fluidifie la boue pour des contraintes inférieures à la contrainte seuil en désagrégeant les flocs de la boue tout en libérant du fluide initialement piégé dans ces amas de particules. Par ailleurs, les ultrasons semblent favoriser le glissement au paroi de l’échantillon, ce qui pourrait également faciliter l’écoulement des boues.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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