Effet des hétérogénéités à grande échelle sur l'évaporation et le séchage en présence de sel dissous en milieu poreux

Effect of large-scale heterogeneities on evaporation and drying on crystallization of dissolved salts in porous media

• Auteur / Autrice : Faiza Hidri
• Direction : Marc Prat, Rachida Bouhlila
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique et transferts
• Date : Soutenance le 18/07/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT en cotutelle avec Université de Tunis El Manar
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse / IMFT

Mots clés

Mots clés libres

Evaporation

Séchage

Milieu hétérogène

Cristallisation

Evaporation

Drying

Ions transport

Crystallization

Résumé

L’altération des matériaux poreux est attribuée en grande partie aux sels présents en solution dans l’espace des pores. Ce phénomène d’altération est classiquement associé à la cristallisation des sels dissous via la notion de pression de cristallisation. Le phénomène de cristallisation est quant à lui souvent très directement lié aux écoulements ou aux variations de saturation dus à l’évaporation auquel est soumis le milieu poreux. Une meilleure compréhension des phénomènes d’altération passe donc par une compréhension du transport des ions lors de l’évaporation et notamment de l’évolution de leur concentration locale. Dans ce contexte, ce travail consiste à étudier expérimentalement et numériquement le transfert des ions en solution dans un milieu poreux hétérogène pour deux situations de référence : la situation de mèche et la situation de séchage. Dans le cas de la situation de mèche, le milieu poreux est alimenté de façon continue en solution saline au cours de l’évaporation. Le milieu poreux reste complètement saturé tout au long de l’évaporation. En revanche, la situation de séchage est caractérisée par la diminution progressive de la saturation en liquide au cours du temps. Le sel considéré est le chlorure de sodium, un sel très présent dans un grand nombre d’applications. L’accent est mis sur l’étude de l’effet d’hétérogénéités macroscopiques, c’est-à-dire des variations spatiales de porosité et/ou de perméabilité, sur la position et la dynamique des maximums de concentration en sel à la surface évaporative du milieu poreux pour les deux situations de référence précitées. Les maximums de concentration correspondent en effet aux lieux les plus probables de la cristallisation. La première partie de ce travail porte sur la situation de mèche. Les expériences et les simulations numériques montrent que les maximums de concentration en sel sont anticorrélés avec les maximums de porosité et/ou de perméabilité aux temps longs. Ainsi le sel se dépose à la surface du milieu le moins perméable et le moins poreux si l’évaporation est uniforme à la surface du milieu poreux. La deuxième partie de cette étude est dédiée à l’étude de la situation de séchage. On trouve l’inverse du cas de la situation de mèche, c’est-à-dire une corrélation directe des maximums de concentration avec les maximums de porosité et de perméabilités. Ceci s’explique par la désaturation préférentielle des zones à plus fortes porosités et à plus fortes perméabilités lors du séchage. Nous avons également étudié des situations où le flux d’évaporation était plus marqué en périphérie de l’échantillon, ce qui conduit notamment à l’apparition des efflorescences en forme d’anneau de fée. Notre étude a également mis en évidence un effet notable de sursaturation ainsi que la nécessité de prendre en compte dans l’analyse l’augmentation de la porosité près d’une paroi dans le cas des milieux poreux formés par des empilements de particules.

Alteration of porous media is often due to the salts solution present in the pore space. This phenomenon is typically associated with the crystallization process of dissolved salts in relation with the concept of crystallization pressure. The salt crystallization phenomenon is in turn very often directly related to the flows or the saturation variation resulting from evaporation. A better understanding of alteration process thus needs a better understanding of the ions transport during evaporation and of the local evolution of ions concentration. In this context, this work presents an experimental and numerical study of sodium chloride transport in heterogeneous porous media. Two basic situations are considered: namely drying and wicking-evaporation. In the evaporation-wicking situation the sample is in contact at its bottom with an aqueous solution and the medium remains fully saturated by the solution during evaporation. In drying the limiting surfaces of the porous sample are in contact with impervious walls or exposed to evaporation. Since there is no supply of liquid to compensate the evaporation in this case, the overall liquid saturation decreases during the drying process. The focus is on the impact of porosity and permeability heterogeneities on the ion concentration maxima at the evaporative surface of a porous medium for the two reference situations. The ion concentration maxima correspond to the incipient spots of crystallization. The first part is devoted to the evaporation-wicking situation. Experiments and numerical simulations show that the salt concentration maxima are anticorrelated with the maxima in porosity and / or permeability in the long time regime. As a result the salt crystallizes at the surface of the less permeable and less porous medium if the evaporation is uniform at the surface of porous medium. The second part is devoted to the study of the drying situation. The drying situation is markedly different from the evaporation-wicking situation. The ion concentration maxima correspond to regions of greatest porosity and / or permeability because of the preferential decrease in saturation in the region of largest porosity / permeability. This is exactly the contrary of the evaporation-wicking situation. We also studied situations where higher evaporation fluxes along the periphery of the evaporative surface lead to the formation of an efflorescence fairy ring. The study also reveals a quite significant supersaturation effect and the impact of porosity variations near the wall on the ion concentration distribution and the first time of crystallization when the porous medium is formed by a packing of particles.