Dynamique d'ingestion et de désorption du gaz carbonique en solution aqueuse

Dynamics of ingestion and desorption of gaseous CO2 in aqueous solutions

• Auteur / Autrice : Alexandru Vreme
• Direction : Gérard Liger-Belair Bocquillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences - STS
• Date : Soutenance le 10/04/2015
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique (GSMA) - UMR CNRS 7331 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Régis Gougeon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Meunier, François Nadal, Harald Pleiner
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gérard Liger-Belair Bocquillon, Bernard Pouligny, Laurence Rongy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champagne (vin mousseux)

Solutions aqueuses (chimie)

Dioxyde de carbone

Mots clés libres

Équilibre de Henry

Diffusion moléculaire

Dynamique de bulles

Instabilités hydrodynamiques de Rayleigh-Taylor

Boissons gazeuses

Henry's equilibrium

Molecular diffusion

Bubble dynamics

Rayleigh-Taylor hydrodynamic instabilities

Carbonated beverages

Résumé

Nous étudions les comportements dynamiques de solutions aqueuses de dioxyde de carbone, pures ou sous forme de boissons gazeuses. Nous observons les façons dont des solutions carbonatées, initialement à l'équilibre de Henry, répondent à une perturbation, qui peut être un changement brusque de pression ou une agitation mécanique. Ces questions sont examinées expérimentalement, à l'aide de dispositifs construits pour cette étude. Ceux ci permettent de visualiser les champs de vitesse et les fronts de dissolution dans le fluide, dans des conditions variées de pression, taille et forme de système. Une partie importante est consacrée à la chemi-convection provoquée par la déstabilisation d'une couche diffuse de CO2 dissout. Nous présentons une caractérisation complète du phénomène, et une interprétation basée sur une théorie de l'instabilité de Rayleigh-Taylor correspondante. L'autre partie de notre travail concerne des systèmes fermés, dont la bouteille de champagne est l'exemple type. Nous montrons que l'agitation de la bouteille provoque une légère baisse transitoire de la pression interne, et expliquons le phénomène à l'aide d'un modèle basé sur la théorie d'Epstein-Plesset de la dynamique des bulles.

This work is about dynamical phenomena of water-carbon dioxide solutions, either pure binary mixtures or carbonated beverages. We address the general problem of how such solutions, initially at Henry's equilibrium, respond to a perturbation. The latter may be a sudden change in pressure, or mechanical shaking. These problems are investigated with the help of especially designed experimental hardware that allows us to visualize the velocity field and the concentration front inside solutions, in diverse conditions of pressure, system size and shape. An important part of the work is dedicated to chemi-convection, i.e. the fluid motion induced by destabilisation of the diffuse layer of dissolved CO2. Both experimental characterization and interpretation through a theory of the corresponding Rayleigh-Taylor instability are presented. The other part of the work is related to closed systems, representative of a bottle of champagne and of sodas in general. A key observation is that shaking produces a small transient drop of the internal pressure, which we explain through a dedicated modelbuilt on Epstein-Plesset's theory of bubble dynamics.