Évaporation en milieu poreux en présence de sel dissous. Structure et lois de croissance des efflorescences

Evaporation in porous media in presence of dissolved salt. Structure and growth laws of efflorescences

• Auteur / Autrice : Mauricio Duenas Velasco
• Direction : Marc Prat, Paul Duru
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 20/05/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• 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 (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Ludovic Pauchard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Prat, Paul Duru, Noushine Shahidzadeh, Lionel Mercury, Manuel Marcoux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Noushine Shahidzadeh, Lionel Mercury

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallisation

Sels

Évaporation

Mots clés libres

Evaporation

Sels dissous

Cristallisation

Hétérogénéité

Drainage capillaro-gravitaire

Evaporation

Dissolved salts

Crystallization

Heterogeneity

Capillaro-gravity drainage

Résumé

L’évaporation d’une solution saline en milieu poreux intervient dans diverses situations comme lors de l’injection de dioxyde de carbone dans des aquifères salins ou dans des processus de dégradation des monuments ou de la végétation. Un aspect clé est la cristallisation des sels dissous à la surface ou au sein du milieu poreux résultant de l’évaporation de la solution. Dans la première partie de ce manuscrit, nous étudions le séchage d’un milieu poreux modèle initialement saturé par une solution aqueuse de chlorure de sodium pour différentes tailles moyennes de pores et différents flux d’évaporation. Ceci nous permet d’obtenir une caractérisation des cristaux formés en surface (efflorescence) en fonction de ces paramètres. Nous nous intéressons ensuite tout particulièrement au cas où l’efflorescence forme une croûte d’apparence compacte. Un aspect intrigant est que cette croûte ne bloque pas complètement l’évaporation. Le taux d’évaporation est réduit d’un ordre de grandeur environ. Une modélisation de la croissance de la croûte est développée pour expliquer ce phénomène. Dans une deuxième partie du manuscrit, nous nous intéressons au phénomène relié à la croissance d’un efflorescence “rampante” à la surface d’un substrat solide, dans notre cas la surface externe d’un tube capillaire droit dont une extrémité est plongée dans une solution de chlorure de sodium. Les lois de croissance de ce phénomène sont caractérisées à partir du suivi temporel par double pesée de la masse d’eau évaporée et de la masse de sel qui précipite ainsi que de la géométrie de l’enveloppe externe de la couche de sel recouvrant progressivement le capillaire. Ici encore, l’analyse du phénomène de croissance est confortée par une modélisation numérique simple. Un aspect important de ce travail est le recours à des techniques de visualisations modernes (microtomographie à rayons X, microscopie électronique à balayage, scanner de surface à lumière structurée) pour obtenir autant d’informations que possible sur la structure des efflorescences et les mécanismes de croissance mis en jeu dans ces expériences.

Evaporation of saline solution in porous media occurs in various situations such as injection of carbon dioxide in saline aquifers or in degradation processes on monuments or on vegetation. A key aspect is the crystallization of dissolved salts on the surface or in the porous medium resulting from the evaporation of the solution. In the first part of this manuscript, we study the drying of model porous media model initially saturated with an aqueous solution of sodium chloride, for different average pore sizes and different evaporation fluxes. This allows us to obtain a characterization of the salt crystals formed on the surface (efflorescence) depending on these parameters. We are particularly interested in the case when the efflorescence forms an apparently compact crust. An intriguing aspect is that the crust does not completely block the evaporation. The evaporation rate is in fact reduced by an order of ten. To explain this phenomenon, a model of the growth of the crust is developed. In a second part of the manuscript, we are interested in the growth of a salt efflorescence by “creeping” on a solid substrate, here the outer surface of a straight capillary tube, with one end immersed in a sodium chloride solution. The growth laws of this phenomenon are characterized by weighing both the mass of water evaporated and the mass of salt that precipitates, as well as recording the geometry of the outer casing of the salt layer gradually covering the capillary. Again, the analysis of this growth phenomenon is supported by a simple numerical model. An important aspect of this work is the use of up-todate visuablisation techniques (such as X-ray micro-tomography, scanning electron microscopy and structuredlight surface scanning) to get as much as possible additional information on the efflorescence structure and growth mechanism at play in these experiments.