Modélisation de l'adsorption et du transport des surfactants en milieu poreux : influence de la thermodynamique et de la cinétique de l'adsorption

Modelling surfactant adsorption and transport in porous media : influence of adsorption thermodynamics and kinetics

• Auteur / Autrice : Zaineb Zaafouri
• Direction : Benoît Coasne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 06/11/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Élise Lorenceau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Rotenberg
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Joelle Aubin, Flor Siperstein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces (physique)

Surfactants

Simulation par ordinateur

Adsorption

Mots clés libres

Surfactant et matière molle

Transport

Adsorption

Transport

Surfactant and soft matter

Adsorption

Résumé

L'adsorption des tensioactifs se caractérise par un comportement complexe lié aux interactions latérales et à la formation des agrégats de surface. Dans cette thèse, un nouveau modèle est proposé ; celui-ci utilise des rapports d'adsorption-désorption dépendants de la concentration permettant de considérer l'adsorption entravée ou facilitée et intègre un paramètre de tassement servant à caractériser les objets agrégés. Ce modèle a été validé par rapport à des données expérimentales et a démontré son intérêt physique en obéissant à l'approximation quasi-chimique. L'étude numérique de l'interaction entre l'adsorption et le transport est d'un intérêt important pour l'industrie. Dans ce travail, nous effectuons une série de simulations numériques en utilisant le schéma LBM-TRT pour modéliser le transport de traceur passif et adsorbant dans une structure simple et complexe. Les résultats de la modélisation en géométrie de plaques parallèles ont montré que l'adsorption de Henry entraîne un déplacement plus important; et conduit à une sur-adsorption lorsque le rapport adsorption-désorption est élevé. Alors que pour le modèle de Langmuir, les résultats ont montré l'importance de la valeur de la concentration initiale. Une forte valeur conduit à changer les régimes de transport, en introduisant un régime de dispersion de Taylor intermédiaire, avant d'atteindre le régime de dispersion lié à l'adsorption. Par ailleurs, les résultats obtenus dans la géométrie poreuse ont montré que le transport dans cette géométrie est fortement affecté par l'hétérogénéité de la structure ; elle met en évidence un régime de dispersion non stationnaire. De plus, l'adsorption entraîne une diminution de la variance de déplacement en raison de l'adsorption dans la direction x. Grâce à la saturation de surface, le modèle d'adsorption de Langmuir donne plus de molécules dispersées que le modèle d'adsorption de Henry.

The adsorption of surfactant exhibits complex behavior related to lateral interaction and the formation of aggregates on the adsorbing surfaces. In this thesis, we propose a new model by using adsorption desorption ratio that are concentration dependent to account for the hindered or facilitated adsorption and a packing parameter to characterize the aggregated objects. The model was validated against experimental data and it proved its physical interest by obeying the quasi-chemical approximation. The numerical study of the interplay between adsorption and transport is of important interest for the industry. In this work, we perform a series of numerical simulation using LBM-TRT scheme to model the transport of passive and adsorbing tracer in simple and complex structure. The results in the parallel plates geometry proved that the Henry adsorption leads to a higher displacement and it leads to an over-adsorption when using high value of adsorption desorption ratio. While for the Langmuir model, results showed the importance of the value of the initial concentration. A high concentration values leads to change the transport regimes, by introducing an intermediate Taylor dispersion regime, before reaching the adsorption dispersion regime. The results in the porous geometry proved that transport in this geometry is highly affected by the heterogeneity of the structure; it showcases a non-stationary dispersive regime. As for the adsorption, it leads to a decrease in the displacement variance since it is hindered by the adsorption in the x-direction. Thanks to the surface saturation, the Langmuir adsorbing model, gives more dispersed molecules than the Henry adsorbing model within the geometry.