Croûtes de sel (NaCl) générées par évaporation : mécanismes de formation, de structuration,dedéplacement et de détachement

Evaporative NaCl salt crusts : formation, patterning, displacement and detachment mechanisms

• Auteur / Autrice : Glad calin Licsandru
• Direction : Marc Prat, Catherine Noiriel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 18/11/2020
• 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 : Lionel Mercury
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Prat, Catherine Noiriel, Lionel Mercury, Noushine Shahidzadeh, Nima Shokri, Sandrine Geoffroy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Noushine Shahidzadeh, Nima Shokri

Mots clés

Mots clés libres

Simulation numerique

Cristallisation

Croûtes de sel

Halite

Sel

NaCl

Numerical simulation

Crystallization

Salt crust

Halite

NaCl

Salt

Résumé

La halite se rencontre souvent dans la nature sous la forme de grands dépôts formant des croûtes de sel à la surface des sols ou plus généralement de milieux poreux. Il a été rapporté que les croûtes de sel peuvent fortement affecter le processus d'évaporation et qu’elles peuvent conduire à des phénomènes intrigants, tels que la formation de dômes de sel ou le détachement de la croûte de l'hôte poreux sous-jacent. Dans ce contexte, les travaux présentés dans cette thèse ont pour objectif de mieux comprendre la formation des croûtes de sel et leur dynamique à travers une expérience originale de laboratoire combinée à une approche de modélisation simple. Une série d'expériences est menée dans un environnement de laboratoire bien contrôlé (température, humidité, concentration en sel, saturation en eau, etc.), en 2D (cellule Hele Shaw) et en 3D (récipients cylindriques en PTFE) avec un milieu poreux formé par des billes de verre. Les expériences sont analysées à partir d’images à haute définition prises à intervalle régulier accompagnée d'un balayage de la surface par laser 3D et d'une visualisation par rayons X. Ceci permet notamment de quantifier la croissance, l’épaisseur et la vitesse de déplacement de la croute de sel ou encore d’obtenir des motifs originaux de structuration. Les changements contrôlés de la morphologie, du déplacement et du détachement de la croûte sont présentés en faisant varier certains facteurs environnementaux. En plus des informations détaillées sur le déplacement des croûtes compactes et le processus de détachement de la croûte, les expériences montrent qu'une croûte compacte peut évoluée vers une morphologie ramifiée et vice versa. Les expériences montrent également que deux types différents de motifs cellulaires peuvent être obtenus à la surface d’une croûte de sel dans des conditions de laboratoire bien contrôlées. Une modélisation simple du transport réactif dans la croute couplant le transport, l'évaporation, la dissolution et la précipitation des solutés a ensuite été développée afin d'aider à analyser les résultats expérimentaux et de développer des modèles prédictifs. En particulier, la modélisation indique que tous les phénomènes mis en évidence dans les expériences peuvent être expliqués par la combinaison de processus couplés d’évaporation, dissolution et recristallisation.

Halite (NaCl(s)) is often found in nature as large efflorescence salt crust deposits (salt flats).Reports show that salt crusts can greatly affect the evaporation process and can lead to puzzlingphenomena, such as the formation of salt domes or crust detachment from the underlying poroushost. In this context, the present work has the objective to bring forth a better understanding ofsalt crust formation and its dynamics through original laboratory-based experiments put against asimple modelling approach. A series of experiments are conducted in well controlled laboratoryenvironment (temperature, humidity, salt concentration, water saturation, etc.), in 2D (Hele Shawcell) and 3D (PTFE cylindrical containers) packed with a glass bead porous medium. The imagingis done with time-lapse high definition photography, while accompanied by 3D laser surfacescanning and X-ray based visualization. These allow identifying and quantifying crust behaviorssuch as growth, size, speed of displacement or even pattern formation. Controlled changes incrust morphology, displacement and detachment are presented by varying certain environmental factors. In addition to detailed information on the displacement of compact crusts and the crust’sdetachment process, the experiments show that a uniform compact crust can be changed into abranched morphology and vice versa. Further more, there are presented two types of salt crustcellular patterns which can be obtained under well controlled laboratory conditions.Simple reactive transport modeling coupling solute transport, evaporation, dissolution andprecipitation was then developed in order to help analyze the experimental results and developpredictive models. In particular, the modelling indicates that all the phenomena evidenced in the experiments can be explained by the combination of coupled evaporation - dissolution-recrystallization processes