Etude des écoulements de mousse à effet bloquant en milieu de haute perméabilité, pour la remédiation des sols et nappes souterraines. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Study of blocking foam flow in high permeability porous media for remediation of soils and groundwater.

Etude des écoulements de mousse à effet bloquant en milieu de haute perméabilité, pour la remédiation des sols et nappes souterraines.

Résumé

During soil remediation of saturated zones, it is sometimes necessary to confine a source in order to be able to carry out an effective treatment in situ. Confinement increases the contact time between the injected chemicals and the pollutant. This thesis presents the study of the injection of liquid foam as a blocking fluid. The work focuses especially on the study of foam flow in high permeability media, as containment is particularly necessary in this type of soils where flow rates are often high.The first step was to study the foamability and the stability of a selection of surfactants. Then, we studied foam flows in high permeability media (> 4x10-10 m²). These experiments were carried out in columns 30 to 40 cm long. We used mass balance, pressure measurement and visual observations to obtain results. Then, we studied foam flow in thin tanks 40 cm to 1 m wide. In these experiments, there was a water crossflow simultaneously to foam flow to model a groundwater flow. The observations focused particularly on the ability of the foam to divert the water flow as well as its stability over time. We used mass balance, pressure and saturation measurement, and a photographic analysis method developed specifically for this study to obtain results. Finally, we developed a numerical model to simulate the experimental results and to identify the parameters controlling the flow and stability of the foam.The results show that alpha-olefin sulfonate surfactant is a very good candidate for generating blocking foams thanks to its high stability and foamability, and is readily biodegradable. The foam behaves like a very viscous fluid (> 1 Pa.s) in high permeability media if it is generated using a pre-generation technique. This technique consists of injecting the gas and the liquid into a low permeability medium (fine sand, sintered glass) in order to create a fine foam and then injecting it into a high permeability medium. Direct injection of gas and liquid into a high permeability medium does not generate a viscous foam. We confirmed the shear-thinning behavior of the foam in high permeability media. We demonstrated the blocking property of the foam in tanks where foam diverted the whole water flow during the foam injection. After the end of the injection, the stability of the foam is poor in the presence of a fast crossflow (10 m/day) because it decreases the concentration of surfactant until it destroys foam lamella. We showed that stability correlates with the speed of the water crossflow. After destruction of the foam, the gas bubbles trapped in the porous medium contribute to greatly reducing the relative permeability to water in the area where we injected foam. The modeling showed that the coupling of a two-phase flow model in porous media with a solute transport model for the surfactant gives results close to the experimental results (foam injection and stability).All the results show that the use of foam as a blocking fluid in remediation of saturated soils is promising. This manuscript gives some hints concerning the industrial use of this fluid that can be difficult to control in porous media.
Dans le domaine de la dépollution des sols en zone saturée, il est parfois nécessaire de confiner une source afin de pouvoir mener un traitement efficace in situ. Le confinement permet notamment d’augmenter le temps de contact entre les réactifs injectés et le polluant. Cette thèse présente l’étude de l’injection de mousse liquide en tant que fluide bloquant. Les travaux se focalisent en particulier sur l’étude de l’écoulement de mousse dans des milieux de haute perméabilité, le confinement étant particulièrement nécessaire dans ce type de milieu où les vitesses d’écoulement sont souvent élevées.Les travaux ont d’abord consisté à étudier la moussabilité et la stabilité d’une sélection de tensio-actif. Puis, des travaux ont été mené pour étudier les écoulements de mousse dans les milieux de forte perméabilité (> 4x10-10 m²). Ces expériences ont été menées dans des colonnes de 30 à 40 cm. Les résultats ont été obtenus par bilan de masse, mesure de la pression et observations visuelles. Ensuite, les écoulements de mousse ont été étudiés dans des bacs fin de 40 cm à 1 m de large. Lors de ces expériences, les écoulements de mousse étaient confrontés à un écoulement croisé d’eau pour simuler un écoulement souterrain. Les observations portaient en particulier sur la capacité de la mousse à détourner cet écoulement ainsi que sa stabilité dans le temps. Les résultats ont été obtenus par bilan de masse, mesure de pression et de saturation, et par une méthode d’analyse photographique développé spécifiquement pour cette étude. Enfin, un modèle numérique a été mis en point pour simuler les résultats expérimentaux et identifier les paramètres contrôlant l’écoulement et la stabilité de la mousse.Les résultats montrent que le tensio-actif alpha-olefin sulfonate est un très bon candidat pour générer des mousses à effet bloquant grâce à sa haute stabilité et moussabilité, couplé à une biodégradabilité rapide. La mousse se comporte comme un fluide très visqueux (> 1 Pa.s) dans les milieux de haute perméabilité si celle-ci est générée grâce à une technique de prégénération. Cette technique consiste à injecter le gaz et le liquide dans un milieu de faible perméabilité (sable fin, verre fritté) afin de créer une mousse fine pour ensuite l’injecter dans un milieu de haute perméabilité. Une injection directe de gaz et de liquide dans un milieu de haute perméabilité ne permet pas d’obtenir une mousse visqueuse. Le comportement rhéofluidifiant de la mousse a été confirmé pour les milieux de haute perméabilité. La propriété bloquante de la mousse a été démontrée dans les bacs où l’intégralité de l’écoulement d’eau fut détournée pendant l’injection de la mousse. Après la fin de l’injection, la stabilité de la mousse est faible en présence d’un écoulement rapide (10 m/jour) car celui-ci diminue la concentration en tensio-actif jusqu’à déstabilisation des lamelles de mousse. Il a été montré que la stabilité est corrélée à la vitesse de l’écoulement d’eau croisé. Après destruction de la mousse, les bulles de gaz piégées dans le milieu poreux contribuent néanmoins à réduire fortement la perméabilité relative à l’eau dans la zone où la mousse a été injectée. La modélisation a montré que le couplage d’un modèle d’écoulement diphasique en milieu poreux à un modèle de transport de soluté pour le tensio-actif permettait de retrouver des résultats proches des résultats expérimentaux (phases d’injection de mousse et de stabilité).L’ensemble des résultats montrent que l’utilisation de mousse comme fluide bloquant dans le domaine de la dépollution des sols saturé est prometteur. Ce manuscrit donne des pistes concernant l’utilisation industrielles de ce fluide qui peut être difficile à maitriser en milieu poreux.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03651009 , version 1 (25-04-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03651009 , version 1

Citer

Romain Aranda. Etude des écoulements de mousse à effet bloquant en milieu de haute perméabilité, pour la remédiation des sols et nappes souterraines.. Mécanique [physics]. Université de Bordeaux, 2020. Français. ⟨NNT : 2020BORD0068⟩. ⟨tel-03651009⟩
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