Choix du milieu poreux et détermination de ses caractéristiques

Selon les applications et le cadre d’étude, le choix du milieu poreux va différer. Dans notre projet, nous cherchons à contrôler au maximum tous les facteurs pouvant perturber la dynamique d’un gaz dans le milieu poreux. Cette perturbation peut provenir à la fois des propriétés physiques mais aussi chimiques du sol. Pour contrôler au maximum ce qui se passe dans notre système, le plus facile est de choisir un matériau homogène aux propriétés physico-chimiques connues, constituant un modèle de sol. Pour cela, nous avons choisi le sable de Fontainebleau produit par l’industriel Sibelco. Ce choix s’est fait naturellement pour différentes raisons pratiques et scientifiques. Tout d’abord le sable de Fontainebleau est un sable local qu’il est facile de se procurer dans le secteur du CEREEP-Ecotron IleDeFrance. De plus, le sable de Fontainebleau fait partie des matériaux modèles connus et souvent utilisés pour les études hydrodynamiques. Ainsi les caractéristiques hydrologiques du sable de Fontainebleau sont connues et publiées.

L’autre atout de ce matériau produit par Sibelco est sa pureté chimique (99,88 % de silice). Cette composition chimique fait de ce sable un milieu poreux chimiquement inerte. Cette propriété nous évite d’avoir à prendre en compte dans nos interprétations les capacités d’adsorption, de dissolution ou de précipitations de quelconques gaz ou liquides avec le milieu. De ce fait, les volumes de pores et la tortuosité ne devraient pas non plus être modifiés par les réactions de dissolution/précipitation. De plus le sable est caractérisé précisément par le fournisseur avec une fiche détaillée sur sa granulométrie et sa densité (Figure II-17). La taille des grains est relativement homogène allant de 106 à 425 µm avec un D50 de 213 µm. Il peut être difficile de trouver le milieu poreux idéal. Pour l’étude du transport dans un milieu poreux non-saturé, il est important de connaître des caractéristiques essentielles à la détermination de la perméabilité intrinsèque, de la porosité et des paramètres de Van Genuchten. Dans le cas où le milieu poreux choisi n’est pas connu au préalable, il sera donc important de le caractériser avant toute expérience. Les paramètres hydrodynamiques du sable utilisé dans le cadre de cette thèse ont été déterminés au Centre INRAE d’Avignon. La détermination de la perméabilité intrinsèque, des paramètres de Van Genuchten et de la courbe de rétention d’eau a été réalisée en utilisant la méthode d’évaporation de Wind (1968) et en appliquant le traitement de donnée de Simunek et al. (1998). Ces tests en laboratoire ont permis de déterminer une perméabilité intrinsèque de 3,6 10^-12 m². La porosité a été estimée à 38 % et les paramètres de Van Genuchten α et m respectivement à 2,6 10-4 et 7,404 10^-1.

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Comme nous le verrons expérimentalement au Chapitre 3 et par la modélisation au Chapitre 4, ces paramètres hydrodynamiques déterminent une frange capillaire de hauteur 16 cm environ, en accord avec les valeurs expérimentales tabulées par Rançon (1972) qui a déterminé la hauteur de frange capillaire en fonction de la taille des grains pour du sable. Cette détermination empirique nous avait permis de dimensionner nos expériences et la position des capteurs en attendant de disposer des valeurs mesurées par l’INRAE d’Avignon. Connaissant la densité du quartz (2,65) et à partir de déterminations de la densité apparente (mesures de masse et de volume), la porosité des colonnes, une fois remplies de sable de Fontainebleau, a été estimée entre 38% et 42 %, ce qui est relativement proche de la valeur de 38 % déterminée au laboratoire et indique un tassement similaire pour deux volumes de sable pourtant très différents.

Figure II-17 : Caractéristiques physico-chimiques du sable de Fontainebleau utilisé dans le cadre de mes expériences (d’après la fiche technique fournie par Sibelco).

Enfin, le milieu poreux devait aussi être choisi, dans notre cas, de façon à supporter une production végétale. Le choix du sable de Fontainebleau a été validé grâce à des tests préalables en serre

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garantissant que des plantes peuvent se développer dans ce substrat pourtant pauvre en nutriment avec seulement un arrosage à l’eau du robinet.

Dans le cadre d’une deuxième série d’expériences, nous avons prévu d’étudier deux colonnes sèches, l’une remplie de sable de Fontainebleau et l’autre de zéolite. Ce minéral est notamment présent dans certaines roches volcaniques, notamment celles du Nevada National Security Site où ont été réalisés de nombreux essais nucléaires américains. Il s’avère que les propriétés des zéolites sont favorables à l’adsorption des espèces gazeuses à la surface des grains (Feldman et al., 2020). La composition chimique et la géométrie en cage de ces minéraux augmentent les possibilités de formation de liaisons électrostatiques faibles entre espèces chimiques transportées et grains de zéolite. Nous avons donc souhaité, dans une future expérience, réaliser une comparaison des capacités d’adsorption du sable de Fontainebleau, supposé neutre, et celle de la zéolite supposée plus réactive.

Afin de pouvoir comparer au mieux les effets de ces deux substrats sur la percolation des gaz, nous nous sommes attachés à obtenir une courbe de distribution granulométrique similaire pour le sable et la zéolite. Si l’adsorption de surface est en jeu, la taille des grains jouera en effet de façon importante du fait des rapports surface/volume. De plus, la granulométrie contrôle la porosité, la tortuosité et la perméabilité intrinsèque. Cependant, la granulométrie de la zéolite telle que livrée par le fournisseur était plus dispersée que celle du sable de Fontainebleau (grains de quelques microns à 1 cm). Il a donc été décidé de tamiser la zéolite, après séchage, pour obtenir une granulométrie proche de celle du sable de Fontainebleau. Pour cela, j’ai utilisé deux tamis de grand diamètre, respectivement avec une taille de maille de 100 µm et 500 µm correspondant aux granulométries minimale et maximale du sable de Fontainebleau. Cette opération a permis de retirer les particules les plus grossières mais surtout les plus fines, qui ont une capacité importante de colmatage en présence d’eau. Pour réaliser le tamisage et obtenir suffisamment de matériau de la bonne fraction, il a fallu plusieurs jours de travail en utilisant un système vibrant. Pour ce genre de substrat avec des particules très fines et volatiles, en présence de bruit, il impératif de porter les équipements de protection individuelle adaptés (masque, lunettes, gants, protection auditive).

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