Techniques et mécanismes de génération de mousse en milieu poreux

poreux

2.2.1. Les différentes techniques de génération de mousse

Pour former de la mousse en milieu poreux, plusieurs techniques d’injection peuvent

être utilisées, chacune ayant des caractéristiques propres.

La première est la technique dite de « Surfactant Alternating Gas » (SAG), qui consiste

à injecter alternativement le gaz et la solution de tensioactif. Cette technique est mise en

œuvre lorsque les pressions atteintes ne doivent pas être trop élevées, par exemple pour

des applications environnementales. En effet, les injections successives de gaz et de

solution permettent de « casser » en partie la mousse déjà présente, ce qui diminue la

pression dans le milieu (Maire et al. 2018). La formation de mousse en milieu poreux se

fait alors plus lentement, grâce à plusieurs mécanismes, pouvant être simultanés. La

pression nécessaire à la propagation de la mousse est alors plus faible.

Une autre méthode est la co-injection. Elle consiste à injecter simultanément le gaz et

la solution de tensioactif. Elle a l’avantage de permettre la maîtrise des débits de chaque

phase injectée. Néanmoins, elle ne permet pas de savoir avec certitude si la mousse s’est

formée dans le milieu poreux.

Enfin, la co-injection peut être utilisée pour pré-générer de la mousse dans un fritté ou

dans un milieu poreux de taille réduite avant de l’injecter dans le milieu poreux à étudier.

Cette technique s’appelle la pré-génération, et a l’avantage de permettre la visualisation

de la mousse obtenue avant injection. Elle ne présage toutefois pas du fait que la mousse

reste stable dans le milieu poreux. Néanmoins, sous réserve d’une bonne formulation,

l’utilisation de cette technique permet une augmentation rapide de la viscosité de la

mousse dans le milieu poreux. Ceci se traduit par la nécessité d’avoir une pression

suffisamment élevée pour permettre la propagation de la mousse. En terme de pressions,

la co-injection présente un caractère intermédiaire entre le SAG et la pré-génération.

Une fois le gaz et la solution de tensioactifs (ou la mousse pré-générée) injectés dans le

milieu poreux, la mousse se forme et évolue de plusieurs manières durant l’injection.

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2.2.2. Mécanisme de snap-off

Le mécanisme dominant de formation de mousse en milieu poreux est le mécanisme

de snap-off, illustré dans la Figure 2-21

: Représentation schématique du mécanisme de snap-off (Almajid and Kovscek 2016)

Figure 2-22: Représentation schématique du mécanisme de division des lamelles (Almajid and Kovscek 2016)Figure 2-21

(Almajid and Kovscek, 2016). Lorsque la pression capillaire

locale diminue, les liquides mouillant les deux parois opposées peuvent se rejoindre pour

former une lamelle au niveau du seuil de pore (Chen et al., 2005). Dans les pores

initialement remplis de liquide, ce phénomène ne peut se produire que si le rapport de

taille entre le seuil de pore et la taille du pore est au maximum de 0,5. Ce ratio contrôlant

la pression capillaire locale au moment où le gaz pénètre dans le pore, il doit être au

maximum de 0,5 pour avoir une pression capillaire suffisante permettant le snap-off.

Cette condition est appelée « critère de Roof ». Dans les autres situations, le snap-off

dépend du rayon du seuil de pore et de la pression capillaire locale. Sous réserve de la

présence de tensioactifs stabilisant la lamelle formée, celle-ci peut alors se déplacer du

seuil de pore vers le pore et former une lentille. Si la quantité de liquide s’accumulant sur

les parois est suffisante, et la pression capillaire suffisamment faible, une nouvelle lamelle

peut ensuite se former au niveau du seuil de pore (Kovscek and Radke, 2003).

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2.2.3. Mécanisme de division des lamelles

Lorsque qu’une bulle emprunte deux seuils de pore différents, elle peut se scinder en

deux, créant ainsi une nouvelle lamelle. Ce mécanisme appelé division de lamelle est

représenté dans la Figure 2-22

: Représentation schématique du mécanisme de division des lamelles (Almajid and Kovscek 2016)

Figure 2-23: Représentation schématique du mécanisme de leave-behind (Almajid and Kovscek 2016)Figure 2-22

. Le moteur de ce mécanisme est la différence de pression existant

au sein du film liquide. De plus, il ne peut générer de bulles plus petites que le pore (Xiao

et al., 2018).

2.2.4. Mécanisme de leave-behind

Figure 2-64: Représentation schématique du mécanisme de division des lamelles (Almajid and Kovscek 2016)

Figure 2-65: Représentation schématique du mécanisme de leave-behind (Almajid and Kovscek 2016)Figure 2-66: Représentation schématique du mécanisme de division des lamelles (Almajid and

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Lorsque le gaz est injecté pour la première fois dans le milieu poreux, des lamelles se

forment là où le gaz n’est pas passé, parallèlement à l’écoulement (Figure 2-23

: Représentation schématique du mécanisme de leave-behind (Almajid and Kovscek 2016)

Figure 2-23

). Dans ce mécanisme, seules les bulles dont le volume est supérieur au

volume du pore se divisent. Ce phénomène n’a lieu que lorsque les pores voisins

contiennent peu ou pas de bulles (Almajid and Kovscek, 2016).

2.2.5. Mécanisme de pinch-off

Le dernier mécanisme de formation de la mousse est le pinch-off. Ce mécanisme

découvert récemment par Liontas et al. (2013) est en réalité composé de deux sous

mécanismes : le « neighbour-wall pinch-off » et le « neighbour-neighbour pinch-off »

(Figure 2-24

: Mécanisme de neighbour-wall pinch-off (A) et de neighbour-neighbour pinch-off (B) observés dans les travaux de Liontas et al. (2013)

Figure 2-25: Différentes composantes de la viscosité de la mousse (adapté de (Hirasaki and Lawson 1985))Figure 2-24

). Le pinch-off a lieu lorsque dans un pore la pression capillaire

est suffisamment faible pour que les deux phases aqueuses de part et d’autre du pore se

rejoignent, formant alors deux bulles. Le pinch-off est observé dans des zones

relativement mouillées où les bulles peuvent facilement se déformer, et est dû à la

Figure 2-67: Représentation schématique du mécanisme de leave-behind (Almajid and Kovscek 2016)

Figure 2-68: Représentation schématique du mécanisme de leave-behind (Almajid and Kovscek 2016)

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contrainte de traction exercée par ces changements morphologiques. De plus,

contrairement au mécanisme de division des lamelles, le pinch-off permet de générer des

bulles de taille inférieure à la taille des pores (Xiao et al., 2018).

D’autre part, le pinch-off se distingue du snap-off par le fait qu’il se produit en

interaction avec au moins une autre bulle présente tandis que le snap-off se produit en

l’absence d’interaction avec toute autre bulle.

Le « neighbour-wall pinch-off » se produit lorsqu’une bulle se retrouve pincé entre une

surface solide et une bulle. Le nombre de bulles créées alors dépend de la taille initiale

des bulles entrant dans la cavité.

Le « neighbour-neighbour pinch-off » se produit lorsqu’une bulle est pincée entre deux

bulles adjacentes à la première. Il se produit lorsque le nombre capillaire est suffisant

pour que la contrainte de cisaillement exercée sur la bulle centrale soit assez forte pour

l’amener à se séparer en deux. Le nombre capillaire nécessaire pour ce mécanisme est

supérieur à celui nécessaire pour le « neighbour-wall pinch-off ». Une autre condition au

« neighbour-neighbour pinch-off », est que trois bulles doivent s’approcher simultanément

du seuil de pore (Liontas et al., 2013).

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Dans le document Mousses renforcées en polymère ou particules : application à la remédiation des sols pollués (Page 66-71)