Sessile Droplets of Salt Solutions on Inert and Metallic Surfaces : Influence of Salt Concentration Gradients on Evaporation and Corrosion Behaviour

par Virginie Soulié

Thèse de doctorat en Chimie et physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Thomas Zemb et de Helmuth Möhwald.

Soutenue le 02-12-2015

à Montpellier en cotutelle avec l'Universität Potsdam , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec Institut de Chimie Séparative de Marcoule (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Gouttes sessiles de solutions salines sur des surfaces inertes et métalliques : influence des gradients de concentration en sel sur la dynamique d'évaporation et le processus de corrosion


  • Résumé

    Dans cette thèse, la dynamique d'évaporation de gouttes sessiles de solutions salines sur des surfaces planes inertes et métalliques a été étudiée et le phénomène de corrosion pour les surfaces ferriques caractérisé. En premier lieu, nous nous sommes intéressés à la dynamique d'évaporation de gouttes sessiles salées sur des surfaces inertes pour une large gamme de concentrations en sel, d'humidité relatives, de tailles de goutte et d'angles de contact. Notre étude révèle les domaines de validité du modèle classique d'évaporation, processus contrôlé par la diffusion de la vapeur dans l'air et met en évidence l'impact de flux (de Marangoni) induits par des gradients de concentration (tension de surface) en sel sur la dynamique d'évaporation et les dépôts salins obtenus après évaporation de la goutte. De plus, nous nous sommes consacrés à l'évolution spatio-temporelle de gouttes sessiles de solutions salines sur des surfaces métalliques. Contrairement au modèle simplifié de la goutte d'Evans, nous avons montré que le processus de corrosion s'étend aux abords de la ligne de contact, avec la formation d'un film périphérique. La ligne triple est déstabilisée par des gradients de tension de surface induits par des variations de composition ionique au cours du processus de corrosion et la migration des cations vers la périphérie de la goutte. Enfin nous avons étudié le phénomène de corrosion du métal induit par l'évaporation de gouttes sessiles salées. Le processus de corrosion, en particulier la localisation des réactions anodiques et cathodiques sur la surface métallique en contact avec la goutte est corrélée à la distribution spatiale du sel au sein de la goutte s'évaporant.


  • Résumé

    In this thesis we investigate the evaporation behaviour of sessile droplets of aqueous saline solutions on planar inert and metallic surfaces and characterise the corrosion phenomenon for iron surfaces. First we study the evaporation behaviour of sessile salty droplets on inert surfaces for a wide range of salt concentrations, relative humidities, droplet sizes and contact angles. Our study reveals the range of validity of the well-accepted diffusion-controlled evaporation model and highlights the impact of salt concentration (surface tension) gradients driven Marangoni flows on the evaporation behaviour and the subsequent salt deposit patterns. Furthermore we study the spatial-temporal evolution of sessile droplets from saline solutions on metallic surfaces. In contrast to the simple, generally accepted Evans droplet model, we show that the corrosion spreads ahead of the macroscopic contact line with a peripheral film. The three-phase contact line is destabilized by surface tension gradients induced by ionic composition change during the course of the corrosion process and migrations of cations towards the droplet perimeter. Finally we investigate the corrosion behaviour under drying salty sessile droplets on metallic surfaces. The corrosion process, in particular the location of anodic and cathodic activities over the footprint droplet area is correlated to the spatial distribution of the salt inside the drying droplet.


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