Experimentation versus simulation of reactive transport in porous media, from the capture of concentration profiles to textural evolution of solids.
Experimentation versus simulation du transport réactif en milieu poreux, capture de profils de concentration et évolution texturale des solides.
Résumé
A new type of plug flow reactor is developed to provide an experimental validation of reactive transport simulations. It reproduces a long (6 m) 1D porous medium composed of unreactive quartz and reactive solids exposed to the percolation of an aqueous phase, where sampling ports allow the concentration profiles in the fluid phase to be captured. The reaction of CO2 saturated solutions (5-8 bar) at 40-50 °C with carbonate (calcite, dolomite) gives rise to reproducible dissolution fronts migrating downflow. Some discrepancies between reactive transport simulations and experiments concern the sharpness of the reaction front and the outlet concentrations. A proper projection of experimental data for dolomite evidences the stationary shape of the moving dissolution front. This shape allows the variations in reactive surface area to be documented as a function of solid consumption, and the increasing reactive surface under far from equilibrium conditions is related to the observed skeletal textures. Diopside dissolution in HNO3 solutions (pH = 2) at 60 °C, allow verifying the predicted linearity of concentration profiles under stationary, far from equilibrium conditions. In the non-stoichiometric, transient stages of dissolution, mass balance calculations point to the formation of a Si-dominated surface layer. Direct SEM observations of reacted grains suggest this layer to be anisotropically distributed on the diopside surface.
Nous présentons un nouveau réacteur de type plug-flow dédié à valider expérimentalement les simulations de transport réactif. Il reproduit un milieu poreux 1D de grande longueur (6 m) dans lequel un excipient (quartz) et un solide réactif sont percolés par un fluide aqueux dont l'échantillonnage en différents points permet la capture de profils de concentration. La percolation de solutions saturées en CO2 (5-8 bar) à 40-50 °C sur des carbonates (calcite, dolomite) génère un front de dissolution mobile et reproductible. Les écarts entre simulation et expérience concernent la raideur des fronts et la concentration de sortie. Une projection des données expérimentales pour la dolomite montre la stationnarité de la forme du front dans un repère mobile. Cette forme permet d'accéder à l'évolution de la surface réactive en fonction de la proportion de solide dissous, et l'accroissement marqué de celle-ci loin de l'équilibre est relié aux textures ruiniformes observées au MEB. La dissolution du diopside par HNO3 (pH = 2) à 60 °C permet de vérifier la linéarité des profils de concentration prédits par le modèle à l'état stationnaire, loin de l'équilibre. Lors des phases transitoires de dissolution non stœchiométrique, le bilan élémentaire montre l'apparition d'une couche de surface riche en Si. Les observations MEB suggèrent une répartition anisotrope de cette couche à la surface des grains.