Projet ANR-10-BLAN-0610 – ConGé : Confinement géochimique de solutions aqueuses et transitions de phase dans les milieux finement poreux
Programme : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Système Terre, environnement, risques (Blanc SIMI 6) 2010
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Lionel MERCURY (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - Délégation Centre - Poitou Charentes)
Partenaires : Bureau de recherches géologiques et minières; Institut des Sciences de la Terre d'Orléans; Écologie Microbienne; Géosciences Paris-Sud
Montant : 520000.0 euros
Date de début : 2010
Durée : 48 mois
Résumé : L’abondante littérature sur la physico-chimie dans les milieux poreux fins indique (entre autres) qu’en-dessous de certains seuils de tailles, les propriétés des solutions porales changent significativement.
Des mesures et simulations numériques, faites dans la communauté des physiciens des solides et de la matière molle, démontrent à quel point les propriétés confinées sont différentes à l’échelle nano-porale. Il s’agit aussi bien de propriétés statiques (thermodynamique, stabilité de phase) que dynamiques (diffusion), pour des confinements entre des parois tant apolaires que polaires ou chargées.
Dans le même temps, la communauté des physico-chimistes des matériaux et des milieux naturels a accumulé des observations démontrant le caractère atypique des transitions et équilibres de phases dans les milieux poreux, mais à des échelles submicroniques (100 nm et inférieur).
De ces travaux est née l’idée de rassembler ces deux échelles de travail en travaillant sur la transition du domaine micrométrique avec ses propriétés classiques aux échelles méso- et nanoscopique. Nos objectifs sont de déterminer la gamme de la taille-seuil en fonction des conditions et des composants dans le système, d’examiner de quelle façon les propriétés volumiques se connectent aux propriétés confinées, et d’étudier l’évolution de ces dernières avec les tailles de confinement.
Dans cette optique, le projet ConGé s’est organisé autour d’échelles progressivement croissantes, en trois tâches durant lesquelles mesures expérimentales et calculs thermodynamiques s’informeront et communiqueront en permanence.
Du point de vue expérimental, il s’agit d’enregistrer des informations structurales (Rayons X), moléculaires (spectroscopies infra-rouge et isotopique) et énergétiques (isothermes d’adsorption, micro-calorimétrie d’immersion, osmométrie) sur eau et solutions diversement confinées dans des canaux rectangulaires synthétiques dont la profondeur varie entre 2 et 5000 nm. En parallèle, deux chambres environnementales seront construites pour étudier les transitions de phase minéraux-solutions et gaz-solutions, dans les mêmes matériaux.
Du point de vue théorique, des modélisations moléculaires seront calibrées sur les mesures expérimentales à haute résolution, avant de permettre le calcul des propriétés thermodynamiques en confinement (jusqu’à 5 nm max.), et ultimement celui de la solubilité des gaz dans ces conditions. D’autres approches, macroscopiques, seront étudiées. D’abord, on intégrera dans une équation d’état complexe (eau-gaz-sels-silicates) existante, l’effet des interactions solides-liquides en utilisant des méthodes de physique statistique. Dans un deuxième axe, on restera l’utilisation de la pression de disjonction pour prendre en compte le confinement dans le calcul du potentiel chimique de l’eau confinée. Enfin, une troisième voie consiste à modéliser l’effet du confinement en postulant qu’il revient à une combinaison thermochimique entre des propriétés « solid-like » et « liquid-like ».
Enfin, ces travaux seront appliqués à la physico-chimie des milieux multiphasiques en développant leurs conséquences (valeurs, lois de variation, etc) sur les tensions de surface (solide-liquide, liquide-air, solide-vapeur) à l’origine de la distribution spatiale des fluides dans les hydrosystèmes multiphasiques hétérogènes.
ConGé propose de mettre en synergie des chercheurs de différents horizons scientifiques disposant de compétences très complémentaires, autour de matériaux parfaitement adaptés à l’étude du passage des propriétés volumiques aux propriétés confinées. L’arrière-fond du projet est de progresser de façon décisive dans la compréhension de l’équilibre et des écoulements dans les milieux multiphasiques, aujourd’hui sollicités pour des objectifs d’importance sociétale majeure (e.g. dessalement, stockage géologique du CO2, gestion des déchets nucléaires, exploitation des réservoirs gazeux atypiques).