Soutenance mémoire
L’étude de la mousse est une science en plein essor. Son comportement intéresse diverses disciplines telles que la physique, la chimie, la physico-chimie, les mathématiques et la biologie. Son étude est une combinaison d’études théoriques, de simulations numériques et de caractérisations expérimentales. Les mousses, qu’elles soient sous forme solide ou liquide, au niveau naturel ou industriel font partie de notre quotidien et ont de nombreuses applications. Les mousses contenant des particules solides se rencontrent dans de nombreuses applications industrielles aussi bien dans l’industrie cosmétique, que dans les industries liées aux problèmes d’environnement, ou dans l’industrie minière. Des particules peuvent être véhiculées dans la mousse. En effet, dans l’industrie, il est difficile de supprimer totalement la présence de pollution tel que des poussières. Les particules peuvent être utilisées pour stabiliser ou non la mousse. Dans la flotation du minerai (séparation des particules), par exemple, les particules hydrophobes s’attachent à la surface des bulles tandis que les particules hydrophiles, de diamètre inférieur à la centaine de microns, sont amenées à se déplacer par sédimentation ou par entraînement hydrodynamique dans le réseau de canaux de liquide. Il existe de nombreux articles sur le problème de l’attachement et l’étude des collisions entre les particules et les bulles. Mais le problème des particules véhiculées dans la phase de liquide n’a jamais été étudié, c’est le sujet de cette thèse.
La mousse est formée de bulles séparées par des films, l’intersection de trois films constitue le bord de Plateau, quatre bords de Plateau se rejoignent au niveau d’un nœud. La phase liquide de la mousse est un réseau de bords de Plateau. Les particules et le liquide sont transportés dans ces canaux fluides et déformables. La géométrie du bord de Plateau est une géométrie confinée et par conséquent plus sensible à la mobilité de l’interface.
La modélisation du transport du liquide et des particules dans une mousse nécessite de décrire les processus à l’échelle d’un bord de Plateau. Pour comprendre le procédé, il est nécessaire de dissocier, dans un premier temps, le problème de l’écoulement de liquide de celui de la sédimentation d’une seule particule, pour ensuite étudier l’effet de l’entraînement hydrodynamique de plusieurs particules. L’originalité de ce travail de thèse consiste à réaliser nos mesures à l’échelle d’un bord de Plateau, en nous focalisant sur l’influence du tensioactif.
La mousse : milieu multi-échelle
Mousse à l’échelle microscopique : propriétés des interfaces
La mousse est une dispersion de gaz dans un liquide qui est stabilisée par des molécules de tensioactifs. La structure de ces molécules comporte deux parties compatibles avec deux milieux distincts et immiscibles : une tête polaire hydrophile, chargée ou non, et une queue hydrophobe, formée de chaînes ou cycles hydrocarbonées. Il est d’usage de représenter les tensioactifs simplement comme ceci .
La molécule de tensioactif peut être soluble ou insoluble. Si le tensioactif est insoluble dans l’eau, il reste confiné aux interfaces. C’est le cas, par exemple, du dodécanol, C H OH, 12 25 alcool gras constitué d’une chaîne hydrocarbonée de 12 atomes de carbone. Par contre, les tensioactifs ioniques, cationiques ou anioniques, se dissolvent en solution au niveau de leur tête polaire et libèrent des contre ions, cations ou anions. En s’adsorbant aux interfaces les molécules tensioactives diminuent l’énergie du système. Aux faibles concentrations, les molécules amphiphiles se concentrent aux interfaces. Il y a formation de films mono moléculaires. Le rapport de la concentration de surface et de la concentration de volume reste constant. Lorsque la concentration augmente, l’adsorption aux surfaces augmente, ce jusqu’à la saturation, et la tension de surface chute. Lorsque la concentration atteint une certaine limite, dite ‘concentration micellaire critique’, cmc, toutes molécules tensioactives ajoutées s’agrègent. Ceci a pour conséquence de stabiliser la concentration de tensioactifs en surface et par suite de stabiliser la tension de surface. Les agrégats micellaires sont une micro-organisation où les chaînes hydrophobes des molécules sont mises en commun pour ‘se protéger’ de l’eau. Les têtes hydrophiles sont à la surface de cet agrégat, augmentant ainsi l’interaction avec l’eau.
La forme des agrégats micellaires dépend des forces d’interaction moléculaire selon la composition chimique du tensioactif, ce sont les forces de van der Waals, les forces électrostatiques, hydrophobes et les liaisons hydrogènes… La forme des agrégats de tensioactif est très variée (sphères, cylindres, lamelles), elle évolue en fonction de l’architecture moléculaire, de la concentration, de la température, de la nature du cotensioactif…
Cinétique d’adsorption :
En fait, les micelles ne sont pas des entités stables, elles se font et se défont en permanence, leur durée de vie est plus ou moins longue, elle varie de la microseconde à la milliseconde. Des monomères et des micelles sont présents simultanément dans la solution, les molécules de tensioactifs sont transportées à travers la couche de diffusion-convection i.e. du bulk vers la sous-couche située près de l’interface appelée la couche d’adsorption-diffusion. C’est dans cette sous-couche que se trouve la barrière d’énergie que les molécules de tensioactif doivent franchir pour pouvoir s’adsorber. Seuls les monomères s’adsorbent aux interfaces. Il existe un équilibre chimique entre les monomères et les micelles dans le bulk et entre les monomères adsorbés et ceux dans le bulk.
Effet Marangoni :
Une petite perturbation de l’interface peut modifier l’adsorption des tensioactifs : ce peut être un écoulement du liquide ou une déformation locale. Il n’y a plus équilibre entre l’interface et le bulk. Ce dernier est rétabli par des échanges entre le bulk et la surface. Dès que les tensioactifs s’adsorbent à l’interface, ils poussent les molécules déjà adsorbées ce qui entraîne le liquide adjacent et provoque des mouvements convectifs dans le bulk. Il en résulte un gradient de tension de surface non équilibré. Ceci provoque une contre-réaction tendant à restaurer l’uniformité de la distribution de tensioactifs en surface engendrant ainsi un écoulement dans le liquide adjacent à la surface. C’est une des formes de l’effet Marangoni (Figure II-6). C’est une conséquence de l’absence de glissement entre la monocouche et le bulk à cause de la viscosité du liquide.
Solutions de plusieurs tensioactifs :
Dans un mélange de tensioactifs et de molécules insolubles, ces dernières peuvent être solubilisées par les micelles du tensioactif soluble ce qui supprime en partie leur adsorption en surface car elles n’interviennent plus dans l’équilibre chimique surface/bulk. Lu et al., 2000 l’ont mis en évidence en mesurant, par réflexion de neutrons, l’excès en surface de dodécanol, cf. Figure II-7, pour deux concentrations différentes de SDS : juste avant la cmc, 0.0067 M et juste après la cmc 0.009 M. Les deux isothermes sont complètement différentes. Juste avant la cmc l’adsorption du dodécanol montre une isotherme typique d’adsorption de Langmuir : l’adsorption augmente jusqu’à une valeur-limite qui est atteinte lorsque la concentration en dodécanol par rapport au SDS est égale approximativement à 0.75 wt% ; ceci correspond à une concentration absolue de 8.10⁵ M (1.4 10³ wt%). Au-dessous de la cmc, l’adsorption varie linéairement avec la concentration en dodécanol et tend vers la valeur-limite décrite ci-dessus sans jamais l’atteindre. En dessus de la cmc, le dodécanol est solubilisé dans les micelles et l’adsorption en surface est partiellement supprimée jusqu’à saturation complète des micelles.
Mousse à l’échelle intermédiaire : film, bord de Plateau, nœud
L’équilibre de la mousse est atteint quand son énergie libre est minimale, c’est-à-dire quand la surface est minimale. Un liquide a toujours tendance à prendre une forme lui donnant la plus faible surface ; ainsi, en apesanteur, une goutte prend la forme d’une sphère. Plateau, 1873 fut l’un des premiers physiciens à s’intéresser à l’existence de surface minimale pour des formes variées. Il utilisait des armatures de fil de fer et les plongeait dans des solutions savonneuses, créant ainsi des interconnections de films. A partir de ses observations, il a pu définir expérimentalement des lois régissant la structure de la mousse sèche polyédrique, connues sous le nom des Lois de Plateau : les films se rencontrent trois par trois avec un angle de 120° entre eux, formant ainsi un canal appelé bord de Plateau. Les bords de Plateau se rencontrent quatre par quatre, qui correspond à l’angle des intersections des hauteurs d’un tétraèdre. Les lois de Plateau traduisent l’équilibre thermodynamique local et l’équilibre mécanique.
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Table des matières
Chapitre I Introduction
-I-1. Présentation du sujet
Chapitre II Rappels sur quelques propriétés des mousses
-II-1. Loi de Laplace
-II-2. La mousse : milieu multi-échelle
-II-2.1 Mousse à l’échelle microscopique : propriétés des interfaces
-II-2.2 Mousse à l’échelle intermédiaire : film, bord de Plateau, nœud
-II-3. Rhéologie interfaciale
-II-3.1 Mouvement d’une sphère solide ou fluide dans un milieu infini
-II-3.2 Sédimentation d’une goutte ou d’une bulle dans une solution tensioactive
-II-4. Ecoulement dans un réseau de bords de Plateau
-II-4.1 Drainage dans un bord de Plateau
-II-4.2 Drainage forcé dans une mousse aqueuse : mousse à l’échelle globale
-II-4.2.1. Modèle de Trinity
-II-4.2.2. Modèle de Harvard
-II-4.2.3. Transition entre les deux modèles : la mobilité de surface
-II-4.2.4. Contribution des films au drainage ?
-II-4.3 Interaction hydrodynamique entre une sphère et la paroi
-II-4.3.1. Paramètre du problème
-II-4.3.2. Mouvement d’une sphère dans un canal
-II-4.3.3. Influence de la paroi
-II-5. Conclusion du chapitre
Chapitre III Drainage dans un réseau de bords de Plateau
-III-1. Solutions
-III-1.1 Solutions étudiées
-III-1.2 Protocole suivi pour la préparation des solutions
-III-1.3 Mesures
-III-2. Dispositif expérimental : Plateau Border Apparatus
-III-2.1 Description du PBA
-III-2.1.1. Bord de Plateau
-III-2.1.2. Mesure de Pression
-III-2.1.3. Mesure des profils et des sections du bord de Plateau
-III-2.1.4. Détermination de la viscosité de surface
-III-2.1.5. Mesure de l’épaisseur des films
-III-3. Résultats
-III-3.1 Effet du dodécanol
-III-3.1.1. Perte de charge
-III-3.1.2. Section du bord de Plateau
-III-3.1.3. Géométrie du bord de Plateau : profil, angle de contact
-III-3.1.4. Détermination de la viscosité de cisaillement de surface
-III-3.2 Effet de la viscosité de volume
-III-3.2.1. Perte de charge
-III-3.2.2. Section du bord de Plateau
-III-3.2.3. Determination de la viscosité de cisaillement de surface
-III-3.3 Mesure de l’épaisseur de film
-III-3.3.1. Evolution de l’épaisseur des films
-III-3.3.2. Lien entre l’épaisseur des films et la perte de charge P
-III-3.3.3. Temps d’équilibre
-III-4. Drainage d’une mousse aqueuse
-III-4.1 Dispositif expérimental pour l’étude globale d’une mousse
-III-4.1.1. Formation de la mousse
-III-4.1.2. Mesure de la taille des bulles
-III-4.1.3. Injection du liquide
-III-4.2 Résultats
-III-5. Discussion
Chapitre IV Transport de sphères dans un réseau de bords de Plateau
-IV-1. Dispositifs expérimentaux
-IV-1.1 Sphères se déplaçant dans un réseau de bords de Plateau
-IV-1.1.1. 1ier dispositif : sédimentation de sphères dans une mousse aqueuse
-IV-1.1.2. 2ème dispositif : système PBA modifié
-IV-1.1.3. Sphères et solutions
-IV-1.1.4. Chargement de sphères
-IV-1.1.5. Géométrie du système
-IV-1.2 Contrôle de la fraction volumique de liquide
-IV-1.2.1. Contrôle de la dimension de la section du bord de Plateau sans écoulement de liquide
-IV-1.2.2. Zone d’observation
-IV-1.2.3. Mesure du diamètre limite
-IV-1.3 Protocoles suivis dans les expériences
-IV-1.3.1. Cellule de Contrôle de la fraction de liquide dans la mousse
-IV-1.3.2. PBA modifié
-IV-1.4 Mesure dans un bord de Plateau solide : système modèle
-IV-1.4.1. Fluide et sphères utilisées
-IV-1.4.2. Bord de Plateau solide
-IV-1.4.3. Contrôle de l’angle inclinaison
-IV-2. Résultats et discussions
-IV-2.1 Sédimentation d’une sphère dans un réseau de bords de Plateau
-IV-2.1.1. Description
-IV-2.1.2. Sédimentation dans un bord de Plateau incliné
-IV-2.1.3. Sédimentation dans un bord de Plateau vertical
-IV-2.2 Entraînement d’une sphère dans un bord de Plateau vertical par un écoulement
-IV-3. Discussion
-IV-3.1 Sédimentation dans un bord de Plateau incliné
-IV-3.2 Sédimentation dans un bord de Plateau vertical
-IV-3.3 Entraînement d’une particule dans un écoulement
-IV-4. Quelques effets collectifs
-IV-4.1 Mélange, changement de ligne
-IV-4.2 Blocage
Chapitre V Conclusion
