Structure and permeability of liquid foams in the presence of an attractive interaction between bubbles
Structure et perméabilité des mousses liquides en présence d'une interaction attractive entre les bulles
Résumé
Liquid foams are compact stacks of gas bubbles dispersed in a solution of surfactants. They are naturally present in our daily lives and they have many industrial applications that exploit their properties. Foams are permeable, like porous media; this allows them to be used for water treatment by a separation method called "foam fractionation". It is a separation process using the adsorption of hydrophobic molecules or particles at the interfaces of the bubbles, when a liquid flows through the foam. This allows, for example, the disposal of organic waste in the field of aquaculture. Foams are also used in the food industry, as drilling fluid in the oil industry or as precursors of solid aerated materials. Especially in the automotive industry, for car seats, or for thermal insulation. In all these fields, the aim is to optimize the microstructure in order to obtain specific macroscopic properties. Different microstructures can be obtained, by choosing their volume fraction of gas and the distribution of bubble sizes. An additional possibility, so far little exploited, consists in varying the interactions between the bubbles. This idea is suggested by an analogy between bubbles and atoms whose stack forms a solid. It is the different atomic interactions that determine the atomic stacking order in a crystal and also its properties. The interactions between bubbles are characterized by the contact angle between the interfaces of neighboring bubbles which meet. In the most common case where bubble interactions are purely repulsive, it is zero, and publications on liquid foams generally focus on this case. In my thesis, we have shown experimentally and numerically how the structure of a liquid foam depends not only on the volume fraction and the size of the bubbles, but also on its physico-chemistry. Indeed, adding salt to a solution of ionic surfactants can generate attractive interactions between the bubbles which modify the contact angles. We have studied how this changes the size of the interstices (edges of the Plateau and vertices) and the permeability.
Les mousses liquides sont des empilements compacts de bulles de gaz dispersées dans une solution de tensioactifs. Elles sont présentes naturellement dans notre quotidien et elles ont de nombreuses applications industrielles qui exploitent leurs propriétés. Les mousses sont perméables, comme des milieux poreux ; ceci permet de les utiliser pour le traitement des eaux par une méthode de séparation appelée "foam fractionation column". C'est un procédé de séparation sélectif par adsorption de molécules ou particules hydrophobes aux interfaces des bulles, lorsqu’un liquide s’écoule à travers la mousse. Ceci permet par exemple l'élimination de déchets organiques dans le domaine de l’aquaculture. Les mousses sont aussi utilisées dans l'industrie agro-alimentaire, comme liquide de forage dans l'industrie pétrolière ou comme précurseurs de matériaux aérés solides. Notamment dans l'industrie automobile, pour les sièges de voiture, ou pour l'isolation thermique. Dans tous ces domaines, on cherche à optimiser la microstructure pour obtenir des propriétés macroscopiques spécifiques. On peut obtenir de différentes microstructures, en choisissant leur fraction volumique de gaz et la distribution des tailles de bulles. Une possibilité supplémentaire, jusqu’à présent peu exploitée, consiste à faire varier les interactions entre les bulles. Cette idée est suggérée par une analogie entre les bulles et les atomes dont l’empilement forme un solide. Ce sont les différentes interactions atomiques qui déterminent l’ordre d’empilement atomique dans un cristal et aussi ses propriétés. On caractérise les interactions entre bulles par l'angle de contact entre les interfaces des bulles voisines qui se rencontrent. Dans le cas le plus courant où les interactions entre bulles sont purement répulsives, il est nul, et les publications sur les mousses liquides se concentrent généralement sur ce cas. Dans ma thèse, nous avons montré expérimentalement et numériquement comment la structure d'une mousse liquide dépend non seulement de la fraction volumique et de la taille des bulles, mais en plus, de sa physico-chimie. En effet, l'ajout de sel à une solution de tensioactifs ioniques peut engendrer des interactions attractives entre les bulles qui modifient les angles de contact. Nos avons étudié comment cela change la taille des interstices (bords du Plateau et vertex) et la perméabilité.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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