Rupture de bulles et transfert de matière à l'interface gaz-liquide : impact de la présence d'agent de surface

Cette thèse constitue une étude expérimentale visant à analyser l'impact de la nature et de la concentration des substances à activité tensioactive (SAT) sur la déformation et la rupture des bulles, ainsi que sur le transfert de matière à l'interface gaz-liquide. Dans cette optique, trois agents de surface ont été sélectionnés : un concentré de protéines sériques, du caséinate de sodium et le Tween 20. Ces substances ont été utilisées pour formuler des solutions Newtoniennes qui ont permis, dans un premier temps, d'observer et d'analyser les mécanismes de déformation et de rupture de bulles isolées dans un écoulement de cisaillement simple généré à l'aide d'un système de Couette. Cette étude à l'échelle de la bulle a ensuite été utilisée pour interpréter les résultats d'opérations de foisonnement à l'échelle-pilote. Dans un deuxième temps, des solutions contenant ces SAT ont été utilisées dans une cuve mécaniquement agitée afin d'évaluer le coefficient volumétrique de transfert de matière à l'aide de la méthode de désoxygénation-oxygénation.L'étude à l'échelle de la bulle a révélé l'influence significative de la nature et de la concentration des SAT sur les mécanismes de déformation et de rupture des bulles. La déformation des bulles stabilisées par les protéines conduit à des ruptures par l'extrémité, selon les modes de rupture connus sous les noms de tip-dropping et tip-streaming. Ces modes de rupture sont associés au développement d'un gradient de tension de surface au niveau de la bulle déformée. En revanche, aucun de ces modes de rupture n'a été observé avec le Tween 20, car cette substance, en raison de sa faible masse moléculaire, migre rapidement de la solution vers l'interface pour combler les zones dépourvues de molécules tensioactives, réduisant ainsi les gradients de tension de surface. Par ailleurs, des seuils de rupture différents ont pu être observé pour une même protéine à différentes concentrations. Des mesures de tensiométrie dynamique et de rhéologie interfaciale ont permis d'expliquer les principaux résultats observés en présence de ces SAT.Les résultats de l'étude sur le transfert de matière en présence de ces SAT indiquent une augmentation du coefficient volumétrique de transfert de matière. Étant donné que ces molécules s'adsorbent aux interfaces gaz-liquide et accentuent les résistances au transfert de matière, cette augmentation est principalement attribuée à l'aire interfaciale d'échange. En présence des substances tensioactives, le taux de rétention du gaz est accru et la taille des bulles est considérablement réduite, ce qui entraîne une augmentation de l'aire interfaciale. Ainsi, il est déduit que l'augmentation de l'aire interfaciale prédomine sur la réduction du coefficient de transfert de matière. Par ailleurs, l'ampleur de l'augmentation de l'aire interfaciale d'échange est plus importante en présence du Tween que des protéines. Cela s'explique à partir de la dynamique d'adsorption de ces deux familles de SAT: le Tween s'adsorbe rapidement et modifie quasi-instantanément les propriétés physicochimiques du milieu liquide; tandis que l'adsorption des protéines est plus lente et la tension de surface à l'équilibre est plus importante.