Emulsions eau-dans-huile générées par un procédé microfluidique : contribution à l'étude de la congélation de l'eau dispersée en émulsion

Water-in-oil emulsions generated by a microfluidic process : contribution to the study of the freezing of dispersed water

• Auteur / Autrice : Sarah Lignel
• Direction : Isabelle Pezron, Éric Leclerc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés Industriels et développement durable
• Date : Soutenance le 23/10/2014
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallisation

Calorimétrie

Émulsions

Gouttes

Microfluidique

Mots clés libres

Emulsions eau-dans-huile

Diagramme de fabrication des gouttes

Conversion débit en pression

Stabilité des émulsions

Cristallisation de l'eau dispersée

Thermomicroscopie

Water-in-oil emulsion droplets

Microfluidic

Crystallization

Résumé

Ces travaux entrent dans la cadre du projet européen Fundamental and Applied Studies on Emulsion Stability (FASES). L'objectif de ce projet est de comprendre les phénomènes responsables de la déstabilisation des émulsions dans le temps, en relation avec les propriétés interfaciales de ces systèmes. Les travaux de thèse décrits dans ce mémoire se divisent en deux parties : ils portent tout d'abord sur la fabrication de gouttes d'émulsions eau-dans-huile par un procédé microfluidique, puis sur l'étude de la taille et de l'état de dispersion des gouttes sur la cristallisation de l'eau dispersée. Dans un premier temps, nous avons étudié les conditions opératoires permettant de fabriquer des gouttes de taille contrôlée par microfluidique avec le système de fluides mis en œuvre dans le projet FASES. Suivant le mode d'introduction des phases liquides, soit les débits, soit les pressions appliquées, ont été modifiés pour délimiter les zones de fabrication des gouttes. Afin de mieux comprendre les différences observées entre les deux modes d'introduction des fluides, un modèle reposant sur l'analogie entre circuits électriques et circuits microfluidiques a été proposé. Dans un second temps, les émulsions obtenues avec le dispositif microfluidique ont été analysées par calorimétrie et par thermo-microscopie. Les expériences ont permis de mettre en évidence, suivant les conditions étudiées (viscosité, taille des gouttes), différents processus de cristallisation des gouttes. Ces résultats mettent en avant directement le rôle du phénomène de sédimentation, les signaux de congélation observés dépendant fortement de l'état de dispersion des gouttes d'émulsion.

This thesis takes place in the framework of the European project FASES (Fundamentaland Applied Studies on Emulsion Stability). The aim of this project is to understand the phenomena responsible for emulsions destabilization, in relation with the interfacial properties of these systems. The research work described in this thesis is divided into twoparts : the first part deals with the creation of water-in-oil emulsion droplets in a microfluidic device, and in the second part, the influence of the size and the state of dispersion of the droplets on the crystallization of dispersed water is analyzed.To begin with, the operating conditions required to create emulsion droplets by microfluidic were studied. Two modes of introduction of the liquid phases, based on flow and pressure-driven techniques, were used to create the droplets. Maps of the droplet formation regions were drawn as a function of the applied flow rates and pressures. In order to compare the two processes, a model based on the analogy between electrical and microfluidic circuits was proposed.Then, emulsions obtained with the microfluidic device were analyzed by calorimetry and thermo-microscopy. The experimental results evidenced different droplet crystallization processes, depending on the system parameters (oil phase viscosity, droplet size …). The water freezing signals strongly depend on the state of dispersion of the droplets, showing themajor role of droplet sedimentation in the emulsion destabilization process.