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

Bubble break-up phenomena and gas-liquid mass transfer : impact of surface-active agents

• Auteur / Autrice : Boubakar Sanogo
• Direction : Christophe Vial
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 08/09/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Marc Anton
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karine Loubière, Alina-Violeta Ursu, Alain Marcati
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Anton, Christophe Blecker

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces gaz-liquide

Mots clés libres

Substances à activités tensioactives

Rupture de bulles

Transfert de matière

Interface gaz-Liquide

Coefficient de transfert de matière

Surface-Active agents

Bubble break-Up

Gas-Liquid mass transfer

Volumetric gas-Transfer coefficient

Gas-Liquid interface

Résumé

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.

This thesis is part of a long-term investigation aimed at understanding the impact of surface-active agents (SAA) on bubble break-up phenomena and gas-liquid mass transfer. Newtonian model solutions of various viscosities consisting of proteins (whey protein and sodium caseinate) and Tween 20 were selected for this purpose. In the first experimental part, this work describes the use of a Couette device to study the break-up of single bubbles in a simple shear flow. Observations at the bubble scale were then used to analyze the results of pilot-scale foam production. Another objective of this study was to measure the volumetric gas-liquid mass transfer coefficient in the presence of the same SAA. This was performed with a stirred tank using the dynamic gassing-in and gassing-out method.Regarding the study of single-bubble break-up, it was found that the break-up mechanisms depend on the nature and concentration of the surface-active agent. Bubbles coated with proteins break at the tips above a well-defined critical Capillary number. This break-up mode is attributed to interfacial tension gradients developed in the presence of proteins. This breaking mode was not observed with Tween 20, as these small molecules can quickly migrate from the bulk to interfaces and remove surface tension gradients. Furthermore, different break-up thresholds were observed for the same protein at different concentrations. Dynamic surface tension and interfacial rheology measurements helped to explain the main results observed in the presence of these SAAs.On the other hand, experimental data on mass transfer indicated that the presence of proteins and surfactant increases the volumetric gas-liquid mass transfer coefficient. Even though these SAAs migrate towards gas-liquid interfaces and reduce the gas-liquid mass transfer coefficient, the increase in the volumetric gas-liquid mass transfer coefficient is attributed to the interfacial area. In the presence of SAA, the overall gas hold-up is increased, and bubble size is reduced, leading to an increase in interfacial area that prevails over the reduction in the gas-liquid mass transfer coefficient. The rate of interfacial area reduction was found to be greater in the presence of Tween 20 than in proteins. This can be explained by the adsorption dynamics of these two families of SAA: Tween 20 quickly adsorbs at gas-liquid interfaces and almost instantaneously modifies the physicochemical properties of the medium, while protein adsorption dynamics are slower and the surface tension at equilibrium is higher.