Caractéristiques générales des solutions aqueuses et du dodécane

A présent nous allons nous intéresser aux systèmes liquides, critiques dans la problématique du drai- nage du lm intercalé. On présente ici le dodécane utilisé pour créer les gouttes d'huile, le NaCl ainsi que les deux tensio-actifs ioniques utilisés : le TTAB (cationique) et le SDS (anionique).

1.2.1 Caractérisation du dodécane

Le dodécane a été choisi car il représente une huile typique et a l'avantage d'être non volatile et peu toxique. Le dodécane utilisé est acheté à Sigma Aldrich et présente une pureté minimum de 99%. On rappelle que Cabane et Roger [26] ont mis en évidence la présence d'impuretés du type acide gras dans les huiles carbonnées (cf Chapitre 1, Section 3.1.1).

1.2.2 Caractérisation de la solution aqueuse de [NaCl]

La solution aqueuse de NaCl est réalisée à partir de NaCl solide (Normapur) dont la pureté est au minimum de 99.5% et la masse molaire de 58.4 g.mol−1_{. Le sel est mélangé à l'eau désionisée dont la}

résistivité est de 2.1 MΩ.cm à 23.1◦_{. Le pH des solutions aqueuses de NaCl est de 5.}

La surface de la solution aqueuse est nettoyée avec un papier optique juste avant que la lentille soit plongée dans l'eau. En eet, de nombreuses impuretés venant de l'atmosphère peuvent se déposer en surface durant la préparation de l'expérience. Cette opération permet de limiter l'adsorption d'impuretés sur la surface en verre.

Par ailleurs les solutions aqueuses contiennent un certain pourcentage d'impuretés dans la mesure où les expériences ne se font pas en atsmosphère contrôlée.

Par ailleurs, l'ajout de NaCl dans l'eau diminue la longueur de Debye. Cette dernière est calculée grâce à l'expression : λD= s εrε0kBT P njqj2 (15) où εr est la permittivité relative, ε0 la permittivité du vide, kB la constante de Boltzmann, T la

température, nj la densité des espèces ioniques j de valence de charge qj. Les espèces suivantes sont

prises en compte pour le calcul de la longueur de Debye : Na+_{, Cl}−_{, H}

3O+, OH−ainsi que HCO−3(issu

de la réaction du CO2 dissous avec l'eau). La présence des ions carbonates impacte λD uniquement

pour une faible concentration en sel ([NaCl] . 10−5_mol.L−1_{), leur concentration étant en eet assez}

faible [HCO−

3] = 2.3 10−6mol.L−1. Cette concentration est calculée à partir de la mesure du pH de l'eau

déionisée (pH=5) et du pKa du couple acido/basique CO2/HCO3− (cf Annexe 1).

Les solutions aqueuses de NaCl utilisées par la suite présentent les longueurs de Debye suivantes : Table 2 : Longueurs de Debye des solutions aqueuses de NaCl

[NaCl] ( mol.L−1_{) λ} D (nm) 10−6 166 10−5 87 10−4 30 10−3 9.6 10−2 3 10−1 1

II.1. Systèmes

1.2.3 Caractérisation des solutions de tensio-actif

Nous avons choisi par ailleurs d'étudier des systèmes de solutions aqueuses de tensio-actif. An d'être sûr que le tensio-actif ne passe pas dans la phase huile au cours de l'expérience, nous nous concentrons sur les tensio-actifs ioniques. Nous avons choisi un tensio-actif cationique : le TTAB ; ainsi qu'un tensio-actif anionique : le SDS.

Tensio-actif cationique TTAB

Figure 30 : Formule développée du TTAB

Le myristyltrimethylammonium bromide (ou TTAB) est un tensio-actif très connu dans la littérature. Le produit utilisé a été acheté à Sigma Aldrich et présente une pureté minimum de 99%, et une masse molaire de 336.39 g.mol−1_{. Sa concentration micellaire critique peut être déterminée grâce à la littérature.}

En l'absence de NaCl, et à 25◦_{C, la cmc vaut 3.7 10}−3_mol.L−1_{. [7275] A cette concentration les micelles}

sont sphériques et contiennent environ 126 molécules et présentent un rayon de 2.55 nm. [73] La cmc a été moins étudiée en présence d'un électrolyte, mais la littérature nous permet malgré tout d'estimer sa valeur pour une concentration en NaCl d'environ 5mM : cmc ∼ 2.5 10−3_mol.L−1_{. [72] Expérimentalement,}

à l'aide de la mesure de la tension interfaciale de la solution, on évalue la cmc du TTAB pour une concentration [NaCl] ∼ 3 10−3_mol.L−1 _{à environ 3.3 10}−3_mol.L−1 _{(cf Figure 34).}

Il est à noter que la température a une inuence sur la valeur de la cmc. Ainsi une variation de l'ordre de 10°C peut faire varier la cmc d'environ 0.2 10−3_mol.L−1_{. [73]}

Les solutions aqueuses de TTAB ont été préparées de manière à avoir une longueur de Debye constante jusqu'à la valeur de la cmc : [T T AB] = 3.7 10−3_mol.L−1_{, pour une solution pure. La longueur de Debye}

de la solution de TTAB à la cmc étant de 5nm, la longueur de Debye des solutions présentant une concentration inférieure à la cmc a été ajustée grâce à l'ajout de NaCl ([NaCl] ∼ 3 10−3_mol.L−1 _pour

[T T AB] ∈1.23 10−6_{; 1.23 10}−3_{ mol.L}−1_).

Tensio-actif anionique SDS

Figure 31 : Formule semi-développée du SDS

Le sodium dodécylsulfate (ou SDS) est un tensio-actif très connu dans la littérature. Le produit utilisé a été acheté chez Sigma Aldrich et présente une pureté minimum de 98.5%, et une masse molaire de 288.37 g.mol−1.

II.1. Systèmes

Figure 32 : Concentration micellaire critique du SDS (Source : Umlong et al. [76] )

La cmc du SDS est très sensible à la concentration en électrolyte, cette dernière peut en eet varier d'une décade (cf Figure 32). [76] On peut trouver dans la littérature des valeurs de la cmc pour une concentration en électrolyte d'environ 5mM : cmc ∼ 6 10−3_mol.L−1_{. [72]}

Cependant, comme le montre la Figure 32, la cmc varie très rapidement pour cet ordre de grandeur de concentration en électrolyte. Il peut donc être intéressant de la déterminer par tensiométrie. Sur la Figure 37, on peut lire que la concentration micellaire critique de nos solutions de SDS est d'environ 8 10−3mol.L−1. Cette valeur est proche de celle trouvée dans la littérature.

Il est à noter que la température a une inuence sur la valeur de la cmc. Ainsi une variation de l'ordre de 10°C peut faire varier la cmc de l'ordre de 0.5 10−3_mol.L−1_{. [72]}

De la même manière que pour les solutions aqueuses de TTAB, les solutions aqueuses de SDS et NaCl ont été préparées de manière à avoir une longueur de Debye constante de 5 nanomètres.

An de mieux appréhender le système nal, nous allons étudier l'interface eau/huile, et en particulier la tension interfaciale. Cette valeur est en eet fondamentale pour connaître les surpressions capillaires.

II.2. Tensions interfaciales

2 Dynamique des tensions interfaciales des solutions aqueuses/dodécane

Dans cette section, nous allons nous intéresser aux tensions interfaciales des solutions aqueuses et du dodécane. La dynamique temporelle et la valeur d'équilibre sont très importantes pour bien comprendre notre système. Pour étudier ces tensions interfaciales, nous avons eectué des expériences de tensiométrie sur une goutte de dodécane ascendante dans une solution aqueuse. Les expériences ont duré une heure en moyenne.

2.1 Solution aqueuse de NaCl

Nous avons étudié la tension interfaciale entre une solution aqueuse de NaCl et une goutte de dodécane à 20◦_C.

Figure 33 : Non-dépendance de la tension interfaciale à [NaCl]

Nous avons vérié sur la Figure 33 que la présence de NaCl ne change pas la tension interfaciale eau/huile. Les expériences étant menées 20-25 minutes après la formation de la goutte d'huile dans le bain d'eau, on pourra approximer la valeur de la tension interfaciale à γ = 43 ± 0.5 mN.m−1_{, quelque}

soit la concentration de NaCl utilisée.

Notons également que la décroissance de la tension interfaciale conrme l'adsorption d'espèces à l'interface au cours du temps. Ces espèces sont forcément des impuretés provenant de l'huile (acide gras), ou bien de la solution aqueuse (impuretés de l'eau déionisée, impuretés du sel, contamination par l'atmosphère). On remarque que cette dynamique est assez lente puisqu'il faut environ 15 minutes pour stabiliser la tension interfaciale.