Déstabilisation de mousse par interaction avec une huile

favorise le rendement en récupération d'huile. Lorsque cette mousse pénètre au sein des pores, il en résulte que la pression dans le milieu augmente progressivement. Cependant, des tests réalisés en laboratoire montrent qu'il existe un retard d'augmentation de pression lorsqu'il y a présence d'huile [2]. De nombreuses études ont été menées sur l'action que pouvait avoir une huile sur la mousse [117, 119139]. Il se trouve que celle-ci peut avoir une action anti-moussante. Cela est due au faite qu'une goutte d'huile est susceptible de déstabiliser un lm liquide. Nous allons voir par la suite, les diérentes étapes pouvant conduire à cet eet.

Considérons un lm liquide entre deux bulles d'air comme représenté sur la gure 1.37. Lors d'un écoulement de mousse en présence d'huile, une goutte de cette dernière peut s'incruster à l'intérieur du lm liquide. A cette instant, deux possibilités sont envisa-geables. La première consiste à ce que la goutte reste immergée dans le liquide. Dans le deuxième cas, la goutte peut s'introduire à l'interface eau/air. Si nous voulons décrire ces deux situations en terme d'énergie surfacique, nous avons alors dans le premier cas, une interface huile/eau ainsi qu'une interface eau/air. L'énergie surfacique du système est donc γ_ea+γeh. Dans le deuxième cas, nous n'avons qu'une interface eau/huile. L'éner-gie surfacique s'écrit alors γah. Ainsi, pour savoir si une goutte d'huile va s'immerger à l'interface eau/air, il sut de regarder le signe de E :

E =γ_ea+γ_eh−γ_ah (1.53) Cette grandeur est appelée énergie d'adhésion avecγ_ea la tension de surface entre l'eau et l'air, γeh, entre l'eau et l'huile,γah, entre l'air et l'huile. Ainsi, pour E >0, la situation où l'huile est immergée dans le liquide est la plus énergétique. L'huile va donc se mettre à l'interphase eau/air. Pour E < 0, c'est en revanche la situation où l'huile se trouve à l'interface eau/air qui est la plus énergétique. L'huile va donc rester dans le milieu liquide. Dans le cas où E <0, il ne doit pas se produire d'instabilité. En revanche, si E >0, il peut se produire deux cas de gure. Dans le premier cas, la goutte d'huile ne s'étale pas à l'interface eau/air. Dans le deuxième cas, au contraire, la goutte s'étale à l'interface. Pour déterminer si nous faisons face au premier ou au deuxième cas de gure, il sut cette fois

Figure 1.36 Schéma des deux congurations que peut prendre une goutte d'huile lorsqu'elle forme un pont dans un lm d'eau.

de connaître le signe de S :

S =γea−γeh−γah (1.54) Cette grandeur est nommée paramètre d'étalement [140]. En reprenant le même type de raisonnement que précédemment, nous pouvons ainsi prédire que pour S > 0, la goutte d'huile s'étale à l'interface eau/air. De même, pour S < 0, la goutte d'huile ne s'étalera pas à l'interface.

Figure 1.37 Schéma des diérents mécanismes possibles lorsqu'une goutte d'huile s'in-ltre dans un lm liquide.

Dans les conditions où S < 0, la goutte d'huile ne s'étale pas à l'interface eau/air et il ne doit pas y avoir de déstabilisation du lm liquide. En revanche, si S > 0, alors la goutte d'huile s'étale et étire le lm liquide. Cet eet est un moteur de la rupture d'un

Tensio-actif E_in E_eq S_in S_eq B_in B_eq

AOT 12,1 9,6 2,5 -0,2 19,4 15,7 APG 12,6 8,4 3,4 -0,8 20,4 13,9

Table 1.5 Valeurs des diérents coecients (en mN.m−1) initialement (in) puis à l'équi-libre (eq) [119].

lm. Cela ne doit cependant pas se produire dans tous les cas de gure. En eet, pour mieux comprendre cela, il nous faut faire un bilan de forces capillaires au point triple d'interface eau/air/huile. Sur la gure 1.36, nous avons représenté deux cas où la goutte d'huile forme un pont au sein du lm liquide. Ce dernier peut ainsi être stable ou instable comme le représente les deux congurations. En faisant un bilan de forces capillaires, nous pouvons, en projetant respectivement ces forces sur l'axe ^−→e_x et ^−→e_y, écrire les équations suivantes :

γ_ea−γ_ehcos (θ_eh)−γ_ahcos (θ_ah) = 0 (1.55)

γ_ahsin (θ_ah)−γ_ehsin (θ_eh) = 0 (1.56)

Si nous combinons les équations (1.55) et (1.56) au fait que cos²(θah) + sin²(θah) = 1, nous obtenons l'égalité :

γ_ea² +γ_eh² −γ_ah² = 2γ_eaγ_ehcos (θ_eh) (1.57) Nous pouvons ainsi établir un raisonnement à l'aide de cette équation et de la gure 1.36. Cette dernière nous invite à observer que le pont est stable lorsque θ_ah > 0 et

θeh < −π/2. Ainsi, cos (θeh) < 0 et le terme à gauche de l'équation (1.57) sera négatif. En revanche, dans le cas d'un pont instable, θ_ah <0 et θ_eh > −π/2 et cos (θ_eh) > 0. Le terme de gauche de (1.57) sera dans ce cas positif. Ce critère raisonnant sur les diérents angles de contact au niveau du point triple nous conduit à introduire, à partir de (1.57), le coecient B :

B =γ_ea² +γ_eh² −γ_ah² (1.58) Le signe de ce coecient va alors permettre de prédire la stabilité d'un pont formé par une goutte d'huile au sein d'un lm de liquide. Si B <0, le pont formé reste stable alors que pour B >0, le pont sera instable et il y aura rupture du lm liquide.

Denkov [119] ajoute à cette analyse qu'une substance anti-moussante telle que l'huile peut avoir des eets plus ou moins rapides dans la déstabilisation d'une mousse. Pour introduire cet eet, il observe expérimentalement le temps de stabilité d'une mousse en présence de PDMS. Pour cela, deux types de tensio-actifs sont alors utilisés, dont les valeurs de coecients E,S etB sont répertoriées dans le tableau 1.5. Il constate alors une déstabilisation de mousse dans les deux cas mais avec des durées de stabilité diérentes.

Figure 1.38 Allure du volume de mousse au cours du temps pour deux types de tensio-actifs avec un volume de mousse avant contact avec PDMS de 180±10mL pour le AOT et 100±10mL pour le APG [119].

Figure 1.39 A gauche : Film liquide vu du dessus avec auréoles liées à la présence de gouttes d'huile. A droite : Rupture de lm due à la présence d'huile [119,141].

Pour les deux solutions, il se trouve que le coecientBest positif amenant à une instabilité des lms en présence d'huile. Cependant, il se fait que la mousse formée à partir de la solution de tensio-actifs, dont le coecient B est plus élevé, reste stable moins longtemps comme nous pouvons le voir sur la gure 1.38.

Par ailleurs, Denkov et al [141,142] explique en 1999 qu'un coecientB positif n'assure pas une rupture de lm au sein d'une mousse dans tous les cas. Comme le représente les

photos de la gure 1.39, la présence de gouttes d'huile dans les lms apparaît comme des auréoles correspondant à la formation de ponts. Ces derniers ont chacun un volume VB.^∗ Si nous considérons une goutte d'huile dont le diamètre est égal à l'épaisseur h de lm liquide que forme un ménisque, nous pouvons écrire son volume comme :

V_o = ^πh

3

6 (1.59)

Figure 1.40 Diagramme de stabilité de lm en présence d'huile en fonction des valeurs de V_B^∗/Vo, θ_ow et B [142].

Pour B > 0, des études numériques [142] souligne que la stabilité du lm va alors dépendre du rapport V_B^∗/V_oainsi que de l'angle de contactθ_ow entre l'huile et l'eau comme le montre le graphe sur la gure 1.40. Ainsi, pour des auréoles de plus en plus étendues, leur probabilité de stabilité va alors décroître.

Des études expérimentales de Almajid et al en 2015 [137], sur des écoulements de mousse dans un modèle de milieux poreux, mettent en lumière des phénomènes de coalescence lorsque des lamelles entrent en contact avec de l'huile comme nous pouvons le voir sur les séries d'images de la gure 1.41. Cependant, ils n'observent pas cet eet indéniment et, comme cela est représenté sur la gure 1.42, il se trouve qu'au fur et à mesure, de la coalescence n'est plus observée. Ce phénomène est alors expliqué comme des migrations de tensio-actifs vers la phase huile. A partir du moment où les interfaces eau/huile sont occupées par des tensio-actifs, les migrations n'ont plus lieu et les lamelles, s'écoulant à proximité de la goutte d'huile, restent stables.

Figure 1.41 Photos de destruction d'une lamelle en présence d'huile lors d'un transport de mousse en milieu poreux [137].