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Evaluation de la qualité du mélange

Dans le document The DART-Europe E-theses Portal (Page 114-118)

Chapitre II Mélange dans des systèmes microfluidiques

II.3. Caractérisation du micromélangeur acoustique

II.3.1 Evaluation de la qualité du mélange

II.3.1.1 Principe de la mesure et application au cas hydrophobe

Afin de caractériser la qualité du mélange obtenu avec notre système, nous avons analysé les expériences relatives aux méthodes I et III. Pour ces expériences, la même zone du serpentin a été observée (Figure II.9).

Figure II.9. Schéma de la portion du canal observée pendant l’étude de l’index de mélange.

Lorsque les ultrasons sont activés, nous pouvons observer la présence d’une zone très émulsifiée au niveau de la zone focale (Figure II.10, à gauche, croix rouge) où les différents fluides impliqués ne peuvent plus être distingués. En aval de cette zone d’impact les deux huiles désormais mélangées et la phase de PFC démixent progressivement, le PFC demeurant au centre du canal. Dans le cas où les ultrasons sont désactivés, l’écoulement des fluides est laminaire.

Ces expériences ont été analysées afin d’évaluer la qualité du mélange obtenu. Pour cette évaluation, nous avons réalisé une analyse d’image de chaque vidéo expérimentale. En définissant deux zones de même taille (Figure II.10, en vert et bleu respectivement) dans les régions où se trouvent les fluides d’intérêt, il est possible de calculer la valeur moyenne du niveau de gris de chaque région. Ces zones sont délibérément choisies pour être le plus loin possible de la zone d’impact ultrasonore, afin d’avoir une mesure non perturbée par les ultrasons. Un suivi temporel des valeurs moyennes mesurées nous renseigne alors sur le mélange en cours.

113 Figure II.10. Images en microscopie de fluorescence du canal en cas de mélange (US on) ou de non-mélange

(US off) selon la méthode I. Les ultrasons sont focalisés au niveau de la croix rouge, les bords du canal sont indiqués par des pointillés, et les régions d’étude de l’intensité sont représentées par les zones bleue et verte

respectivement.

La Figure II.11 représente typiquement les résultats obtenus pour cette analyse d’image. Sous l’effet des ultrasons, les niveaux de gris moyens sont équivalents dans les deux zones bleue et verte sélectionnées.

Au contraire, en l’absence d’excitation ultrasonore, les deux phases latérales demeurent séparées par la phase non-miscible de PFC au centre, et les valeurs de l’intensité de fluorescence moyenne des deux régions étudiées sont très différentes.

Figure II.11. Evolution de l’intensité moyenne au cours du temps dans les deux zones sélectionnées précédemment (cas d’une expérience avec activation initiale de la source ultrasonore, puis arrêt de cette

dernière).

Afin d’évaluer de façon plus quantitative l’efficacité du mélange, nous avons utilisé un indicateur de mélange très répandu dans la littérature, utilisé en particulier par l’équipe de Baigl lors de leur étude118 : le « mixing index », ou indice de mélange (MI). Sa formule est rappelée ci-dessous, N étant le nombre

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de pixels impliqués dans les régions de mesure d’intensité, Ii l’intensité du pixel i et et <I> l’intensité moyenne totale.

De façon simplifiée, il s’agit ici d’évaluer « l’écart à la moyenne » de l’intensité des zones étudiées.

Ainsi, dans le cas d’un mélange parfait, l’intensité de chaque pixel devient égale à l’intensité moyenne des deux régions. L’écart à la moyenne est donc nul, et le MI est alors égal à 0. Au contraire, en cas de non-mélange, les pixels du fluide non fluorescent (noir) ou fluorescent (blanc) sont d’intensité très éloignée de la valeur moyenne (gris). L’écart à la moyenne est alors maximal, et le MI vaut donc 1. En résumé, un non-mélange correspond à MI = 1 tandis qu’un mélange parfait correspond à MI = 0.

Nous avons testé différents cas de mélange entre de l’huile minérale pure et de l’huile minérale teintée avec le Nile Red, un composé fluorescent (méthode I). Pour un débit total d’injection de 25 μL/min (𝑄𝑃𝐹𝐶 = 20𝜇𝐿/𝑚𝑖𝑛, 𝑄ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 𝑝𝑢𝑟𝑒= 𝑄ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑜 = 2.5𝜇𝐿/𝑚𝑖𝑛), on obtient le résultat représenté sur la Figure II.12. Le MI vaut alors en moyenne 0.04 ± 0.02, et on peut observer qu’une transition très rapide s’opère du régime de mélange vers le régime de non-mélange (de l’ordre de 100 ms) lorsqu’on coupe les tirs ultrasonores.

Figure II.12. Evolution de l’indice de mélange au cours du temps selon la méthode I (cas hydrophobe, débit total : 25 μL/min, Re = 0.023). Dans ce cas, le MI vaut 0.04 ± 0.02.

115 II.3.1.2 Cas hydrophile

Afin de démontrer la compatibilité de notre méthode à d’autres types de fluides, nous avons également testé le mélange entre de l’eau pure et de l’eau teintée avec de la fluorescéine à 800 μM (méthode III).

La même fenêtre d’observation du canal que précédemment a été sélectionnée (Figure II.13).

Figure II.13. Schéma de la portion du canal observée pendant l’étude de l’index de mélange.

On retrouve la présence de la même zone de mélange au point d’impact ultrasonore, et la même séparation des fluides en aval soulignée précédemment (Figure II.14). En l’absence d’ultrasons, les fluides restent séparés et circulent de façon laminaire.

Figure II.14. Images en microscopie de fluorescence du canal en cas de mélange (US on) ou de non-mélange (US off) selon la méthode III. Les ultrasons sont focalisés au niveau de la croix rouge, les bords du canal sont indiqués par des pointillés, et les régions d’étude de l’intensité sont représentées par les zones bleue et verte

respectivement.

Pour un débit total d’injection valant 18 μL/min (𝑄𝑃𝐹𝐶= 8𝜇𝐿/𝑚𝑖𝑛, 𝑄𝑒𝑎𝑢 𝑝𝑢𝑟𝑒= 𝑄𝑒𝑎𝑢 𝑓𝑙𝑢𝑜= 5𝜇𝐿/𝑚𝑖𝑛), on obtient le résultat présenté dans la Figure II.15. En particulier, il faut noter qu’on atteint un MI moyen de 0.06 ± 0.02, avec un temps de transition entre les deux régimes de mélange et de non-mélange également de l’ordre d’une centaine de ms.

PFC Eau pure

Eau + fluorescéine fenêtre

d’observation

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Figure II.15. Evolution de l’indice de mélange au cours du temps selon la méthode III (cas hydrophile, débit total : 18 μL/min, Re = 1.7). Dans ce cas, le MI vaut 0.06 ± 0.03.

Finalement, grâce aux propriétés de non-miscibilité du PFC, le mélange de solutions aqueuses aussi bien que le mélange d’huiles s’avère possible. L’efficacité ne dépend pas de la nature des fluides mélangés, et la transition entre les régimes de mélange/non-mélange dépend majoritairement du débit d’injection des fluides.

Dans le document The DART-Europe E-theses Portal (Page 114-118)