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Transport de liquide et de particules dans les mousses aqueuses

Nicolas louvet — LPMDI (Marne la vallée)

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La mousse est un matériau constitué de gaz et de liquide moussant (permettant de stabiliser les interfaces fluides). Sous l’effet de la gravité et des forces capillaires, le liquide coule, on parle du drainage de la mousse. Dans certaines applications industrielles (ex: la flotation du minerai), des particules solides sont incorporées et transportées dans la phase liquide de la mousse, qui s’organise sous la forme d’un réseau de micro-canaux, appelés bords de Plateau. La grande différence entre ce réseau et les réseaux « microfluidiques classiques » (solides) réside dans la nature des interfaces qui confinent le liquide : en effet pour la mousse, celles-ci sont déformables et plus ou moins mobiles. Une des grandes difficultés de la modélisation des écoulements dans la mousse est liée au couplage existant entre la vitesse d’écoulement du liquide et la géométrie de ce réseau déformable. La perméabilité de la mousse relie la vitesse du liquide à la fraction volumique en liquide et permet a priori de rendre compte de ce couplage. Toutefois, ce paramètre est fortement dépendant de la mobilité des interfaces et aucun modèle théorique n’en permet une prédiction satisfaisante.

Nous avons mesuré les résistances hydrodynamiques de bords de Plateau et de jonctions. Les valeurs obtenues pour les jonctions sont près d’un ordre de grandeur plus petites que celles de la littérature, qui rappelons-le, résultent d’un ajustement à partir d’un modèle. L’écart observé est lié aux hypothèses géométriques des modèles utilisés, qui pour la plupart, ne décrivent pas correctement l’évolution des tailles caractéristiques des éléments du réseau liquide (courbure et longueur) lorsque epsilon augmente. Un modèle de perméabilité ne reposant pas sur un ajustement de la résistance des jonctions est présenté.

On présentera ensuite des résultats concernant la convection de particules dans les canaux de la mousse. On montre que les modèles d’écoulement du liquide à l’échelle du canal ne permettent pas de rendre compte de toutes les données expérimentales. En particulier on observe des particules se déplaçant à des vitesses anormalement faibles. Il est alors nécessaire d’introduire un nouvel ingrédient dans cette modélisation : un contre-écoulement de vitesse caractéristique V se réalisant à la frontière entre le canal et le film et permettant la recirculation de tensioactif dans cette géométrie particulière. Nous montrons que V est proportionnelle à la vitesse débitante du canal. Par ailleurs cet écoulement à la frontière provoque le gonflement des films et par conséquent renforce le couplage entre le drainage et le murissement de la mousse. Une expérience de mûrissement forcé réalisée sur une bulle en situation de drainage illustre ce renforcement.

Enfin, nous explorons une nouvelle fonctionnalité pour les mousses : ce système d’interfaces fluides peut être avantageusement utilisé pour filtrer/trier des particules en suspension dans un liquide. A partir d’un bilan entre les forces capillaires (qui retiennent les particules) et les forces visqueuses (qui tendent à les expulser), nous avons établi le critère contrôlant la capture ou le relargage de ces particules au sein de la mousse. Nous avons également mis en évidence une caractéristique propre à ces filtres fluides : ils ne sont pas « colmatables ».

Laboratoire de Physique des Milieux Divisés et des Interfaces,
Université de Marne la Vallée et CNRS,
UMR 8108 Bat Lavoisier, 5 Bd Descartes,
77420 Champs Sur Marne