Émulsification en systèmes microstructurés, Emulsification in micromixers

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Institut National Polytechnique de Lorraine ENSIC
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Laboratoire des Sciences du Génie Chimique Ecole Doctorale RP2E
UPR CNRS 6811 Ressources Procédés Produits Environnement
1, Rue Grandville
BP 20451




THESE


présentée en vue de l’obtention du grade de
Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine

spécialité
Génie des Procédés et des Produits



Emulsification en systèmes microstructurés


Par

Hélène Debas



Soutenue publiquement le 10 Novembre 2009, devant le jury composé de :



Président du jury M. Michael Matlosz, Professeur (LSGC-ENSIC, Nancy)
Rapporteurs M. Pascal Guiraud, Professeur (INSA, Toulouse)
M. Patrick Tabeling, Directeur de recherche (MMN-ESPCI, Paris)
Examinateurs M. Huai-Zhi Li, Professeur (directeur de thèse, LSGC-ENSIC, Nancy)
M. Patrick Löb, Docteur - Ingénieur (IMM, Mayence, Allemagne)
Mme. Souhila Poncin, MdC (co-directrice de thèse, LSGC-ENSIC, Nancy)




REMERCIEMENTS

Je voudrais tout d’abord remercier chaleureusement Pascal Guiraud et Patrick Tabeling qui
ont accepté d’être rapporteurs de ma thèse. Leurs conseils et leurs remarques très pertinentes
ont permis d’apporter un recul et une dimension supplémentaire à ce travail. Je tenais
également à remercier Patrick Löb, examinateur et également coordinateur de la tâche 3.3
intitulée « Emulsification contrôlée ». Malgré la barrière de la langue, ses suggestions ont fait
avancer ce travail tout au long de la thèse. Enfin, merci à Michael Matlosz, directeur du projet
européen IMPULSE et directeur de l’ENSIC, de m’avoir fait l’honneur d’être président de
jury.

Je tenais ensuite à exprimer mes remerciements aux personnes qui m’ont encadrée et tout
d’abord à Huai Zhi Li, mon directeur de thèse, qui m’a fait confiance, m’a apporté ses
conseils, son expérience dans le domaine des gouttes, son recul sur le travail de thèse. Je lui
en suis vraiment reconnaissante.

Je voulais également remercier ma co-directrice de thèse, Souhila Poncin. Merci pour nos
nombreuses discussions scientifiques, nos échanges et tous les conseils pratiques du début de
la thèse à la soutenance. Ta joie de vivre et ta gentillesse ont égayé ces trois années.

Je tenais à remercier également Noël Midoux pour tout ce qu’il a apporté lors de cette thèse.
Ces nombreux conseils lors de réunions en interne, mais aussi sa disponibilité et son recul ont
permis d’enrichir ce travail. Son aide très importante dans la partie sur la formation et la
déformation des gouttes à l’échelle macroscopique a été plus que remarquable.

Ce travail de thèse a pu être menée à bien grâce aux différents échanges avec l’ensemble des
partenaires européens que ce soit par mail, par téléphone ou lors de réunions. Je voudrais
remercier plus particulièrement Alberto Simoncelli de Procter & Gamble, Andreas Hensel de
FZK, Patrick Löb de IMM mais également Sven Englert et Marcel Liauw du laboratoire
RWTH Aachen. Les échanges constants sur les problèmes rencontrés et sur les résultats
obtenus ont été d’une aide précieuse.


Je tenais également à remercier Michel Sardin, de m’avoir accueillie au sein de ce laboratoire,
François Lapicque, responsable du groupe SYSPOL (Systèmes Polyphasiques), pour sa
gentillesse ainsi que toutes les personnes rencontrées durant ces trois années.

Enfin, plus largement, je tenais à exprimer mes remerciements à toutes les personnes qui ont
contribué à la bonne réussite de cette thèse. L’atelier de mécanique du laboratoire a réalisé un
travail considérable et construit entièrement le pilote d’émulsification continue avec lequel
j’ai travaillé. Merci pour la rapidité dont vous avez fait preuve, l’ingéniosité et votre bonne
humeur générale. Le service technique (SEMI) a permis, quant à lui, d’acquérir les données
expérimentales utilisées pour comparer les différentes technologies de micromélangeur. Merci
pour la conception de l’armoire électrique ou encore le calorifugeage du pilote. Enfin, je
tenais à remercier le service informatique, le secrétariat et la reprographie pour leur aide
précieuse durant l’ensemble de ce travail.

èmeJe me dois de partager la réussite de cette thèse avec plusieurs étudiants en 3 année à
l’ENSIC que j’ai encadrés successivement ; je veux ici parler de Amélie Pouplin,
Elodie Legard, Laurent Richard et Amélie Michel. Nos nombreux échanges et discussions ont
permis de faire avancer ce travail. Leurs joies de vivre ont apporté une excellente ambiance
dans le laboratoire.

Un remerciement tout particulier va à Nicolas Dietrich pour nos nombreux échanges d’idées,
lui, spécialisé dans la formation des bulles et moi dans les gouttes. Ce fut une véritable joie de
partager mon bureau avec Nicolas durant ces trois ans. Nos nombreuses discussions furent
très enrichissantes. Merci à toi !

Je voudrais enfin remercier mes proches et plus particulièrement ma famille pour leur soutien,
leur confiance sans faille et leur aide durant cette thèse. Merci aussi d’avoir cru en moi durant
toutes ces années. Une pensée toute particulière va à mon grand-père qui malheureusement
n’aura pas pu assister à la fin de cette thèse… Il m’a soutenue et accompagnée durant toutes
ces années…

Enfin, cette thèse n’aurait pas pu être menée à bien sans les précieux conseils, l’aide et le
soutien à toute épreuve de Guillaume, l’homme de ma vie, mon confident et maintenant mon
mari. Il a toujours été présent et cru en moi… Un très grand merci !

SOMMAIRE


NOMENCLATURE.............................................................................................................................................. 9


INTRODUCTION................ 15


CHAPITRE I – Revue bibliographique ............................................................................................................ 21

I. EMULSIONS.................... 23
I.1. Les tensioactifs............ 24
I.2. Stabilité des émulsions............................................................................................................................... 26
II. FORMATION DE GOUTTES A L’ECHELLE MACROSCOPIQUE .................................................... 27
II.1. Formation de gouttes sans écoulement orthogonal extérieur.................................................................... 28
II.1.1. Régime quasi-statique....................................................................................................................... 29
II.1.2. Régime inertiel... 29
II.1.3. Régime de jet..... 32
II.2. Mouillabilité.............. 32
II.3. Formation de gouttes en présence d’un écoulement orthogonal extérieur................................................ 34
III. EVOLUTION DES PROCEDES D’EMULSIFICATION : DES PROCEDES CLASSIQUES AUX
MICROMELANGEURS..... 35
III.1. Généralités................ 35
III.2. Généralités sur les micromélang