Soutenance de thèse de Ritu TOOR

Cette thèse de doctorat présente des résultats expérimentaux sur le transfert de masse dans des systèmes impliquant des interfaces liquide / liquide et liquide / gaz et porte sur leur cinétique lors de variations de conditions de composition et de thermodynamique. L'étude se concentre d'abord sur les systèmes liquide / liquide où les propriétés des interfaces eau-huile sont modifiées avec les tensioactifs. Le montage expérimental consiste en des gouttes aqueuses pendantes immergées dans un mélange d’huile de paraffine (PO) et d’un surfactant non ionique (Span 80). La microscopie optique en mode de transmission pour l'enregistrement d'images à haute résolution spatiale est utilisée pour suivre l'évolution temporelle. Au fil du temps, l'interface eau / OP devient opaque en raison de la formation de microstructures résultant de mécanismes d'émulsification spontanés. Span 80 influence à la fois la morphologie et la cinétique de formation des microstructures et donc les propriétés de transport globales. À faible concentration, l'évolution dans le temps est lente et des gouttelettes de la taille d'un micromètre sont formées, tandis que pour de fortes concentrations, il est rapide et l'on observe des microstructures en forme de buisson. Au fur et à mesure du développement des microstructures, de l'eau est retirée des gouttes pendantes et favorise une réduction progressive de leur volume. À la fin de ce processus, les gouttes apparaissent sous forme d'objets déformés entourés d'une membrane lâche. L'influence des tensioactifs hydrosolubles (CTAB et SDS) ajoutés à la composition des gouttes pendantes est étudiée. Il est mis en évidence que le taux d'émulsification spontanée augmente à haute température et en présence de tensioactifs hydrosolubles. Les propriétés des interfaces liquide / liquide sont approfondies par spectroscopie d'imagerie FT-IR. L’intérêt de cette technique est de fournir un accès direct à la composition et donc de donner des informations fondamentales sur les champs de concentration. Les configurations de gouttes d'eau pendantes sont à nouveau considérées ici, ainsi que les interfaces plates. Comme le solvant doit être transparent, un mélange de CCl4 et de Span 80 est utilisé. Le transport de l'eau dans la phase CCl4 est mis en évidence et sa cinétique étudiée à la température ambiante pour plusieurs concentrations de Span 80. L’imagerie FT-IR permettant l’identification chimique dans un champ de vision étendu (ici 5 mm × 5 mm), elle est adaptée à la description du flux d’eau dans la phase CCl4. L'évolution des profils de concentration en eau est mesurée et le rôle des phénomènes de mouillage est abordé. Il a été démontré que le transport de l’eau dans le CCl4 augmentait avec la concentration en Span 80 et était piloté par les micelles inverses. Les flux de masse à travers les interfaces liquide / gaz sont enfin étudiés avec la spectroscopie d'imagerie FT-IR. La cinétique d’évaporation des liquides utilisée dans le projet MAP Evaporation Patterns de l’Agence spatiale européenne est enfin étudiée. Les profils de concentration de vapeur sont mesurés pour l'hydrofluoroéther (HFE) et le mélange de HFE et d'éthanol dans des conditions standard. Les poids moléculaires de ces deux liquides étant supérieurs à ceux de l'air, le flux de vapeur est orienté vers le bas. On discute de l’évolution temporelle du flux de vapeur généré au-dessous d’une couche liquide horizontale en cours d’évaporation. Les profils d'écoulement ainsi que les taux d'évaporation moyens sont mesurés. Les régimes d'écoulement ultérieurs générés par les différences de pression de vapeur des liquides sont décrits. Ceci illustre les capacités remarquables de la spectroscopie d'imagerie FT-IR pour discriminer la dynamique des mélanges gazeux.

This doctoral thesis presents experimental results on mass transfer in systems involving liquid/liquid and liquid/gas interfaces and focuses on their kinetics when varying composition and thermodynamics conditions. The study first concentrates on liquid/liquid systems where the properties of water-oil interfaces are modified with surfactants. Experimental setup consists in pendant aqueous drops immersed in a mixture of paraffin oil (PO) and a non-ionic surfactant (Span 80). Optical microscopy in transmission mode for high-spatial-resolution image recording is used to follow the time evolution. As time runs, the water/PO interface turns opaque due to the formation of microstructures that result from spontaneous emulsification mechanisms. Span 80 influences both the morphology and kinetics of microstructures formation and therefore the overall transport properties. At low concentrations, time evolution is slow, and micrometer sized droplets are formed whereas for high concentrations, it is fast and bush-like microstructures are observed. As microstructures develop, water is withdrawn from the pendant drops and promotes a gradual reduction of their volume. At the end of this process, the drops appear as deformed objects surrounded by a loose membrane. The influence of temperature and water-soluble surfactants (CTAB and SDS) added in the composition of pendant drops is investigated. It is evidenced that the rate of spontaneous emulsification increases at high temperatures and in the presence of water-soluble surfactants. Properties of liquid/liquid interfaces are further investigated with FT-IR imaging spectroscopy. The interest of this technique is to provide a direct access to composition and therefore to give fundamental insights into concentration fields. Pendant water drop configurations are again considered here as well as flat interfaces. As solvent needs to be transparent, a mixture of CCl4 and Span 80 is used. Water transport into the CCl4 phase is evidenced and its kinetics investigated at room temperature for several Span 80 concentrations. As FT-IR imaging allows chemical identification in an extended field of view (here 5 mm × 5 mm), it is adapted for the description of the water flow into the CCl4 phase. Evolution of water concentration profiles is measured, and the role of wetting phenomena addressed. The transport of water into the CCl4 is shown to be increased with the Span 80 concentration and driven by reverse micelles. Mass flows across liquid/gas interfaces are finally investigated with FT-IR imaging spectroscopy. Evaporation kinetics of liquids used in the “Evaporation Patterns” MAP project of the European Space Agency is finally studied. The vapor concentration profiles are measured for hydrofluoroether (HFE) and mixture of HFE and ethanol in standard conditions. As the molecular weights of these two liquids are greater than that of air, the vapor flow is oriented downwards. The time evolution of the vapor flow generated below an evaporating horizontal liquid layer is discussed. The flow profiles as well as average evaporation rates are measured. Subsequent flow regimes generated by the differences of vapor pressures of the liquids are described. This illustrates the remarkable capabilities of FT-IR imaging spectroscopy to discriminate the dynamics of gaseous mixtures.