Une observation fine de l’ascension d’une bulle ou d’une goutte de liquide dans un autre liquide révèle l’existence d’oscillations de sa forme. En filmant ces oscillations à l’aide d’une caméra rapide, une collaboration entre chercheurs du Laboratoire de Génie Chimique et de l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse a montré qu’il est possible de déterminer la teneur en contaminants que la bulle porte à sa surface. Ces travaux ont été publié dans la revue Physical Review Letters le 12 mai 2020 et a été sectionnée en tant que « Editor’s suggestion ».

Alors même que ces contaminants sont présents en concentrations infimes, leur présence a des répercussions importantes sur les performances d’un réacteur industriel. Au sein d’une colonne à bulles pour le traitement des eaux ou d’une colonne d’extraction pour le traitement des métaux par voie liquide, ces impuretés modifient drastiquement la morphologie de l’écoulement diphasique, la dynamique des bulles et les phénomènes de transfert entre les phases. Avoir la possibilité d’évaluer la teneur en contaminants de surface s’avère donc utile pour optimiser ces procédés industriels ou bien caractériser les installations pilotes de laboratoire dans lesquels un meilleur contrôle de la propreté des interfaces permettra d’améliorer la prédictibilité des résultats obtenus.

L’étude, publiée dans Physical Review Letters, se base sur une combinaison de résultats théoriques, expérimentaux et obtenus par simulation. Une théorie connue depuis une trentaine d’années prédisait que l’élasticité de Gibbs d’une interface, provenant de la présence des contaminants en surface, augmentait fortement l’amortissement des oscillations des bulles. Mais cette théorie n’avait été validée que dans des expériences en micro-gravité. Les chercheurs pensaient jusqu’à récemment que lorsqu’une bulle est en ascension sous l’effet de la pesanteur, ses oscillations de forme ne suivraient plus la dynamique prédite par la théorie. Grâce à des simulations numériques, l’étude a révélé que la gravité terrestre ne modifie par les oscillations, suggérant d’utiliser cette même théorie pour remonter au taux de contamination des bulles sans avoir recours à des conditions expérimentales de micro-gravité, complexes et coûteuses à obtenir. La méthode a été appliquée avec succès à des expériences mettant en jeu des gouttes millimétriques dans l’eau. Elle peut désormais être mise en œuvre sans difficulté dans des situations très variées d’écoulements à bulles ou à gouttes. Elle permet, par exemple, la mesure in situ de la teneur en impuretés présentes aux interfaces dans les colonnes à bulles, couramment utilisées dans les procédés industriels.

 

Contacts

Benjamin Lalanne, Toulouse-INP ENSIACET & Laboratoire de Génie Chimique : Benjamin.Lalanne@ensiacet.fr

Frédéric Risso, CNRS, Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse : frisso@imft.fr

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Références

Determination of Interfacial Concentration of a Contaminated Droplet from Shape Oscillation Damping

Benjamin Lalanne, Olivier Masbernat, Frédéric Risso. Phys. Rev. Lett. 124, 194501

URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.194501
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.194501

Synopsis: Droplet Shape Reveals Contaminants (Physics 13, S64).

URL : https://physics.aps.org/articles/v13/s64

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