Floculation

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La floculation est le processus physico-chimique au cours duquel des matières en suspension dans un liquide s'agglomèrent pour former des particules plus grosses, généralement très poreuses, nommées flocs. Les flocs sédimentent généralement beaucoup plus rapidement que les particules primaires dont ils sont formés. La floculation peut avoir lieu naturellement ou peut être accélérée par l'ajout d'un floculant.

Mécanisme de la floculation[modifier | modifier le code]

Floculation cationique[modifier | modifier le code]

La plupart des matières en suspension et en particulier les argiles portent des charges négatives. Les cations en solution vont donc se lier aux argiles. Un cation bivalent va pouvoir se lier à deux argiles et ainsi les lier entre elles. Les ions portant plusieurs charges vont donc favoriser la floculation.

Au contraire, des ions monovalents ne se lieront qu'à une particule d'argile et vont en neutraliser les charges de surface. Ceci va empêcher la formation de liaison et donc empêcher la floculation  : Les ions monovalents sont donc des agents défloculants.

Floculation sur un polymère[modifier | modifier le code]

La floculation sur polymère met en œuvre deux mécanismes le premier dit d’adsorption et un second appelé réticulation Les particules vont venir s’adsorber sur un polymère chimique (floculant). Puis le polymère va s’enrouler sur lui-même créant ainsi un floc qui grâce à un volume plus important et une masse plus grande va décanter.

La floculation dans la nature[modifier | modifier le code]

Les minéraux dissous (ions), la matière organique morte et les bactéries sont des floculants naturels. Ainsi les argiles sont généralement floculées dans les lacs et les cours d'eau.

Lorsque de l'eau douce chargée en argiles et autres particules fines entre en contact avec une masse d'eau salée (chargée en ions bivalents) il y a floculation de ces particules. Le phénomène est particulièrement flagrant dans les estuaires.

En agronomie, la floculation est la formation d'agrégats cimentés de colloïdes et de particules solides du sol par l'intermédiaire de ponts calciques.

Applications techniques[modifier | modifier le code]

La floculation est une étape fondamentale du traitement primaire de l'eau (épuration, dépollution, potabilisation), pour laquelle on utilise des agents dits floculants, tels des ions métalliques (fer,aluminium) ou des macromolécules (polyélectrolytes) afin de favoriser l'agrégation des micelles et des matières en suspension.

Le silicate de sodium est utilisé comme défloculant en poterie. C’est-à-dire qu'il permet, par ajout de faibles quantités à la pâte, l'obtention d'une barbotine (argile liquide) avec très peu d'eau.

La floculation est aussi un principe important pour le brassage de bière. Les sédiments et particules en suspension dans la bière en devenir sont décantés par les levures de brassage. Ces flocons ainsi que la levure en hibernation forment ce qu'on appelle la ­­lie.

Technique d’analyse de la stabilité physique[modifier | modifier le code]

L’analyse visuelle reste aujourd’hui le test le plus utilisé. L’échantillon est placé dans un contenant transparent et observé à l’œil nu à intervalle de temps régulier. Le temps de mesure est directement lié à l’application et il peut être de quelques minutes (vinaigrette) à plusieurs mois ou années (crème cosmétique). Si les observations visuelles mettent en évidence une variation de l’homogénéité (changement de couleur, séparation de phase, migration…) supérieur à un niveau acceptable, alors le produit est jugé comme instable et devra être reformulé ou soumis à un changement du procédé de fabrication. 

Le rapport technique TR 13097 : Guidelines for the characterization of dispersion stability[1] résume l’ensemble des techniques disponibles pour suivre la stabilité physique des systèmes dispersés.

Ce document présente :

-      Les mécanismes de déstabilisation : variation de taille de particule, migration, inversion de phase…

-      Les outils de caractérisation (observation visuelle, diffusion de lumière résolue spatialement, acoustique et électroacoustique…)

-      Méthodes d’accélération de la déstabilisation (accélération thermique par élévation de la température, mécanique avec risque de dénaturation du produit…)

-      Prédiction de la stabilité

Le rapport technique insiste sur l’intérêt d’analyser l’échantillon avec des techniques non destructives et présente les limites des méthodes d’accélérations. Puisque les émulsions sont instables du point de vue thermodynamique et que les impératifs industriels de productivité et de renouvellement des gammes impose des temps de tests courts, il convient de choisir une méthode d'accélération qui permette d'influer sur les mécanismes naturels inhérents de déstabilisation pour gagner du temps. On peut citer l'effet boycott (inclinaison) qui permet de générer des mouvements de convection et de déstabilisation pour accélérer la séparation des phases sans apport d'énergie externe. L'observation visuelle par stockage sur une étagère est la plus utilisée, mais ne permet pas de satisfaire aux exigences modernes de production. Pour y pallier, la littérature rapporte l'usage d'une température de stockage élevèe pour accélérer la démixtion, mais là encore, l'augmentation d'entropie du système génère des mécanismes qui n'auraient pas eu lieu sous un stockage classique (Coalescence - Inversion de phase...) et rend la corrélation des résultats difficile. Le savoir faire d'un formulateur pour répondre aux exigences modernes consiste à combiner différentes techniques rapides et faciles à mettre en oeuvre sans modifications de l'échantillon pour effectuer un balayage des candidats et séléctionner rapidement la recette ou le moyen de dispersion le plus efficace. La combinaison et l'application d'un barème de scores à la suite de plusieurs méthodes de tests comme le stockage à plusieurs températures + inclinaison + vibration + centrifugation donne la meilleure méthode de sélection dans un temps réduit.

Méthodes d’accélération pour la prédiction de la durée de vie[modifier | modifier le code]

Le processus cinétique de déstabilisation peut prendre du temps (jusqu’à plusieurs mois, voire plusieurs années pour certains produits) et ainsi, le formulateur doit utiliser des méthodes d’accélération, afin d’obtenir des durées de développement acceptables. Les mécanismes de démixtion sont provoqués par plusieurs phénomènes que l'on peut simplifier en 2 catégories, la gravitation et la diiffusion. Les méthodes thermiques influe uniquement et directement sur les phénomènes de diffusion. Bien qu'elles soient les plus employées, l'augmenter l'entropie du système par la température requière de restant en deçà des températures critiques d’inversion de phase et de dégradations chimiques. Elle affecte la viscosité, mais également la tension interfaciale dans le cas des tensioactifs non-ioniques et plus généralement les forces d’interactions à l’intérieur du système. En stockant la dispersion à hautes températures, on simule des conditions de stress qu'il convient de corréler à la vie réelles d’un produit (par exemple un tube de crème solaire dans une voiture en été). Pour accélérer les phénomènes dus à la gravitation, il faut utiliser des mécanismes provoquant les mêmes causes que les conditions réelles. Durant toute la vie d'une dispersion, la gravitation en G (ou N) exerce une pression continue sur le système. L'usage raisonné et éclairé de la centrifugation, de même que l'usage de la température requière de rester en deca des points critiques, permet d'accomplir cette mission. La combibaison des techniques est la seule solution pour obtenir une compréhension fine des mécanismes de démixtions liés à la Gravitation et à la diffusion.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]