Brevet FR3028516A1 — publié le 20160520

PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UNE MOUSSE AQUEUSE STABLE, MOUSSE AQUEUSE STABLE OBTENUE PAR UN TEL PROCÉDÉ ET SES UTILISATIONS DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une mousse aqueuse stable présentant, en outre, des propriétés autoportantes ainsi que des propriétés complexantes, ou séquestrantes, améliorées. L'invention se rapporte également à une mousse aqueuse obtenue, ou susceptible d'être obtenue, par ce procédé de fabrication. L'invention se rapporte encore à l'utilisation d'une telle mousse aqueuse stable, notamment dans le domaine de décontamination, dans le domaine du traitement des effluents ou encore dans le domaine du confinement ou du désamorçage d'engins explosifs ou suspectés comme tels. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Une mousse est un milieu diphasique constitué d'un matériau, solide ou liquide, intimement mêlé à du gaz. On parle alors respectivement d'une mousse solide ou d'une mousse liquide. Dans le cadre de la présente invention, on va s'attacher à une mousse liquide, également dénommée "mousse aqueuse", cette dernière expression étant celle qui sera utilisée dans la suite de la présente description. Une mousse aqueuse peut être obtenue par la dispersion d'un gaz dans une solution, cette dispersion pouvant notamment être obtenue par injection de bulles de ce gaz dans ladite solution ou par détente de ce gaz dans ladite solution. Dans ce dernier cas, la détente du gaz va provoquer l'apparition de bulles dudit gaz et engendrer une expansion de la phase liquide constituée par la solution. Une mousse aqueuse présente donc une structure alvéolaire formée de bulles de gaz emprisonnées dans des cellules de solution. Ces cellules de liquide, dont le 3028516 2 diamètre est de l'ordre du millimètre, sont composées par des films de solution qui se rejoignent en des bords de Plateau reliés par des noeuds. Une mousse aqueuse est le plus souvent décrite par son foisonnement, noté F, qui correspond au rapport du volume occupé par la mousse aqueuse une fois 5 formée sur le volume de la solution injectée pour la fabrication de ladite mousse aqueuse : Vmousse aqueuse F= Vsolution Toutefois, après formation, la structure alvéolaire de la mousse aqueuse évolue sous l'effet des trois mécanismes principaux suivants : 10 le drainage : sous l'effet de la gravité, la phase liquide s'écoule vers le bas le long du réseau de films de solution qui unissent les bords de Plateau. On obtient une mousse sèche en hauteur et une mousse humide en bas ; la coalescence des bulles : le drainage entraîne l'amincissement des 15 films de la mousse aqueuse. A partir d'une certaine épaisseur, le film n'est plus en mesure de résister à des perturbations et se rompt, entraînant la coalescence des bulles de gaz ; et le mûrissement : conformément à la loi de Laplace, la pression à l'intérieur des petites bulles est supérieure à celle à l'intérieur des 20 plus grandes bulles. Ce phénomène accélère la coalescence des bulles, les plus petites se vidant dans les plus grandes, entraînant une augmentation progressive de la taille des bulles. La stabilité de la mousse aqueuse est sa capacité à conserver, dans le temps, sa structure alvéolaire. 25 L'évolution de cette structure alvéolaire, qui permet donc d'évaluer la stabilité de la mousse aqueuse, peut être suivie par la vitesse de sédimentation de cette mousse aqueuse, et être notamment mesurée par l'affaissement de cette mousse 3028516 3 aqueuse après dépôt dans un contenant donné, tel qu'une éprouvette graduée comme on le verra dans les exemples ci-après. Il est déjà connu d'améliorer la stabilité d'une mousse aqueuse par l'ajout, à la solution, d'un tensioactif qui s'adsorbe aux interfaces gaz/liquide. 5 Si certaines mousses aqueuses présentent ainsi une stabilité sur une période s'étendant de quelques minutes à plusieurs mois, elles ne présentent toutefois pas nécessairement une deuxième propriété dite d'autoportance. La propriété d'autoportance, ou propriété autoportante ; est définie comme étant la capacité de la mousse aqueuse à conserver sa forme après dépôt d'un 10 amas de cette mousse aqueuse sur une surface et ce, en l'absence de tout support, par exemple du type tente ou éprouvette. Cette propriété d'autoportance peut également être définie comme étant la capacité d'une mousse aqueuse à atteindre des hauteurs significatives, à partir d'une surface donnée ou d'un volume donné. L'autoportance d'une mousse aqueuse peut ainsi être quantifiée par la 15 hauteur maximale, notée HF, que cette mousse aqueuse peut atteindre. Cette hauteur maximale HF est dépendante de trois forces qui agissent sur l'amas de mousse aqueuse : la gravité qui tend à aplatir l'amas de mousse aqueuse sur la surface sur laquelle l'amas a été déposé, la résistance au cisaillement, qui s'oppose au déplacement des bulles. 20 Si on assimile la mousse aqueuse à un fluide viscoélastique, il s'agit de la composante conservative du module élastique, noté G, et la viscosité, composante dissipative de ce module élastique G. Le but de la présente invention est donc de proposer un procédé de fabrication d'une mousse aqueuse qui présente, concomitamment, des propriétés de 25 stabilité et d'autoportance. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication d'une mousse aqueuse qui présente, en plus des propriétés de stabilité et d'autoportance, des propriétés complexantes, en particulier des propriétés complexantes de cations métalliques. 3028516 4 Par propriétés complexantes, également dénommées "propriétés de complexation" ou "propriétés séquestrantes", on entend la capacité de la structure alvéolaire de la mousse aqueuse à retenir des espèces présentes en solution et, partant, à réduire la diffusion de telles espèces dans la phase liquide de drainage. On considère 5 qu'une mousse aqueuse présente des propriétés complexantes d'une espèce donnée dès lors que la concentration en ladite espèce dans la phase liquide de drainage est inférieure à la concentration en cette même espèce dans la solution ayant permis la formation de la mousse aqueuse. De telles espèces peuvent, en particulier, être des cations métalliques. EXPOSÉ DE L'INVENTION 10 Les buts précédemment énoncés, ainsi que d'autres, sont atteints, en premier lieu, par un procédé de fabrication d'une mousse aqueuse stable du type précité, c'est-à-dire un procédé qui comprend les étapes suivantes : (a) la préparation d'une solution comprenant au moins un tensioactif et au moins un solvant polaire protique, 15 (b) la mise en contact de la solution préparée à l'étape (a) avec un gaz sous pression, moyennant quoi un mélange diphasique est obtenu, et (c) l'injection du mélange diphasique obtenu à l'étape (b), moyennant quoi, après détente ou dispersion du gaz, la mousse aqueuse stable est obtenue, 20 Selon l'invention, la solution comprend, en outre, au moins un composé gélifiant choisi parmi un polysaccharide non azoté et de la gélatine. La mise en oeuvre d'au moins un composé gélifiant choisi parmi un polysaccharide non azoté et de la gélatine, en mélange avec les autres composés présents dans la solution à partir de laquelle la mousse aqueuse est fabriquée - en particulier, le(s) 25 tensioactif(s) et le(s) solvant(s) protique(s) polaire(s) - permet de figer, par gélification, la structure alvéolaire de la mousse aqueuse après la formation de celle-ci. Sa structure alvéolaire étant gélifiée, la mousse aqueuse ainsi fabriquée est non seulement stable, mais est également autoportante, dans le sens où elle ne s'écroule pas sous l'effet des forces de cisaillement induites par la gravité et l'absence de support. 3028516 5 Comme démontré ci-après, dans les exemples, du fait de sa structure alvéolaire gélifiée, la mousse aqueuse selon l'invention se caractérise également par des propriétés complexantes ou séquestrantes. Les documents US 5,360,828 et US 5,382,285, respectivement 5 référencés [1] et [2] dans la suite de la présente description, décrivent un procédé de formation d'une mousse à partir d'une solution comprenant un polysaccharide, tel qu'un polysaccharide non azoté, et un solvant polaire protique, tel que l'eau. Le procédé de fabrication décrit dans les documents [1] et [2] comprend plus précisément les étapes successives suivantes : 10 (a) la préparation de la solution comprenant un polysaccharide et un solvant polaire protique, (b) la formation d'un gel à partir de cette solution, (c) la congélation du gel, et (d) la cryodessiccation de ce gel pour former une mousse. 15 A l'issue du procédé de fabrication décrit dans ces documents [1] et [2], on obtient donc une mousse solide, par opposition à la nature aqueuse de la mousse telle qu'obtenue par le procédé de fabrication selon l'invention. Or, de par sa structure alvéolaire solide, une mousse solide ne présente pas de propriétés complexantes, contrairement à la mousse aqueuse qui est obtenue par le procédé de fabrication selon 20 l'invention et qui se comporte comme un liquide viscoélastique. Comme indiqué précédemment, la solution préparée à l'étape (a) du procédé selon l'invention comprend au moins un composé gélifiant choisi parmi un polysaccharide non azoté et de la gélatine, au moins un tensioactif et au moins un solvant polaire protique. 25 Le composé gélifiant mis en oeuvre dans le cadre de la présente invention est plus particulièrement un composé ayant la capacité de gélifier, c'est-à-dire ayant la capacité de former des liaisons hydrogène par abaissement de sa température en-dessous d'une température seuil, dite "température de gélification" et ce, après formation de la mousse aqueuse. 3028516 6 La solution préparée à l'étape (a) peut ne comprendre qu'un seul composé gélifiant, c'est-à-dire soit un polysaccharide non azoté, soit de la gélatine. Mais cette solution peut également comprendre un mélange de deux, trois, voire plus, composés gélifiants, par exemple un mélange d'un polysaccharide non azoté avec de la 5 gélatine ou encore un mélange de plusieurs polysaccharides non azotés, ce dernier mélange pouvant, en outre, comprendre de la gélatine. Un polysaccharide est un polymère constitué de plusieurs oses liés entre eux par des liaisons 0-osidiques, d'où découle son appellation équivalente de polyoside. L'expression "polysaccharide non azoté", utilisée ci-dessus et dans la 10 suite de la présente description, signifie que le polysaccharide ne comprend aucun atome d'azote dans sa structure. A contrario, l'expression "polysaccharide azoté" signifie que le polysaccharide qui comprend au moins un atome d'azote dans sa structure. Un polysaccharide non azoté disposant de la capacité de gélifier, par diminution de la température de mise en oeuvre sous la température de gélification, est, 15 classiquement, un polymère naturel hydrosoluble. Un avantage à mettre en oeuvre un ou plusieurs polysaccharides non azotés et/ou de la gélatine réside dans le fait que ces composés ne présentent pas de toxicité pour le personnel d'intervention et pour l'environnement. En outre, ces polysaccharides et la gélatine sont chimiquement compatibles avec un nombre important 20 de tensioactifs. Par compatibilité chimique, on entend qu'il n'existe pas de réaction particulière entre ces composés gélifiants et les tensioactifs. Le polysaccharide non azoté est, avantageusement, un glucane ou un galactane. Lorsque le polysaccharide non azoté est un glucane, il peut notamment 25 être choisi parmi l'amidon, la cellulose, la dextrine et la pectine. Lorsque le polysaccharide non azoté est un galactane, il peut notamment être choisi parmi l'agar-agar et le carraghénane. Dans une variante préférentielle, le polysaccharide non azoté est l'agar- agar. 3028516 7 La solution préparée lors de l'étape (a) comprend également au moins un solvant polaire protique. Comme explicité ci-dessus pour le(s) composé(s) gélifiant(s), la solution peut ne comprendre qu'un seul solvant polaire protique, mais peut également 5 comprendre un mélange de deux, trois, voire plus, solvants polaires protiques. Dans ce qui précède et ce qui suit, l'expression "solvant polaire protique" est prise dans son acceptation habituelle, à savoir qu'elle désigne un solvant qui possède un moment dipolaire permanent non nul et qui possède au moins un atome d'hydrogène lié à un hétéroatome, de telle sorte que ce solvant peut échanger un ou 10 plusieurs protons avec les composés qui sont dissous dans ce solvant. Le solvant polaire protique peut, notamment, être choisi parmi l'eau et un alcool. L'eau peut, par exemple, être de l'eau déminéralisée, de l'eau distillée ou encore de l'eau déionisée. 15 L'alcool est, avantageusement, un alcool, linéaire ou ramifié, répondant à la formule brute CnH2n+20, avec 1 n 5. La solution préparée lors de l'étape (a) comprend également au moins un tensioactif. Comme déjà précisé ci-avant, en s'adsorbant aux interfaces gaz/liquide des films de solution formant la structure alvéolaire de la mousse aqueuse, le tensioactif 20 améliore la stabilité de cette mousse aqueuse. Comme explicité ci-dessus pour le(s) composé(s) gélifiant(s) et le(s) solvant(s) polaire(s) protique(s), la solution peut ne comprendre qu'un seul tensioactif, mais peut également comprendre un mélange de deux, trois, voire plus, tensioactifs. Le tensioactif peut être choisi parmi un tensioactif anionique, un 25 tensioactif cationique et un tensioactif non-ionique. Dans le cas où le tensioactif est un tensioactif anionique, il peut notamment être choisi parmi les sels de sodium, ou encore les sels de potassium, à longue chaine carbonée, l'octylsulfate de sodium, le décylsulfate de sodium ou le lauryléthersulfate de sodium. 3028516 8 Dans le cas où le tensioactif est un tensioactif cationique, il peut notamment être choisi parmi les sels d'ammonium à longue chaine carbonée, tels qu'un sel de dodécyltriméthylammonium. Dans le cas où le tensioactif est un tensioactif non-ionique, il peut 5 notamment être polymérique et, en particulier, l'alcool polyvinylique (PVA). Des exemples de tensioactifs susceptibles d'être mis en oeuvre dans la solution préparée lors de l'étape (a) sont notamment commercialisés par la société Eau & Feu sous la référence DP-SF/2 ou encore par la société Corda Uniser sous la référence Retofoam R2. Comme on le verra dans les exemples, la référence DP-SF/2 10 couvre un mélange de tensioactifs anioniques avec un tensioactif non-ionique. Dans une variante plus particulièrement avantageuse du procédé selon l'invention, la solution préparée à l'étape (a) comprend, en outre, au moins un polysaccharide azoté et, le cas échéant, au moins un composé permettant la dissolution dudit polysaccharide azoté dans la solution. 15 Ce polysaccharide azoté peut être choisi parmi un chitosan et un alginate, l'alginate étant un polysaccharide obtenu à partir d'algues brunes (laminaires et fucus). Dans une variante préférentielle, le polysaccharide azoté est un chitosan, ce composé étant également connu sous la terminologie de "chitosane". 20 Un chitosan est un polysaccharide obtenu par N-déacétylation chimique ou enzymatique de la chitine, la chitine étant elle-même un polysaccharide azoté naturel produit à partir de champignons ou de carapace de mollusques marins. La N-déacétylation chimique de la chitine consiste à hydrolyser, en milieu basique, tout ou partie des fonctions amide de type -NH-COCH3 présentes dans la 25 structure de la chitine, en fonctions amine -NH2. Le chitosan est donc un polysaccharide formé de la distribution aléatoire d'unités N-déacétylées de D-glucosamine (comprenant une fonction -NH2) et d'unités Nacétylées de N-acétyl-D-glucosamine (comprenant une fonction -NHCOCH3). Le degré de N-déacétylation (exprimé en pourcentage et noté DD) du chitosan est défini par le nombre d'unités N-déacétylées (fonctions -NH2) divisé par le 3028516 9 nombre total d'unités N-déacétylées et d'unités N-acétylées (fonctions -NH2 + fonctions -NHCOCH3) dans ce polysaccharide. La frontière entre chitosan et chitine correspond à un degré de N- déacétylation DD de 50%. En d'autres termes, lorsque DD 50, on est en présence de 5 chitine, tandis que lorsque DD > 50, on est en présence de chitosan. Pour simplifier la terminologie utilisée dans la présente demande de brevet, le terme "chitosan" couvre non seulement le chitosan (avec DD > 50), mais également la chitine (avec DD 50). Ainsi, le chitosan mis en oeuvre dans le cadre de la présente invention 10 répond à la formule développée suivante (I) : (I) avec a, qui correspond au nombre d'unités N-déacétylées, tel que 0 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une mousse aqueuse stable comprenant les étapes suivantes (a) la préparation d'une solution comprenant au moins un tensioactif et au moins un solvant polaire protique, (b) la mise en contact de la solution préparée à l'étape (a) avec un gaz sous pression, moyennant quoi un mélange diphasique est obtenu, et (c) l'injection du mélange diphasique obtenu à l'étape (b), moyennant quoi, après détente ou dispersion du gaz, la mousse aqueuse stable est obtenue, caractérisé en ce que la solution comprend, en outre, au moins un composé gélifiant choisi parmi un polysaccharide non azoté et de la gélatine. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la solution comprend, en outre, au moins un polysaccharide azoté et, le cas échéant, au moins un composé permettant la dissolution du ou des polysaccharides azotés dans la solution. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les proportions massiques, données par rapport à la masse du ou des solvants polaires protiques, sont les suivantes : - de 1% à 20% du ou des composants gélifiants et, le cas échéant, du ou des polysaccharides azotés, - de 5% à 25% du ou des tensioactifs, et - de 0% à 10% du ou des composés permettant la dissolution du polysaccharide azoté dans la solution. 3028516 28 4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le polysaccharide non azoté est choisi parmi l'agar-agar et le carraghénane et est, préférentiellement, l'agar-agar. 5 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le polysaccharide azoté est un chitosan. 6. Procédé de fabrication selon la revendication 5, dans lequel le chitosan répond à la formule développée suivante (I) : (I) avec a tel que 0 a 1, avantageusement 0,5 7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 2 15 à 6, dans lequel le composé permettant la dissolution dudit polysaccharide azoté dans la solution est choisi parmi un acide inorganique tel que HCI, HBr, HF, H2SO4 et H3PO4 et un acide organique tel qu'un acide carboxylique répondant à la formule brute Cn-,H2n,+1COOH avec 0 m 5 et un acide dicarboxylique répondant à la formule brute HOOC(CH2)mCOOH avec 0 m 5. 20 8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le solvant polaire protique est choisi parmi l'eau et un alcool, tel qu'un alcool répondant à la formule brute CnH2n+20, avec 1 n 5. 10 3028516 29 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le tensioactif est choisi parmi un tensioactif anionique tel que l'octylsulfate de sodium, le décylsulfate de sodium et le lauryléthersulfate de sodium, un tensioactif cationique tel qu'un sel de dodécyltriméthylammonium, et un tensioactif non- 5 ionique tel que l'alcool polyvinylique. 10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le gaz mis en oeuvre dans l'étape (b) est choisi parmi Ar, He, Nz, Oz, Hz, CO2, N20, CH4 et le mélange d'au moins deux de ces gaz, par exemple l'air. 10 11. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les étapes (b) et (c) sont concomitantes. 12. Mousse aqueuse obtenue, ou susceptible d'être obtenue, par le 15 procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 11. 13. Utilisation de la mousse aqueuse selon la revendication 12 pour complexer au moins un métal sous forme cationique. 20 14. Utilisation selon la revendication 13, dans laquelle le métal est choisi parmi un métal de transition tel que Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Ag, Hf, Ta, Au et Hg, et un lanthanide tel que Nd, Eu, Gd et Yb. 15. Utilisation de la mousse aqueuse selon la revendication 12 ou 25 utilisation selon la revendication 13 ou 14 dans le domaine de la décontamination, notamment dans le domaine de la décontamination nucléaire, dans le domaine de la purification d'effluents, ou dans le domaine du confinement ou du désamorçage d'engins explosifs ou suspectés comme tels.