Série sur les antimousses – La formation des mousses et les additifs qui les décomposent

Très simplement, la mousse se forme lorsque de l’air (ou du gaz) est emprisonné ou encapsulé dans un film d’eau stable en surface. En règle générale, les liquides purs ne produisent pas de mousse. La meilleure illustration de ce phénomène est de prendre une paille et d’essayer de faire des bulles dans un verre d’eau. Il ne se passera rien. Si on ajoute alors une goutte de détergent à vaisselle ou un autre contaminant qui modifie la tension superficielle à ce même verre d’eau, cela suffit pour déclencher la formation de la mousse.

Selon l’application, la mousse est considérée comme un élément positif. Par exemple, dans un environnement sanitaire , la mousse peut améliorer les activités de nettoyage en renforçant l’effet abrasif d’une solution ou en augmentant son temps de contact afin de permettre une meilleure pénétration et une performance globale accrue. Dans un autre contexte opérationnel, comme dans une usine de fabrication ou peut-être dans un processus de traitement des eaux usées, la mousse peut poser des problèmes. Certaines des difficultés opérationnelles les plus courantes découlant de la présence de la mousse sont:

• La qualité du produit et/ou des matériaux hors spécifications.
• La cavitation des pompes et d’autres équipements de traitement concernés.
• La séparation liquide-solides est inhibée au cours d’une étape de traitement et/ou de transformation, suscitant l’entraînement de contaminants vers les opérations en aval.
• Limitation ou nuisance aux performances opérationnelles des instruments essentiels.
• Le débordement d’eaux usées à l’environnement.
• Des risques pour la santé et la sécurité au niveau de l’usine.
• L’endommagement de l’équipement existant ou adjacent.

Cette première partie de la série sur les antimousses met de l’avant les mécanismes scientifiques à l’origine de la formation des mousses et explique comment certains additifs peuvent intervenir pour les décomposer.

La formation des bulles et le développement de la mousse

De l’air ou un autre gaz peut être introduit dans le liquide d’un processus industriel à l’aide de diverses méthodes, y compris les réactions chimiques, l’aération mécanique, l’agitation et/ou le pompage. Lorsque cela se produit, les bulles formées remontent progressivement vers la surface, où elles finissent par éclater.

Lorsqu’une bulle d’air perce la surface, une mince pellicule d’eau l’enveloppe. Cette pellicule est appelée la « lamelle ». À mesure que la bulle continue de monter, l’eau contenue dans la lamelle s’écoule vers le liquide environnant. Ce faisant, la paroi de la lamelle continue de s’amincir jusqu’à ce que son intégrité structurelle ne puisse être maintenue. Ce phénomène est illustré dans le schéma ci-dessous.

Il existe généralement deux conditions qui interfèrent avec la formation naturelle et l’éclatement final d’une bulle : « l’entraînement d’air » et la présence d’un « agent moussant » qui peut contribuer à la stabilité de la bulle et au développement d’une mousse en surface.

L’entraînement d’air est défini comme la répartition de petites bulles uniformément dispersées dans un liquide en vrac dont la viscosité et/ou la charge de matières solides sont suffisamment élevées pour empêcher leur déplacement naturel. Lorsque cela se produit, le fluide a tendance à gonfler et à contribuer à des pertes de liquide importantes. Cela peut également susciter la cavitation dans les équipements de pompage ou empêcher la décantation dans les processus de sédimentation (clarificateurs, décanteurs, etc.). Pour atténuer les problèmes opérationnels liés à l’entraînement d’air, les petites bulles doivent fusionner pour former des bulles plus grosses qui pourront remonter rapidement à la surface. Dans certains cas, le mélange mécanique peut favoriser la coalescence. Toutefois, l’ajout d’un additif chimique de contrôle de la mousse est souvent la meilleure solution.

Les agents moussants sont considérés comme des produits chimiques tensioactifs qui empêchent l’effondrement immédiat des bulles qui se forment à la surface de l’eau. Si les bulles qui percent la surface ne peuvent éclater, une couche de mousse se formera. Ceci est appelé la mousse de surface.

Tous les agents moussants ou « produits chimiques tensioactifs » ont une tête hydrophile (soluble dans l’eau) et une tête hydrophobe (non soluble dans l’eau). Par conséquent, ces produits chimiques migrent de préférence vers l’interface air/eau d’une bulle d’air entraînée, ou à la surface du liquide en vrac. Une fois arrivés, les agents moussants s’alignent de manière que la tête hydrophobe migre vers le côté air tandis que la tête hydrophile reste dans l’eau. Dans cette orientation, les extrémités hydrophiles forment des liaisons faibles avec les molécules d’eau, ce qui restreint le flux/limite le drainage et empêche l’amincissement nécessaire à l’effondrement. Ce positionnement fixe augmente également la tension superficielle et l’élasticité au sein de la lamelle. Le résultat final est une structure très stable et flexible qui a plus tendance à se déformer qu’à se décomposer à mesure qu’elle s’accumule.  La formation d’une structure de bulles stable est illustrée dans le schéma ci-dessous.

Dans l’industrie, il existe un certain nombre d’agents moussants qui peuvent contribuer à la formation de mousses stables. On peut citer, par exemple, les protéines, les lignanes, la saponification des graisses et des huiles, les sous-produits dérivés de l’activité bactérienne, les détergents, les nettoyants et divers tensioactifs commerciaux (stabilisants). Si l’un de ces agents est présent, la production incontrôlable de mousse pourrait poser un problème.

Les mécanismes de contrôle de la mousse

Pour faire éclater une bulle stable, deux mécanismes sont utilisés :

• L’amincissement de la paroi des bulles
• L’effet de perforation

L’amincissement de la paroi des bulles est atteint en ajoutant un produit chimique qui déstabilise les liaisons faibles créées par les agents moussants, augmente le drainage de l’eau et favorise l’amincissement du film de bulles. Ces additifs sont de nature polaire et possèdent à la fois des composants hydrophiles et hydrophobes. Contrairement aux agents moussants, au lieu de s’orienter verticalement, ils s’alignent horizontalement à l’interface air/eau. Lorsque cela se produit, tout s’étale, la bulle commence à grossir, le flux d’eau vers l’extérieur s’améliore nettement, la lamelle commence à s’amincir et l’intégrité structurelle est compromise. Au final, les bulles commencent à s’éclater.

L’effet de l’amincissement de la paroi des bulles est illustré dans le schéma ci-dessous :

Le mécanisme du contrôle de la mousse décrit ci-dessus est le même à la fois pour les problèmes liés à la mousse de surface, et à l’entraînement d’air. Cependant, dans le cas de l’entraînement d’air, la propagation et l’agrandissement se produisent sous la surface. Lorsque cela se produit, les bulles deviennent plus flottantes, leur vitesse ascendante s’intensifie et la probabilité d’effondrement augmente lorsqu’elles atteignent la surface.

L’effet de perforation peut être le mieux défini comme l’ajout de solides colloïdaux qui s’adhèrent à la surface d’une bulle et créent un point faible qui amincit localement le film ou le perce complètement pour favoriser son effondrement. Ces points faibles permettent également la coalescence de petites bulles en bulles plus grandes lorsqu’elles interagissent et entrent en collision les unes avec les autres. Chaque fois que des bulles plus grandes se forment, les structures qui en résultent sont moins stables et plus susceptibles de s’effondrer en raison de l’amincissement des lamelles et du perçage par les matériaux colloïdaux. Les figures ci-dessous fournit une représentation visuelle de ce qui se passe lorsque des solides colloïdaux sont introduits.

Dans un environnement contenant de l’air dissous, les additifs antimoussants colloïdaux favorisent la coalescence des petites bulles en bulles plus grosses lorsqu’elles sont sous l’eau. De même, la vitesse de la remontée augmentera et favorisera leur effondrement lorsqu’elles atteignent la surface.

Les additifs antimousses

Les antimousses sont généralement ajoutés à titre préventif et sont introduits en amont d’une zone problématique afin d’empêcher la formation et l’accumulation de mousse.  Les agents de contrôle de la mousse sont souvent utilisés à titre correctif pour éliminer la mousse qui s’est déjà accumulée et qui cause des problèmes.

Alors que la plupart des additifs sont conçus pour décomposer efficacement la mousse en utilisant uniquement l’un des mécanismes antimoussants susmentionnés, certains additifs utilisent les deux. Le tableau ci-dessous fournit une liste des additifs disponibles et des mécanismes de destruction de la mousse utilisés.

Le choix entre l’un ou l’autre est difficile et dépendra d’un certain nombre de facteurs. Parmi ceux-ci, on peut citer :

• La compatibilité des ingrédients actifs du produit avec le processus et les autres matières présentes dans l’eau.
• L’efficacité du produit et sa capacité à fournir une « suppression initiale » et une « suppression durable » de la mousse.
• Les ingrédients actifs du produit approuvés ou dont l’utilisation est limitée par les organismes de réglementation (production alimentaire).
• La disponibilité du produit.
• Le prix du produit et les coûts relatifs du traitement.

Bien que le choix d’un additif plutôt qu’un autre peut être difficile, Aquasan possède une grande expertise dans l’application des produits chimiques antimousse et peut répondre aux besoins opérationnels de votre installation. Que l’additif soit appliqué comme « additif d’urgence » ou en « application continue », Aquasan dispose d’une gamme diversifiée d’additifs qui peuvent rapidement éliminer la mousse et maintenir le contrôle.

Chez Aquasan, nous mesurons notre succès à travers le vôtre!