Imbibition and dissolution kinetics of porous materials
Cinétiques d'imbibition et de dissolution de matériaux poreux
Résumé
The aim of this work is to understand the coupled processes of imbibition and dissolution of a porous material. One more particular question concerns the influence of a surfactant on the dissolution kinetics. First of all, we show that imbibition kinetics can be deduced from the porous structure of tablets. In fact, a linear relation, known as Washburn law, is observed between the square of the wetted length and the time. When imbibition is coupled with dissolution, a modification of this law, through the introduction of a linear dissolution term, leads to a good agreement between theoretical and experimental data. Then, the experimental study of tablets dissolution evidences three kinetics regimes according to tablets porosities. For the most porous tablets, the disintegration is very fast as the whole tablet is wetted by water in a few seconds. Opposingly, the less porous tablets dissolve slowly according to an erosion process. In this case, the imbibition is much slower than powder dissolution. Intermediate regimes can be encountered when both processes are competing. Also, we experimentally evidence that the trapped gas that is present inside the tablet evacuates through the largest pores of the material. We then focus on the delaying effect of the surfactant on the dissolution mechanism. It results from the slowing down of imbibition due to a modification of wetting properties. In fact, once dissolved in water, the surfactant decreases the liquid surface tension and increases its viscosity.
L'objectif général de ce travail est la compréhension des mécanismes d'imbibition et de dissolution de matériaux poreux. Par ailleurs, ce travail vise également à expliquer le ralentissement, observé en présence de tensioactif, des cinétiques de dissolution des tablettes. Nous montrons qu'il est possible de prévoir la vitesse d'imbibition d'une tablette par l'eau en fonction de sa structure poreuse. Ainsi, un modèle dérivé de la loi de Washburn nous permet de calculer l'épaisseur de la couche imbibée, en tenant compte à la fois du gaz présent dans la tablette, qui s'oppose à la pénétration de l'eau, et de l'érosion de la tablette. Ces cinétiques d'imbibition expliquent les différences obtenues, en fonction de la porosité des tablettes, sur les temps de dissolution. En effet, différents régimes cinétiques sont observés selon que l'imbibition ou la dissolution gouverne le processus global. Ainsi, la tablette se désintègre après quelques secondes lorsqu'elle est très poreuse et donc rapidement imbibée par l'eau. En revanche, une tablette plus compacte se dissout lentement, selon un processus d'érosion, car la vitesse d'imbibition est lente devant celle de dissolution de la poudre. Par ailleurs, nous démontrons expérimentalement que l'air occlus au sein du matériau poreux s'échappe par les pores les plus gros du matériau. Une fois les mécanismes généraux compris, l'effet ralentisseur du tensioactif sur la dissolution des tablettes est expliqué. Il résulte en fait d'un ralentissement des cinétiques d'imbibition de la tablette. Celui-ci a pour causes principales la diminution de la tension superficielle de la solution et l'augmentation de sa viscosité.
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