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S
La stabilité des barbotines céramiques dépend des charges électriques développées sur
les surfaces des particules argileuses Il existe deux types de charges de surface : les charges
de bords et les charges de faces.
La caractérisation des charges de bords est réalisée par la méthode de titration
potentiomètrique acide–base. Cette technique permet d’évaluer la quantité de protons ou de
groupements hydroxyles adsorbés par la surface.
La détermination de la charge globale est effectuée par la mesure du potentiel zêta. Ce
dernier est calculé à partir de la vitesse de la particule Ve dans un champ électrique.
L’inconvénient de cette technique est que la mesure de la vitesse électrophorétique devient
difficile lorsque la concentration en matières sèches augmente et dépasse une concentration
de 1% massiques [1].
Des travaux récents ont cherché à utiliser la corrélation entre un signal acoustique
généré par la mobilité des grains soumis à un champ électrique alternatif [2]. Cette technique
(ESA : electrokinetic sonic amplitude) utilise une modélisation [3], permettent de relier le
signal ESA au potentiel zêta (ζ), valable surtout lorsque la concentration n’excède pas 10%
volumique.
Il est à noter que les représentations du potentiel zêta sont significatives dans le cas de
grains sphériques ayant des propriétés de surface uniformes. Ce n’est pas le cas des minéraux
argileux et les valeurs de zêta obtenus ne sont qu’une représentation moyenne des effets de la
surface et de la forme. Dans la suite, nous nous contenterons uniquement de la mesure de la
mobilité dynamique des grains en suspension.

Chapitre III : Mesure de charges de surfaces
I. Techniques expérimentales
I.1. Préparation des suspensions
Les mesures sont effectuées essentiellement sur les argiles C3 et C4 que nous avons
caractérisé précédemment (Cf. Part. A. Chap. II). Les suspensions sont préparées en mettant
4g d’argile dans 100 cm3 d’eau bidistillée. La dispersion de la suspension est assurée par une
agitation ultrasonore (Vibra-cell ultrasonic desingrator, VC600, Sonic & Materials) pendant
20 minutes. La suspension est ensuite soumise à une agitation continue pendant 24 heures.
I.2. Charges de surface
I.2.1. Rappel théorique
Les particules argileuses (kaolinite, illite,…) en suspension développent deux types de
charges de surface : des charges de faces négatives, qui sont dues aux substitutions
isomorphiques dans la structure cristalline de l’argile, et des charges de bords, qui dépendent
du caractère amphotère des particules hydratées (SOH) et donc du pH du milieu.
Les charges de faces sont indépendantes du pH. Elles sont caractérisées par une
densité notée σo. Par contre, les charges de surfaces des bords (QH) dépendent du pH (en
milieu acide, elles sont positives alors qu’en milieu basique, elles sont négatives). Ces
charges peuvent être mesurées expérimentalement par titration potentiomètrique acide/base.
Cette méthode est basée sur l’évaluation de la quantité de protons (H+) ou de groupements
hydroxyles (OH-) adsorbés par la surface. Cette quantité est proportionnelle à la densité de
charge nette du proton (σH) [4].
I.2.2. Evaluation de la densité nette de charge du proton σ
H
Les argiles sont constituées d’un ensemble d’oxydes ( SiO2, Al2O3,…) qui en solution,
s’hydratent et forment des hydroxydes amphotères de type SOH. Les réactions de protonation
(p) et de déprotonation (d) peuvent être écrites sous la forme suivante [5,6] :
++ →+ 2
SOH H OH-S (1)
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Chapitre III : Mesure de charges de surfaces
+
+→ H SO OH-S - (2)
Les constantes d’équilibre des réactions (1) et (2) sont définies comme suit :
RT) / (F exp
][H [SOH]
][SOH
K 0
2
pΨ= +
+
(3)
RT) / (-F exp
[SOH]
][H ][SO
K 0
-
dΨ=
+
(4)
Où F, Ψ0, R et T sont respectivement la constante de faraday (96500 C.mol-1), le
potentiel de surface, la constante des gaz (R = 8,314 J.mol-1.K-1 ) et la température.
L’évaluation de la densité de charges de bords a été réalisée par titration
potentiomètrique acide/base par Stumm [7]. Il a ainsi montré qu’en l’absence d’ions
spécifiquement adsorbés, il est possible de calculer, à partir des courbes de titration, la
quantité de charge QH et d’en déduire ensuite la densité de charge nette du proton (σH).
La quantité de charge de surface QH (mol.g-1) peut être calculée en fonction du pH à
partir de la différence entre la quantité totale d’acide ou de base ajoutée et les concentrations
en ions H+ et OH- échangés par l’oxyde. L’expression de la quantité QH peut s’écrire :
{}{
-
2
-
BA
HSO - SOH
a
][H - ][OH C - C
Q +
+
=
+
= } (5)
où les concentrations entre {} indiquent les concentrations des espèces en surface,
exprimées en mol.kg-1 (par exemple : [SO-]/a ={SO-}), ‘a’ étant la concentration massique (a
= 40 g.l-1), CA et CB sont les quantités d’acide (HCl) ou de base (NaOH) ajoutées durant la
titration (mol.l-1). [H+] et [OH-] sont les concentrations des ions H+ et OH- dans la suspension.
Elles sont déterminées par mesure du pH ([H+] = 10-pH).
La densité de charge nette du proton σH (C.m-2) peut être calculee à partir de la
quantité de charge QH :
S
.FQ
H
H=
σ (6)
Avec, S la surface spécifique de l’argile. Elle est égale à 32,55 m2.g-1 pour l’argile C3
et 24,33 m2.g-1 pour l’argile C4, F étant la constante de Faraday.
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Chapitre III : Mesure de charges de surfaces
I.2.3. Détermination du point de charge nulle
Le point de charge nulle (PCN) est déterminé à partir de l’intersection de la courbe de
titration de la suspension d’une part et celle du surnageant correspondant (liquide issu de la
centrifugation de la suspension) d’autre part.
I.2.4. Appareillage et protocole de mesure
La densité de charge de surface est déterminée par la méthode de titration
potentiomètrique acide–base [8]. Elle consiste à ajouter à la suspension des quantités
croissantes d’acide HCl [0,1 mol.l-1] ou de base NaOH [0,1 mol.l-1], et de mesurer ensuite le
pH correspondant. L’ajout de ces entités se fait automatiquement à l’aide d’un Titroline
Alpha muni d’une électrode de verre de type Schott N52A, avec une vitesse d’ajout qui a été
ajustée à 13,20 µl par minute pour garantir l’équilibre des échanges. Les titrants HCl et
NaOH sont des solutions standard (Normadose, 1 mol.l-1 (± 0,5%), Prolabo). La solution de
NaCl utilisée pour fixer la force ionique de la suspension est fournie par Aldrich.
I.3. Mesures acoustophoromètriques
I.3.1. Principe
L'application d'un champ électrique alternatif à un colloïde produit un déplacement
des particules dans ce champ en fonction du potentiel Zêta. S'il existe une différence de
densité entre les particules et le liquide, ce mouvement oscillatoire des particules produit une
impulsion dans le liquide. Cette impulsion développe une amplitude acoustique appelée
‘Electrokinetic Sonic Amplitude’ (ESA) [9]. C’est l'amplitude de pression générée par le
colloïde, par unité de force du champ électrique. Elle s’exprime en pascal, par volt par mètre
(Pa.V-1.m-1).
La mesure acoustophoromètrique présente un certain nombre d’avantages : elle est
utilisée pour une large gamme de concentrations (1-20% vol.), pour un large éventail de
tailles (jusqu’à 100µm) et pour des suspensions de propriétés optiques variées (suspensions
opaques ou non). De plus, la mesure peut se faire sur des échantillons en mouvement (sous
agitation), ce qui permet un gain de temps considérable.
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Chapitre III : Mesure de charges de surfaces
I.3.2. Conversion signal ESA / mobilité dynamique
La détermination du potentiel zêta, par les mesures acoustophoromètriques, s’appuie
essentiellement sur la théorie développée par O’Brien [10]. Cette théorie tient compte de la
forme sphérique des particules en suspension. Dans notre cas (plaquettes d’argiles), cette
condition n’est pas remplie. Nous nous limiterons donc à la détermination de la mobilité
dynamique (µo) à partir de la conversion de l’amplitude du signal ESA (7) [11].
c
ESA
0
ρφ
µ
∆
= (
7)
Où, µ0 étant la mobilité dynamique [m2.V.s-1], φ est la fraction volumique de la
poudre ; ∆ρ la différence de densité [Kg.m-3] (suspension/liquide) et c, la vitesse du son
(c=1490 m.s-1).
I.3.3. Appareillage
Les mesures acoustophoromètriques sont réalisées sur un appareil de type Matec ESA
8000 (Matec Applied Sciences). Il permet de mesurer le signal ESA dans une gamme de
fréquences aux alentours de 1MHz. L’appareil est équipée d’un détecteur sensible aux
variations de phase (SP80 ESA) et utilise la méthode des pulsations ultrasoniques pour la
mesure de l’amplitude et de l’angle de la phase du signal ESA.
La sonde à détecteur électroacoustique (SP80 ESA) est incorporée dans une cellule de
mesure SSP1 (de capacité 220ml) qui contient également une électrode de verre pour la
mesure du pH, une cellule de mesure de la conductivité, une sonde pour la mesure de la
température et un agitateur mécanique à vitesse variable (0-2500 rpm). L’appareil est lié à un
titromètre à double piston qui permet de contrôler le débit d’un acide et/ou d’une base ajouté
lors de la mesure de la mobilité dynamique en fonction du pH (fig. III.1).
Le Matec ESA 8000 est piloté par un PC (IBM AT) muni d’un logiciel de pilotage et
de saisie. Les données sont récupérées sur un fichier au format ASCII et ensuite traitées avec
Excel. La conversion signal ESA/mobilité dynamique se fait automatiquement par le logiciel
selon l’équation (7).
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