Le comportement de différents systèmes ternaires eau/huile/surfactif dans des puces microfluidiques de configuration « flow focusing » a été étudié sur la base du concept de "formulation optimale". L’influence des variables de formulation (nature du surfactif, polarité de l'huile (caractérisée par son "Equivalent Alkane Carbon Number" ou EACN), salinité de la phase aqueuse, température) et des variables de procédé (débit des phases aqueuses et huileuses, diamètre et mouillabilité des micro-canaux) sur le comportement de flux des systèmes biphasiques eau/huile en présence de surfactifs non ioniques (e.g. alcools gras polyéthoxylés), anioniques (e.g. dodécylsulfate de sodium) et cationiques (sels d'alkylammonium) a été examiné. La prédominance du comportement « jet flow » à l’approche de la « formulation optimale » permet la comparaison des tensioactifs, comme la méthode des balayages de formulation mais en nécessitant moins de réactif et moins de temps. Des émulsions Tween 80-Span 20/esters/eau, pour des applications en cosmétique, ont ainsi été formulées et caractérisées. Par ailleurs, les avantages de la technologie des microréacteurs ont été démontrés par le développement d’un réacteur à flux continu pour l’oxydation catalytique par le peroxyde d'hydrogène en émulsions de Pickering exemptes de solvant et stabilisées par des complexes à base de cyclodextrines. La comparaison des résultats obtenus à ceux des réactions menées en réacteur classique a mis en évidence un accroissement considérable de la vitesse de réaction. / The behavior of various ternary surfactant/oil/water systems in microfluidic chips with flow focusing configuration has been studied based on the concept of "optimal formulation." The influence of formulation variables (nature of the surfactant, polarity of oil (characterized by its "Equivalent Carbon Number Alkane" or EACN) salinity of the aqueous phase, temperature) and process variables (flow rate of the aqueous and oil phases, diameter and wettability of the micro-channels) on the flow behavior of water/oil biphasic systems in the presence of nonionic surfactants (e.g. polyoxyethylene fatty alcohols), anionic (e.g. sodium dodecyl sulfate) and cationic (alkylammonium salts) was examined. The predominance of the "jet flow" behavior in the vincinity of the so called “optimal formulation” allows the comparison of surfactants, similarly to scans formulation consuming less products and requaring a shorter time. Emulsions Tween 80-Span 20/esters/water for applications in cosmetics, have been prepared and characterized. Furthermore, the benefits of the microreactors technology were demonstrated by the development of a continuous flow reactor for the catalytic oxidation with hydrogen peroxide in free solvent Pickering emulsion stabilized by complexes with cyclodextrins. Comparison of the results performed in batch reactor showed a significant improvement in the reaction rate.

Ce travail de thèse examine une nouvelle méthode prometteuse pour la dépollution efficace des eaux contaminées par des polluants organiques insolubles de type toluène, 1-méthylnaphtalène, nitrobenzène,…. Cette méthode d’oxydation avancée repose sur la photocatalyse hétérogène dans des émulsions de Pickering. Dans ce type d’émulsions, les tensioactifs stabilisants des gouttelettes huileuses sont remplacés par des nanoparticules solides à propriétés photocatalytiques élevées. Par ailleurs, ces nanoparticules solides doivent remplir les conditions de mouillabilité partielle dans les deux phases aqueuse et huileuse grâce à un équilibre hydrophile-hydrophobe à leur surface. Pour cette raison, le dioxyde de titane (TiO2) anatase a été préparé par la méthode sol-gel puis modifié par fluoration pour obtenir le catalyseur TiO2-F. L’objectif est de formuler des émulsions de Pickering de type huile dans l’eau (H/E) à partir de polluants organiques de faible solubilité dans l’eau. Les catalyseurs synthétisés ont été caractérisés par XRD, BET, SEM, DRS, XPS, et TG-TD-MS. Il a été montré que la fluoration apporte des changements importants dans les propriétés optiques du TiO2 et a amélioré l’équilibre hydrophile/hydrophobe à sa surface de façon significative. Par ailleurs, les résultats obtenus indiquent que des émulsions de Pickering stables peuvent être formulées en utilisant des particules de TiO2 ou TiO2-F de taille nanométrique. Le type et la stabilité des émulsions dépendent de la mouillabilité des nanoparticules stabilisantes évaluées par des mesures d'angle de contact. La mouillabilité des nanoparticules a été trouvée fortement dépendante du type d’huile en raison des contributions de la polarité et des interactions spécifiques avec les polluants. L'étude des émulsions de Pickering par conductivité électrique, microscopie optique et diffusion de la lumière a montré qu'une stabilité élevée a été obtenue dans des conditions de mouillage partiel : angle de contact dans l'eau compris entre 70 et 110°. L’évolution de la taille des gouttelettes d'huiles avec le rapport de masse huile/photocatalyseur a confirmé une forte adsorption des nanoparticules de catalyseur sur les gouttelettes d'huiles. Finalement, les émulsions jugées stables ont été photodégradées sous rayonnement UV. La cinétique de photodégradation des polluants organiques mesurée par HPLC a montré que la dégradation a été intensifiée en utilisant les émulsions de Pickering par rapport aux systèmes non émulsionnés. Ces résultats ont prouvé que l’utilisation des émulsions de Pickering stabilisées par des nanoparticules de dioxyde de titane constituait un moyen efficace et innovateur pour intensifier la dégradation photocatalytique des polluants organiques / This thesis examines a promising new method for the effective depollution of water contaminated by insoluble organic pollutants such as toluene, 1-methylnaphthalene, nitrobenzene, etc. This advanced oxidation method is based on heterogeneous photocatalysis in Pickering emulsions. In this type of emulsion, the stabilizing surfactants of the oily droplets are replaced by solid nanoparticles having high photocatalytic properties. Moreover, these solid nanoparticles must fulfill the conditions of partial wettability in both aqueous and oily phases thanks to a hydrophilic-hydrophobic balance on their surface. For this reason, the titanium dioxide (TiO2) anatase was prepared by the sol-gel method and then modified by fluorination to obtain the TiO2-F catalyst. The objective is to formulate Pickering oil-in-water (O/W) emulsions from organic pollutants of low water solubility. The synthesized catalysts were characterized by XRD, BET, SEM, DRS, XPS, and TG-TD-MS. It has been shown that fluorination brings about important changes in the optical properties of TiO2 (change in band gap) and improves the hydrophilic / hydrophobic balance at its surface significantly. Moreover, the obtained results indicate that stable Pickering emulsions can be formulated using TiO2 or TiO2-F nanoparticles. The type and stability of the emulsions depend on the wettability of the stabilizing nanoparticles evaluated by contact angle measurements. The wettability of the nanoparticles has been found to be highly dependent on the type of oil due to the contributions of polarity and specific interactions with pollutants. The study of Pickering emulsions by electrical conductivity, optical microscopy and light scattering showed that high stability was obtained under partial wetting conditions: contact angle in water between 70 and 110°. The change in the size of the oil droplets with the oil/photocatalyst mass ratio confirmed a strong adsorption of the catalyst nanoparticles on the oil droplets. Finally, the judged stable emulsions were photodegraded under UV radiation. The photodegradation kinetics of organic pollutants measured by HPLC showed that degradation was intensified using Pickering emulsions compared to non-emulsified systems. These results have shown that the use of Pickering emulsions stabilized by titanium dioxide nanoparticles is an effective and innovative way to intensify the photocatalytic degradation of organic pollutants

La spécificité des émulsions de Pickering repose sur la présence de particules stabilisantes, substituant l'utilisation de tensio-actifs. Les particules s'adsorbent de manière irréversible aux interfaces des gouttes d'émulsions, leur conférant une stabilité à long terme.
L'objectif de cette thèse a été de comprendre, développer et optimiser des procédés permettant la fabrication de différents types d'émulsions de Pickering grâce à des nanoparticules de silice. Trois projets ont vu le jour dans ce travail : (i) Tout d'abord une approche théorique concernant l'étude physico-chimique des interfaces d'émulsions de Pickering stabilisées par des nanoparticules de silice individuelles non- agrégées. L'adsorption de ces nanoparticules sous forme de mono- ou multi- couches aux interfaces des gouttes d'émulsion a pu être mise en évidence en fonction du ratio Huile/Silice intégré au milieu. A haut ratio, le diamètre des gouttes d'émulsion dépend des paramètres de formulation. Des monocouches de nanoparticules peuvent s'adsorber aux interfaces avec un taux de couverture maximal de 54% à la surface des gouttes d'huile. Tandis qu'à bas ratio, le diamètre des gouttes dépend du procédé de fabrication de l'émulsion. Des multicouches de nanoparticules s'adsorbent aux interfaces. (ii) La taille des gouttes d'émulsion a ensuite été réduite par divers procédés afin d'obtenir des nanoémulsions de Pickering, également appelées NanoPickering. La première étape consistait à tester la viabilité de telles émulsions en les fabriquant par un procédé fort en énergie, i.e. la sonication. Dans un second temps un procédé faible en énergie a été utilisé : la nanoprécipitation. Il a ainsi été possible d'obtenir des nanoémulsions de Pickering stables sur plus d'un mois. Cependant, la quantité d'huile maximale incorporable au système final reste faible (environ inférieure à 1wt%). (iii) Une nouvelle application a été développée en parallèle permettant de formuler des émulsions foisonnées de Pickering, intégralement stabilisées par des nanoparticules. Il est possible d'obtenir deux types d'émulsions foisonnées de Pickering : les premières ont une très forte teneur en air ; les secondes sont stables en termes de hauteur grâce à un phénomène de gélification qui a lieu après un changement d'état macroscopique.
L'ensemble de ces résultats confirme que les émulsions de Pickering offrent encore à ce jour la possibilité de découvrir de toutes nouvelles applications fabriquées par des procédés innovants. Par exemple, les nanoémulsions sans émulsifiant émulsifiées de manière spontanée, ou encore les émulsions foisonnées intégralement stabilisées sans émulsifiant. De plus, les approches théoriques restent également nombreuses, et les études des phénomènes interfaciaux sont encore des questions scientifiques très actuelles / Pickering emulsions are emulsions stabilized by solid particles in opposition to emulsifiers-stabilized emulsions. The stabilization of Pickering emulsions comes from a strong adsorption of solid particles at the oil-water interface that builds a rigid barrier against coalescence. The aim of this work was to understand, develop and optimize methods for the fabrication of different types of Pickering emulsions stabilized by silica nanoparticles. Three mains axes can be exposed: (i) Firstly, a theoretical approach on the physico-chemical interfacial phenomena of Pickering emulsions stabilized by non-aggregated individual silica nanoparticles. Adsorption as mono- or multi-layers can be reached depending the Oil/Silica ratio. Two behaviors were observed: At high oil/silica mass ratio, the oil/water interface was covered by a monolayer of nonaggregated silica particles. Stable emulsions were stabilized by a monolayer of silica particles at 54% coverage of the oil droplets surface. Oil droplet diameter depends on formulation parameters. Adsorption as multilayers was reached at lower oil/silica mass ratio and oil droplet diameter depends on fabrication process. (ii) Droplets diameters could be reduced thanks to various processes in order to obtain Pickering nanoemulsions, also called NanoPickering. The first step was to test the viability of such emulsions using a high energy process (sonication). Then, a low energy process (nanoprecipitation) was used. Stable Pickering nanoemulsions can be made on more than one month. However, the oil quantity obtained in the final media is low (less than 1wt%). (iii) In parallel, a new application was developed allowing the formulation of Pickering aerated emulsions, totally stabilized by nanoparticles. Two types of Pickering whipped emulsions can be made. One which has high air content or one which has a stable height, thanks to a gelification phenomenon. This occurs after a macroscopic change of state. All of these results confirm that Pickering emulsions offer the opportunity to discover new applications made by innovative processes. For instance, NanoPickering made by spontaneous emulsification, or Pickering whipped emulsion fully stabilized without emulsifiers. Moreover, theoretical approaches and interfacial phenomena studies are still current scientific questions

Les émulsions stabilisées par des particules minérales présentent des propriétés originales en raison du caractère « solide » des interfaces. La première partie du manuscrit décrit la fabrication d'émulsions monodisperses, de taille allant du micromètre au centimètre, via un mécanisme de croissance homogène (coalescence limitée). Ces émulsions modèles sont concentrées par centrifugation et l'on mesure la relation entre la pression osmotique et la fraction volumique des gouttes. Les résultats sont interprétés en considérant le caractère « solide » des interfaces (élasticité, plasticité) lié à la forte attraction latérale qui existe entre les particules adsorbées. Les propriétés de surface sont explorées indépendamment en mesurant la déformation de gouttes isolées soumises à un cisaillement contrôlé. Enfin, les propriétés rhéologiques des émulsions à interfaces « solides » sont comparées à celles des émulsions stabilisées par des tensioactifs, à interfaces « fluides ».

Des émulsions particulièrement stables peuvent être formulées à l'aide de particules colloïdales (émulsions dites de Pickering). L'objectif de cette étude est d'accéder à la compréhension des mécanismes de stabilisation des interfaces, ainsi que du lien entre propriétés interfaciales et propriétés macroscopiques des émulsions. Dans ce cadre, la stratégie adoptée repose sur l'utilisation de particules colloïdales dont les caractéristiques peuvent être variées continûment à la fois en amont par la chimie de synthèse (variation de la mouillabilité, de la déformabilité) et in situ par un stimulus (pH, sel, température...). De plus, les émulsions stabilisées par de telles particules deviennent, elles aussi, sensibles aux stimuli et la déstabilisation des émulsions peut être déclenchée à la demande. Les mécanismes d'adsorption, les interactions entre particules aux interfaces et les propriétés résultantes des émulsions sont étudiés. L'établissement de concepts généraux régissant la stabilisation/déstabilisation des émulsions permet d'en contrôler, via la formulation ou le procédé (température, cisaillement), les propriétés d'usage. Enfin les émulsions stabilisées par des particules colloïdales peuvent être utilisées en tant que précurseurs dans la formulation de matériaux plus complexes : ceci est illustré par l'élaboration de capsules à libération thermostimulée.

L’objectif de cette étude est de valoriser des coproduits végétaux tout en proposant une alternative biosourcée, économique et performante aux tensioactifs classiques. Des émulsions de type huile-dans-eau sont fabriquées à partir de poudres végétales finement broyées comme seul matériel tensioactif. Les systèmes dispersés qui en résultent, stabilisés par des particules solides, sont des émulsions dites de Pickering. La première partie de ce manuscrit décrit l’influence du procédé d’émulsification (rotorstator en régime turbulent, ultrasons et homogénéisation haute pression) et des paramètres de formulation sur les propriétés d’émulsions stabilisées par de la poudre de cacao. Le rôle des différentes fractions de la poudre est déterminé et le phénomène de coalescence limitée propre aux émulsions de Pickering est étudié. Nous mettons en évidence une évolution structurale des particules (« dépliement ») sous l’effet du cisaillement appliqué lors de l’émulsification, permettant d’augmenter leur performance en tant qu’agents stabilisants. L’influence de la nature végétale est explorée en élargissant l’étude à des poudres de compositions différentes issues de tourteaux de colza et de lupin. La stabilité de ces émulsions face à l’élimination de la phase continue est ensuite évaluée au regard de la technique de séchage, par lyophilisation et atomisation. Des émulsions sèches riches en huile et redispersables dans l’eau sont ainsi obtenues. Enfin, le pouvoir antioxydant des poudres végétales avant et après séchage des émulsions est caractérisé. / This study aimed at valorizing vegetal byproducts while offering a bio-sourced, cheap and efficient alternative to conventional surfactants. Oil-in-water emulsions were obtained from finely ground plant powders as the only surfactant material. The resulting dispersed systems, stabilized by solid particles, are so-called Pickering emulsions. The first part of this manuscript describes the influence of the emulsification process (rotor-stator in turbulent regime, sonication and high-pressure homogenization) and of the formulation parameters on the properties of emulsions stabilized by cocoa powder. The role of the different fractions of the powder was determined and a phenomenon characteristic of Pickering emulsions, namely limited coalescence, was identified. We evidenced a structural evolution of the particles ("unwrapping") under the effect of the shear applied during the emulsification process, allowing to increase their performance as stabilizing agents. The influence of the vegetal origin was explored by extending the study to powders deriving from rapeseed and lupin oilcakes. The stability of these emulsions with respect to the elimination of the continuous phase was evaluated using 2 drying techniques, freeze-drying and spray-drying. Dry emulsions rich in oil and redispersable in water were obtained. Finally, the antioxidant properties of vegetable powders before and after the drying process were characterized.