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Procédé pour la préparation d'un hydrocarbure visqueux dans des émulsions de solution tampon aqueuse.
La présente invention concerne un procédé pour la formation d'un hydrocarbure visqueux dans des émulsions de solution tampon aqueuse et, plus particulièrement, un procédé pour la préparation d'émulsions bimodales d'hydrocarbure visqueux dans une solution tampon aqueuse qui sont utilisées en tant que carburants combustibles.
Les hydrocarbures visqueux de faible densité se trouvent en grande quantité au Canada, en Russie, aux Etats-Unis, en Chine et au Venezuela, et sont normalement des liquides ayant des viscosités allant de 10 000 mPa. s à plus de 500 000 mPa. s aux températures ambiantes. Ces hydrocarbures sont typiquement obtenus par de nombreux procédés incluant l'injection de vapeur, le pompage mécanique, les techniques minières et des combinaisons de ces procédés.
Une fois obtenus, de tels hydrocarbures sont utiles en tant que carburant combustible après les avoir dessalés et déshydratés et les avoir traités pour éliminer d'autres constituants indésirables. En tant que carburant liquide, toutefois, ces hydrocarbures sont trop visqueux pour une utilisation pratique. Ainsi, de tels hydrocarbures visqueux sont formés en un hydrocarbure dans des émulsions d'eau qui ont une viscosité améliorée et, par conséquent, des caractéristiques d'écoulement améliorées. Lorsqu'elles sont formées avec un haut rapport de matière hydrocarbonée à l'eau, ces émulsions sont un excellent carburant combustible. Toutefois, l'émulsion n'est pas stable et se casse rapidement si elle n'est pas stabilisée avec des agents tensioactifs ou des émulsifiants.
Malheureusement, les émulsifiants du commerce sont coûteux et le coût de l'émulsion est par conséquent augmenté. Ce coût ajouté a un
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impact évidemment nuisible sur la viabilité de l'utilisation des hydrocarbures visqueux pour former des émulsions de carburant combustible.
Les hydrocarbures visqueux sont connus pour contenir naturellement des matières qui sont des agents tensioactifs potentiels. Il serait bien entendu souhaitable d'activer de telles matières de façon à fournir des agents tensioactifs naturels pour stabiliser l'émulsion sans le coût supplémentaire d'émulsifiants du commerce, fournissant ainsi une variante plus pratique pour l'utilisation d'hydrocarbures visqueux dans la formation d'émulsions de carburant combustible. Les matières naturellement contenues dans les hydrocarbures visqueux qui sont des agents tensioactifs potentiels incluent de nombreux acides carboxyliques, esters et phénols qui, dans un environnement à pH basique, peuvent être activés en tant qu'agents tensioactifs naturels. L'hydroxyde de sodium est utilisé en tant qu'additif pour fournir le pH approprié.
Toutefois, l'hydroxyde de sodium est incapable de maintenir constant le pH de la phase aqueuse, si bien que le pH approprié, l'agent tensioactif activé et l'émulsion sont tous à vie courte.
Naturellement, il est très souhaitable de fournir un procédé pour former des émulsions stables qui emploient les agents tensioactifs naturels présents dans les hydrocarbures visqueux décrits ci-dessus.
Par conséquent, l'objectif principal de la présente invention est de fournir un procédé pour la préparation d'émulsions d'hydrocarbures visqueux dans de l'eau qui utilise les agents tensioactifs naturels présents dans les
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hydrocarbures visqueux pour conférer de la stabilité à l'émulsion.
Un autre objectif encore de la présente invention est de fournir un procédé tel que présenté ci-dessus, qui soit particulièrement utile pour former des émulsions bimodales.
Un autre objectif encore de la présente invention est de fournir un procédé tel que présenté ci-dessus, dans lequel l'émulsion puisse être utilisée en tant que carburant combustible.
D'autres objectifs et avantages de la présente invention apparaîtront ci-dessous.
Selon la présente invention, les objectifs et avantages ci-dessus sont aisément atteints.
La présente invention comprend un procédé pour former des émulsions monomodales ou bimodales stables, de préférence des émulsions bimodales, d'hydrocarbures visqueux dans des solutions tampons aqueuses. Selon la présente invention, un hydrocarbure visqueux contenant un agent tensioactif inactif est mélangé avec une solution tampon aqueuse dans des conditions contrôlées de façon à former une émulsion monomodale. La solution tampon aqueuse comprend de l'eau, un additif alcalin en une quantité supérieure ou égale à environ 30 ppm, et un additif tampon en une quantité supérieure ou égale à environ 4 000 ppm, le pH de la solution tampon aqueuse étant supérieur ou égal à environ 11.
L'hydrocarbure visqueux est mélangé avec la solution tampon aqueuse, de préférence en un rapport d'environ 50 : 50 à 80 : 20, à une première énergie de mélange suffisante pour former une émulsion monomodale de l'hydrocarbure visqueux dans la solution tampon aqueuse, où la grosseur moyenne des gouttelettes hydrocarbonées de
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l'émulsion monomodale est inférieure ou égale à environ 5 gm. L'additif tampon dans la solution tampon aqueuse extrait l'agent tensioactif naturel inactif de l'hydrocarbure visqueux de façon à stabiliser l'émulsion monomodale.
De préférence, lorsqu 1 une émulsion stable monomodale est préparée selon le procédé de la présente invention, l'hydroxyde visqueux est mélangé avec le tampon aqueux en un rapport d'environ 50 : 50 à environ 95 : 5.
Une émulsion bimodale peut ensuite être formée selon la présente invention en diluant à l'eau l'émulsion monomodale puis en mélangeant de l'hydrocarbure visqueux supplémentaire avec l'émulsion monomodale diluée, à une seconde énergie de mélange préférée suffisante pour former une émulsion bimodale stable de l'hydrocarbure visqueux dans la solution tampon aqueuse. Selon l'invention, l 1 émulsion bimodale obtenue est une émulsion stable ayant un rapport hydrocarbure à solution tampon aqueuse d'environ 60 : 40 à 80 : 20, une grosseur moyenne des petites
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gouttelettes hydrocarbonées (D5) inférieure ou égale à ,) inférieure ou égale à environ cm et une grosseur moyenne des grandes gouttelettes hydrocarbonées (DL) inférieure ou égale à environ 30 gm.
Selon la présente invention, l'additif tampon utilisé dans la solution tampon aqueuse est une amine hydrosoluble présente en une concentration de préférence d'environ 4 000 ppm à environ 15 000 ppm.
Le procédé de la présente invention permet la formation d'émulsions bimodales stables par un procédé économisant l'énergie qui est supérieur aux procédés connus jusqu'ici.
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La figure 1 est un diagramme illustrant le procédé pour produire une émulsion bimodale en utilisant des agents tensioactifs naturels selon la présente invention.
La figure 2 est un graphique illustrant la granulométrie des gouttelettes obtenue lors de la préparation d'une émulsion monomodale et d'une émulsion bimodale selon le procédé de la présente invention.
La figure 3 est un graphique illustrant l'effet de l'énergie de mélange sur la grosseur des gouttelettes dans une émulsion monomodale formée selon la présente invention, par rapport à un procédé de l'art antérieur.
La figure 4 est un graphique illustrant l'effet de l'énergie de mélange sur la grosseur des gouttelettes dans une émulsion bimodale formée selon la présente invention, par rapport à un procédé de l'art antérieur.
La figure 5 est un graphique illustrant l'effet de l'énergie de mélange sur la grosseur de gouttelettes d'huile pour une émulsion monomodale préparée selon le procédé de la présente invention.
La figure 6 est un graphique illustrant l'effet de l'énergie de mélange sur la grosseur de gouttelettes d'huile pour une émulsion bimodale préparée selon le procédé de la présente invention.
La présente invention concerne un procédé pour la formation d'un hydrocarbure visqueux dans des émulsions de solution tampon aqueuse et, plus particulièrement, un procédé pour la préparation d'émulsions bimodales d'hydrocarbure visqueux dans une solution tampon aqueuse qui sont utilisées en tant que carburants combustibles.
Les matières hydrocarbonées visqueuses naturelles employées utilement dans le procédé de la présente
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invention sont caractérisées par les propriétés chimiques et physiques suivantes.
TABLEAU 1 HYDROCARBURE VISQUEUX CARACTERISTIQUE
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<tb>
<tb> Carbone <SEP> 78 <SEP> à <SEP> 85 <SEP> %
<tb> Hydrogène <SEP> 9,0 <SEP> à <SEP> 11, <SEP> 0 <SEP> %
<tb> Soufre <SEP> 2,0 <SEP> à <SEP> 4, <SEP> 5 <SEP> %
<tb> Azote <SEP> 0,5 <SEP> à <SEP> 0, <SEP> 7 <SEP> %
<tb> Cendre <SEP> 0,05 <SEP> à <SEP> 0, <SEP> 3 <SEP> %
<tb> Oxygène <SEP> 0,2 <SEP> à <SEP> 1, <SEP> 3 <SEP> %
<tb> V <SEP> 50 <SEP> à <SEP> 1 <SEP> 000 <SEP> ppm
<tb> Ni <SEP> 20 <SEP> à <SEP> 500 <SEP> ppm
<tb> Fe <SEP> 50 <SEP> à <SEP> 60 <SEP> ppm
<tb> Na <SEP> 20 <SEP> à <SEP> 100 <SEP> ppm
<tb> API <SEP> 5,0 <SEP> à <SEP> 10,0
<tb> Indice <SEP> d'acide <SEP> total
<tb> (mg <SEP> KOH/g) <SEP> 2,5 <SEP> à <SEP> 3,8
<tb> Viscosité <SEP> à <SEP> 23,
3 <SEP> C <SEP> 90 <SEP> 000 <SEP> à <SEP> 150 <SEP> 000 <SEP> mm2/s
<tb> Capacité <SEP> calorifique <SEP> 35.106 <SEP> à <SEP> 44.106 <SEP> kg.m2/s2.kg
<tb> Asphaltènes <SEP> 9,0 <SEP> à <SEP> 15,0 <SEP> %
<tb>
Ces matières hydrocarbonées visqueuses naturelles contiennent des agents tensioactifs inactifs incluant les acides carboxyliques, les phénols et esters ou leurs mélanges qui, dans les conditions appropriées, peuvent être activés en tant qu'agents tensioactifs.
De préférence, l'hydrocarbure visqueux a un indice d'acide total supérieur ou égal à 1.
Selon la présente invention, un additif tampon dans une solution tampon aqueuse est utilisé pour extraire l'agent tensioactif naturel inactif dans l'hydrocarbure visqueux de façon à former une émulsion stabilisée. Selon la présente
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invention, la solution tampon aqueuse comprend de l'eau, un additif alcalin et un additif tampon, le pH de la solution tampon aqueuse étant contrôlé de façon à être supérieur ou égal à environ 11. L'additif tampon employé dans la solution aqueuse est une amine hydrosoluble. Lors de la formation d'une émulsion monomodale, il a été trouvé que l'additif tampon doit être présent en une quantité supérieure ou égale à environ 1 000 ppm.
Toutefois, lors de la formation d'une émulsion bimodale selon le procédé de la présente invention, l'additif tampon doit être présent en une quantité supérieure ou égale à environ 4 000 ppm. La concentration de l'additif tampon est de préférence entre environ 4 000 ppm et environ 15 000 ppm, et idéalement entre environ 4 000 ppm et environ 10 000 ppm. Lors de la formation d'une émulsion monomodale selon le procédé de la présente invention, la concentration de l'additif tampon est entre environ 1 000 ppm et environ 15 000 ppm, de préférence entre environ 1 000 ppm et environ 10 000 ppm.
L'amine hydrosoluble peut avoir un seul groupe alkyle ou au moins deux groupes alkyles. Les amines hydrosolubles particulièrement appropriées pour l'utilisation dans le procédé de la présente invention incluent les suivantes : éthylamine, diéthylamine, triéthylamine, n-butylamine, triisobutylamine, diméthylamine, méthylamine, propylamine, dipropylamine, sec-propylamine, butylamine, sec-butylamine et les mélanges de celles-ci.
En plus de l'additif tampon, la solution tampon aqueuse inclut un additif alcalin en une quantité supérieure ou égale à environ 30 ppm, de préférence d'environ 30 ppm à environ 500 ppm, et idéalement d'environ 30 ppm à environ 100 ppm. L'utilisation de l'additif alcalin en combinaison
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avec l'additif tampon aboutit à un effet synergique lorsqu'on emploie le procédé de la présente invention. Lorsque l'additif alcalin et l'additif tampon sont utilisés ensemble, les énergies de mélange requises pour former des émulsions ayant les grosseurs de gouttelette souhaitées sont grandement réduites.
Des additifs alcalins particulièrement appropriés pour l'utilisation dans la solution tampon aqueuse utilisée dans le procédé de la présente invention incluent les sels de métal alcalin, sels de métal alcalino-terreux, hydroxydes alcalins, hydroxydes alcalino-terreux, sels d'ammonium, hydroxydes d'alkylammonium, hydrosolubles, et mélanges de ceux-ci. Des additifs alcalins particulièrement utiles incluent le chlorure de sodium, le chlorure de potassium, le nitrate de sodium, le nitrate de potassium, l'hydroxyde de sodium, l'hydroxyde de potassium, le nitrate de calcium, le chlorure de calcium, le chlorure de magnésium, le nitrate de magnésium, le chlorure d'ammonium, l'hydroxyde d'ammonium, l'hydroxyde de tétra-ammonium, l'hydroxyde de tétrapropylammonium et les mélanges de ceux-ci.
L'hydrocarbure visqueux est ensuite mélangé avec la solution tampon aqueuse à une vitesse de mélange suffisante pour former une émulsion monomodale de l'hydrocarbure visqueux dans la solution tampon aqueuse dans laquelle la grosseur moyenne des gouttelettes hydrocarbonées est inférieure ou égale à environ 5 Mm. L'additif tampon dans la solution tampon aqueuse extrait l'agent tensioactif naturel inactif de l'hydrocarbure visqueux de façon à stabiliser l'émulsion. Il a été trouvé selon le procédé de la présente invention qu'il faut une énergie de mélange entre environ 60 000 et environ 200 000 J/m3, de préférence
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d'environ 60 000 à environ 150 000 J/m3, pour former l'émulsion monomodale ayant la grosseur de gouttelettes d'huile souhaitée.
Afin de former une émulsion bimodale, l'émulsion monomodale est diluée en ajoutant de l'eau, puis de l'hydrocarbure visqueux supplémentaire est mélangé avec l'émulsion monomodale diluée à une vitesse de mélange suffisante pour former une émulsion bimodale stable ayant les propriétés physiques et chimiques suivantes.
Un rapport hydrocarbure à solution tampon aqueuse d'environ 60 : 40 à 80 : 40, une grosseur moyenne des petites gouttelettes hydrocarbonées (Ds) inférieure ou égale à environ 5 Mm et une grosseur moyenne des grandes gouttelettes hydrocarbonées (DL) inférieure ou égale à environ 30 Mm, un rapport de (DL) à (Ds) supérieur ou égal à environ 4, de préférence supérieur ou égal à environ 10, où environ 70 à 90 % en poids de l'hydrocarbure visqueux sont contenus dans la grosseur de grandes gouttelettes (DL). Selon la présente invention, il a été trouvé que l'énergie de mélange requise pour obtenir l'émulsion bimodale définie ci-dessus est d'environ 80 000 à environ 1 000 000 J/m3, de préférence entre environ
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3 80 000 et environ 800 000 J/m3.
La viscosité de l'émulsion bimodale obtenue est inférieure ou égale à environ 500 mPa. s à 30 OC et 1 s-l.
La figure 1 est un diagramme schématique illustrant le procédé de la présente invention. En ce qui concerne la figure 1, de l'eau et un additif tampon sont mélangés de façon à former la solution tampon aqueuse. Du bitume est ensuite ajouté à la solution tampon aqueuse et mélangé dans un mélangeur de premier stade pour former une émulsion monomodale. L'émulsion monomodale du premier stade est
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ensuite diluée avec de l'eau, et du bitume supplémentaire est ajouté à l'émulsion monomodale diluée. Le mélange est ensuite envoyé à un second stade où de l'énergie de mélange est appliquée de façon à former un produit d'émulsion bimodale obtenu selon la présente invention.
Le procédé de la présente invention est en outre illustré par les exemples suivants.
EXEMPLE 1
Cet exemple montre la préparation d'une émulsion de solution tampon aqueuse bimodale stable selon la présente invention.
On a préparé une solution tampon aqueuse contenant 7 000 ppm d'éthylènediamine et 400 ppm de NaOH ayant un pH d'environ 11. Un bitume hydrocarboné visqueux ayant les caractéristiques présentées au tableau I a été chauffé à environ 70 oc et mélangé avec la solution tampon dans un mélangeur immobile selon le schéma de traitement présenté à la figure 1. La proportion de bitume à la solution tampon aqueuse a été réglé à 60 : 40. Le mélangeur immobile SMX 40 a été choisi avec suffisamment d'éléments de mélange pour fournir une énergie de mélange d'environ 80 000 J/m3.
L'émulsion monomodale obtenue à partir du premier stade avait une granulométrie telle que présentée à la figure 2.
La granulométrie moyenne était inférieure à 2 um avec un rapport bitume à solution tampon aqueuse de 60 : 40. L'émulsion monomodale a été diluée avec de l'eau pour obtenir un rapport bitume : solution tampon aqueuse diluée d'environ 40 : 60. L'émulsion diluée a été mélangée avec du bitume supplémentaire à 70 C dans un second mélangeur immobile dans la proportion bitume à émulsion diluée pour obtenir une émulsion 80 : 20. Le mélangeur immobile a été
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choisi avec suffisamment d'éléments de mélange pour fournir une énergie de mélange d'environ 300 000 J/m3. L'émulsion qui a quitté le second mélangeur immobile avait une granulométrie de gouttes bimodale comme le montre la figure 2.
Le diamètre moyen de la population de grandes gouttes avait une valeur d'environ 20 um, tandis que le diamètre moyen de la population de petites gouttes avait une valeur d'environ 2 mm. La viscosité de cette émulsion était d'environ 450 mPa. s à 30 C et 1 s-l.
EXEMPLE 2
Cet exemple montre l'effet synergique de l'additif alcalin et de l'additif tampon sur l'énergie de mélange nécessaire pour obtenir le diamètre moyen des gouttelettes souhaité.
Des émulsions ont été préparées en utilisant différentes quantités des additifs alcalin et tampon pour activer les agents tensioactifs naturels dans le bitume. Le bitume et la solution tampon ont été mélangés à un rapport bitume à solution tampon de 60 : 40 en utilisant un mélangeur à une énergie de mélange de 120 000 J/m3. Les résultats de grosseur des gouttelettes obtenus dans l'émulsion monomodale obtenue sont présentés au tableau II.
TABLEAU II
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<tb>
<tb> NaOH <SEP> Ethylènediamine <SEP> Diamètre <SEP> moyen <SEP> des
<tb> (ppm) <SEP> (ppm) <SEP> gouttelettes <SEP> (jim)
<tb> Emulsion <SEP> A <SEP> 400 <SEP> 0 <SEP> > <SEP> 100
<tb> Emulsion <SEP> B <SEP> 0 <SEP> 7 <SEP> 000 <SEP> 47,8
<tb> Emulsion <SEP> C <SEP> 400 <SEP> 7 <SEP> 000 <SEP> 3,4
<tb>
On obtient une grosseur de gouttelettes plus petite, avec la même énergie de mélange, en utilisant la solution tampon contenant tant l'additif tampon que l'additif
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alcalin, que celle obtenue en utilisant une solution tampon qui contient l'un ou l'autre additif seul.
EXEMPLE 3
Cet exemple montre l'effet de l'énergie de mélange sur la formation de l'émulsion bimodale selon le procédé de la présente invention.
Les émulsions ont été préparées comme le décrit l'exemple 1, sauf qu'on a utilisé un mélangeur dynamique pour obtenir l'énergie de mélange souhaitée pour le mélange aux stades 1 et 2, comme le montre la figure 1. En tant que témoin, une émulsion bimodale a été préparée selon le brevet des Etats-Unis 4 776 977 en utilisant le même mélangeur. Les résultats sont présentés dans les figures 3 et 4.
Comme le montrent les figures 3 et 4, le procédé de la présente invention nécessite beaucoup moins d'énergie pour former une émulsion ayant une granulométrie semblable. Pour l'émulsion à petite grosseur de particules, le nouveau mode opératoire a nécessité 60 fois moins d'énergie que celle requise dans le procédé du brevet des Etats-Unis 4 776 977.
On a obtenu un résultat semblable dans la formation de l'émulsion à gouttes de grand diamètre en utilisant le procédé de l'art antérieur et le procédé de l'invention. Il a fallu plus de 10 fois plus d'énergie pour obtenir une émulsion ayant une grosseur moyenne de gouttelettes semblable en utilisant un agent tensioactif dans le procédé de l'art antérieur que dans le procédé de la présente invention.
EXEMPLE 4
Cet exemple montre l'effet de l'énergie de mélange sur le diamètre moyen des gouttelettes obtenu au stade 1 et au
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stade 2 pour la préparation d'une émulsion bimodale par le procédé de la présente invention.
Les émulsions ont été préparées comme dans l'exemple 1, en utilisant un mélangeur immobile Sulzer modèle SMX40, qui peut être modifié avec différents nombres d'éléments mélangeurs. Le nombre d'éléments mélangeurs dans le mélangeur immobile détermine l'énergie de mélange appliquée. Les résultats peuvent être observés dans les figures 5 et 6. On peut voir, dans le stade 1, qu'un mélangeur immobile capable de fournir une énergie de mélange d'environ 60 000 J/m3 a été nécessaire pour obtenir une grosseur de gouttelettes moyenne inférieure à 3 hum.
Dans le second stade, il a fallu une énergie de mélange inférieure à 300 000 J/m3 pour obtenir une seconde population ayant un diamètre moyen de gouttelettes inférieur à 30 m.
EXEMPLE 5
Cet exemple est inclus pour montrer la préparation d'une émulsion monomodale de bitume dans une solution tampon aqueuse en utilisant différentes amines.
Des émulsions monomodales ont été préparées comme dans l'exemple 1. La concentration d'amine a été réglée à 9 000 ppm, et on a ajouté 400 ppm de NaOH à la solution tampon. Le pH de la solution tampon était 11. Les résultats sont présentés au tableau III ci-dessous pour différents additifs tampons.
TABLEAU III
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<tb>
<tb> Additif <SEP> tampon <SEP> Diamètre <SEP> moyen <SEP> des <SEP> gouttelettes <SEP> (hum)
<tb> Ethylènediamine <SEP> 2,8
<tb> Ethylamine <SEP> 4,2
<tb> Propylamine <SEP> 3,8
<tb>
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Ethylamine + 4,1 éthylènediamine (1 : 1)
Les résultats montrent qu'on a pu obtenir une émulsion ayant des grosseurs de particules inférieures ou égales à 5 m avec le procédé de la présente invention en utilisant différents additifs tampons hydrosolubles.
EXEMPLE 6
Cet exemple montre l'effet de différents additifs alcalins sur la formation d'une émulsion monomodale.
Le mode opératoire décrit dans l'exemple 5 a été suivi.
On a préparé différentes solutions tampons en utilisant 9 000 ppm d'éthylènediamine, pH 11, et différents additifs alcalins. Les résultats sont présentés au tableau IV.
TABLEAU IV
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<tb>
<tb> Additif <SEP> Concentration <SEP> (ppm) <SEP> Diamètre <SEP> moyen <SEP> des
<tb> gouttelettes <SEP> (ym)
<tb> NaCI <SEP> 300 <SEP> 3, <SEP> 7
<tb> KOH <SEP> 400 <SEP> 3,2
<tb> NaOH <SEP> 400 <SEP> 2,8
<tb> Mg <SEP> (OH) <SEP> 2 <SEP> + <SEP> NaOH <SEP> 300 <SEP> + <SEP> 200 <SEP> 3,8
<tb> NH40H <SEP> 500 <SEP> 4,1
<tb>
Les résultats montrent qu'on a pu obtenir des émulsions ayant des granulométries inférieures ou égales à 5 m avec le procédé de la présente invention en utilisant différents additifs alcalins hydrosolubles en même temps que la solution tampon.