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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13361 (2023) Citer cet article

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La concentration micellaire critique (CMC) est l'une des principales propriétés physico-chimiques des agents tensioactifs, également appelés tensioactifs, avec diverses applications théoriques et industrielles. Elle est influencée par des paramètres fondamentaux tels que la température, le pH, la salinité et la structure chimique des tensioactifs. La plupart des études n'ont estimé la CMC que dans des conditions fixes, sur la base des paramètres chimiques du tensioactif. Dans la présente étude, nous avions pour objectif de développer un ensemble de modèles nouveaux et applicables pour estimer la CMC de tensioactifs anioniques bien connus en considérant à la fois les propriétés moléculaires des tensioactifs et les facteurs fondamentaux tels que la salinité, le pH et la température comme paramètres de modélisation. Nous avons utilisé la technique de relation de propriété quantitative-structurelle pour utiliser les paramètres moléculaires des ions tensioactifs. Nous avons collecté 488 valeurs CMC dans la littérature pour 111 tensioactifs anioniques à base de sodium, notamment les types de sulfate, le sulfonate, le sulfonate de benzène, le sulfosuccinate et le sulfate de polyoxyéthylène. Nous avons calculé 1 410 descripteurs moléculaires optimisés pour chaque tensioactif à l'aide du logiciel Dragon à utiliser dans les processus de modélisation. La méthode de remplacement améliorée a été utilisée pour sélectionner les descripteurs les plus efficaces pour le CMC. Un modèle linéaire multivarié et deux modèles non linéaires sont les résultats de la présente étude. Les modèles non linéaires ont été produits à l’aide de deux approches robustes d’apprentissage automatique, les arbres d’amplification du gradient stochastique (SGB) et la programmation génétique (GP). L'évaluation statistique a montré une précision hautement applicable et acceptable des modèles nouvellement développés (RSGB2 = 0,999395 et RGP2 = 0,954946). Les résultats finaux ont montré la supériorité et la plus grande capacité de la méthode SGB à faire des prédictions fiables.

Les applications industrielles des solutions tensioactives démontrent l’importance croissante de ces systèmes dans la vie quotidienne1. Les tensioactifs sont utilisés dans diverses industries, notamment la récupération assistée du pétrole (EOR)2, les nettoyants et détergents3,4, les émulsifiants et les agents dispersants5, les aliments6, les revêtements7 et de nombreux autres procédés chimiques, pétroliers et pharmaceutiques1.

Les tensioactifs sont des composés amphiphiles constitués de parties hydrophiles (tête polaire) et hydrophobes (queue non polaire). En raison de cette structure unique, les tensioactifs ont tendance à s’accumuler à la surface des solutions telles que l’eau ou la saumure. Une fois la surface saturée de molécules tensioactives, les particules restantes s’accumulent dans la masse et forment des micelles8.

Parmi les différents types de tensioactifs, les tensioactifs anioniques sont connus pour leurs propriétés moussantes élevées, et certaines industries telles que l'EOR chimique (CEOR), les détergents et les nettoyants, les utilisent souvent dans des applications spécifiques. Dans la présente étude, nous avons étudié plusieurs tensioactifs anioniques pour mieux comprendre leur comportement et leurs propriétés.

La concentration micellaire critique (CMC) est une propriété importante des tensioactifs qui a été étudiée dans de nombreuses études théoriques et expérimentales. La CMC est définie comme la concentration maximale d'un tensioactif à laquelle les micelles ne se forment pas ou la concentration à laquelle les micelles commencent à se former8,9.

À des concentrations supérieures à la CMC, la solution est considérée comme micellaire et présente un comportement différent d'une solution diluée (par exemple, une solution dont la concentration est inférieure à la CMC). D'un point de vue industriel et économique, l'exploitation des systèmes de tensioactifs au CMC se traduit souvent par des gains d'efficacité spécifiques. De plus, plusieurs études théoriques et thermodynamiques ont été réalisées pour estimer diverses propriétés des systèmes tensioactifs sur la base des mêmes propriétés au CMC. Un bon exemple dans ce domaine est l’estimation de la tension superficielle d’une solution de tensioactif à partir de l’excès de concentration superficielle au CMC8,9. La CMC constitue un moyen simple d’évaluer le comportement des solutés tensioactifs sur les surfaces et les colloïdes, ce qui en fait un outil précieux pour évaluer leurs applications industrielles et pharmaceutiques potentielles10,11. Dans certaines situations, il est souhaitable que les tensioactifs aient une faible CMC, par exemple lorsqu'ils sont utilisés pour dissoudre des médicaments hydrophobes dans des noyaux micellaires avec des quantités minimales de tensioactifs10,12. De plus, dans des applications telles que le moussage, le mouillage et le nettoyage de surfaces dures, où une faible tension superficielle du produit est souvent souhaitée, les micelles agissent comme des réservoirs de tensioactifs au-dessus de la CMC, permettant une dilution du produit sans changements significatifs dans la tension superficielle. D'autre part, dans des cas tels que l'extraction de protéines membranaires, une CMC élevée est préférée puisque l'efficacité de l'extraction se situe généralement à environ quatre fois la CMC du tensioactif en raison de l'auto-association .