Extraction liquide-liquide réactive en microsystèmes à écoulement segmenté

Reactive liquid-liquid extraction in segmented flows in microsystems

• Auteur / Autrice : Axel Vansteene
• Direction : Clarisse Mariet, Gérard Cote
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance le 19/11/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service d'études analytiques et de réactivité des surfaces (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Charles Baroud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Simonin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Berthon, Jean-Baptiste Salmon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de masse

Hydrodynamique

Cinétique chimique

Extraction liquide-liquide

Uranium

Extraction (chimie)

Mots clés libres

Uranium

Europium

Hydrodynamique

Simulation

Cinétique

Goutte

Uranium

Europium

Hydrodynamics

CFD

Kinetics

Droplets

Résumé

La miniaturisation des systèmes d’extraction liquide-liquide est étudiée pour des applications au service de la R&D concernant le criblage de nouveaux extractants et l’optimisation des paramètres (température, pH, concentrations) de procédés d’extraction. L’objectif de cette thèse est de comprendre et modéliser le transfert de masse associé aux réactions d’extraction liquide-liquide réactives en microsystèmes à écoulement segmenté. Grâce aux propriétés de la microfluidique, la consommation de réactifs est réduite, les aires interfaciales connues et ajustables et la composante diffusionnelle du transfert de masse peut être minimisée. L’hydrodynamique des écoulements segmentés a été étudiée et a permis de déterminer des cartographies de référence pour les jonctions en T et en croix pour les deux systèmes d’extraction liquide-liquide sélectionnés, à savoir le système Eu(III) en milieu [HNO3] = 4 mol.L-1/N,N'-dimethyl-N,N'-dibutyl-2-tetradecylmalonamide (DMDBDTMA), et l’U(VI) en milieu [HCl]= 5 mol.L-1/chlorure de tri-n-octylméthylammonium (Aliquat 336) aboutissant à la proposition et à la validation d’un modèle empirique prédictif en régime d’égouttement permettant de maximiser l’aire interfaciale spécifique. L’étude du transfert de masse pour le système Eu(III)/DMDBTDMA en jonction en T a conduit à la définition d’un nouveau modèle analytique et numérique appliqué à la mise en place d’un procédé innovant de détermination du coefficient chimique kf d’une réaction d’extraction liquide-liquide réactive en régime diffusionnel ou chimique en microsystèmes à écoulement segmenté, d’une part; et d’un procédé de dimensionnement des microsystèmes, d’autre part.

The intensification of liquid-liquid extraction systems has been studied for the screening of new extractants and the optimization of the parameters governing extraction processes (temperature, pH, and concentrations). The aim of this PhD is to understand and develop a model of mass transfer associated to reactive liquid-liquid extraction processes in segmented flow microsystems. Thanks to microfluidic properties, the consumption of reactants is reduced, the specific interfacial area is monitorable, and the diffusive resistance to mass transfer can be minimized. The hydrodynamics of segmented flows were first studied and allowed the determination of reference cartographies for T and cross junctions for two liquid-liquid extraction chemical systems, Eu(III) in [HNO3] = 4 mol.L-1/N,N'-dimethyl-N,N'-dibutyl-2-tetradecylmalonamide (DMDBTDMA) and U(VI) in [HCl]= 5 mol.L-1/tri-n-octylmethylammonium chloride (Aliquat® 336), leading to the proposal and validation of a predictive model in the dripping regime, hence allowing the determination and maximization of the specific interfacial area. Consequently, the study of mass transfer for the Eu(III)/DMDBTDMA system in T junctions lead to the definition of both a new analytical and numerical model for segmented flow in microsystems ensuring a proper description of interfacial kinetics. The numerical model was applied to the implementation of an innovative process for the determination of the liquid-liquid extraction reaction coefficient kf in segmented flow microsystems in both chemical and diffusional regime, on one side, and to the implementation of a process for micro-chip prototyping on the other side.