Etude de la synthèse de composites liquides organiques/géopolymère en vue du conditionnement de déchets nucléaires

Synthesis of organic liquids/geopolymer composites for the immobilization of nuclear wastes

• Auteur / Autrice : Vincent Cantarel
• Direction : Fabrice Leroux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie, Science des Matériaux
• Date : Soutenance le 07/10/2016
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme ; 2012-....) - Institut de Chimie de Clermont-Ferrand - Clermont Auvergne / ICCF
• Jury : Président / Présidente : Véronique Schmitt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Leroux, Guillaume Renaudin, David Lambertin, Muriel Firon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Michot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géopolymères

Déchets radioactifs

Mots clés libres

Géopolymère

Émulsion

Composite

Structuration

Geopolymer

Emulsion

Composite

Structuration

Résumé

Ce travail s’inscrit dans le cadre du conditionnement de liquides organiques radioactifs sans filière de gestion. Le procédé est basé sur une émulsification de liquide organique dans un silicate alcalin permettant la synthèse d’une matrice géopolymère. La première partie de ce travail consiste à effectuer un criblage sur différents liquides organiques. Un système modèle représentatif des différentes huiles et une formulation de référence de géopolymère sont définis. La seconde partie porte sur la structuration des enrobés de liquide organique, du mélange des réactifs jusqu’à l’obtention du matériau final, et vise à déterminer les phénomènes permettant la synthèse d’un composite homogène. Les deux dernières parties visent à caractériser le matériau en étudiant respectivement sa structure (structure chimique, porosité du géopolymère et dispersion de l’huile) et ses propriétés vis-à-vis de l’application à l’immobilisation de déchets radioactifs. Contrairement aux matrices cimentaires silico-calciques, la structuration du géopolymère n’est pas impactée par la nature chimique des liquides organiques. Seules les huiles acides inhibent ou freinent la réaction de géopolymérisation. Afin d’obtenir un matériau homogène la présence de molécules tensio-actives est obligatoire. Le mécanisme de stabilisation des émulsions, à la base du procédé, repose sur une synergie entre les molécules tensio-actives et les particules d’aluminosilicates présentes dans la pâte de géopolymère. Les cinétiques (chimique et mécanique) de la géopolymérisation ne sont pas impactées par la présence d’huile ou de tensio-actifs. Seule une augmentation des modules viscoélastiques et du caractère élastique des pâtes peut être constaté. Cette différence de comportement rhéologique est en majeure partie liée à la présence de tensio-actif. La structure de la matrice est identique à celle d’un géopolymère pur de même formulation. Le liquide organique est dispersé dans des inclusions sphériques dont le rayon est compris entre 5 et 15 μm. Ces gouttelettes sont séparées les unes des autres, et de l’environnement par le réseau mésoporal du géopolymère. Les propriétés mécaniques et de lixiviation ont aussi été évaluées.

This work is included in the management of radioactive organic liquids research field. The process is based on an emulsification of organic liquid in an alkali silicate solution allowing the synthesis of a geopolymer matrix. The first part of this work consists in carrying out a screening on different organic liquids. A model system representative of the various oils and a geopolymer reference formulation are then defined. The second part deals with the structuration of the organic liquid/geopolymer structuration, from the mixture of the reactants to the final material. It aims at determining the phenomena allowing the synthesis of a homogeneous composite. The last two parts aim at characterizing the composite by studying its structure (chemical structure, porosity of the geopolymer and dispersion of the oil) and its properties with respect to the application to the immobilization of radioactive waste. Unlike calcium silicate-based cementitious matrices, the structure of the geopolymer is not affected by the chemical nature of the organic liquids. Only acid oils inhibit or slow down the geopolymerization reaction. In order to obtain a homogeneous material, the presence of surfactant molecules is necessary. The emulsion stabilization mechanism at the base of the process is relying on a synergy between the surfactant molecules and the aluminosilicate particles present in the geopolymer paste. The kinetics (chemical and mechanical) of the geopolymerization are not impacted by the presence of oil or surfactants. Only an increase in the viscoelastic moduli and the elastic character of the pastes can be observed. This difference in rheological behavior is mainly due to the presence of surfactant. The structure of the matrix is identical to that of a pure geopolymer of the same formulation. The organic liquid is dispersed in spherical inclusions whose radius is between 5 and 15 μm. These droplets are separated from each other, and from the environment by the mesoporous network of the geopolymer. Mechanical and leaching properties were also evaluated.