Elaboration de nanoparticules de silicates de calcium hydratés en milieux fluides supercritiques

A supercritical water-based technology for calcium silicate hydrate nanoparticles production

• Auteur / Autrice : Valentina Musumeci
• Direction : Cyril Aymonier, Jorge Sánchez Dolado
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 31/03/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Universidad del País Vasco. Facultad de ciencias
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyril Aymonier, Jorge Sánchez Dolado, Mario Maglione, François Martin, Eddie Koenders, Silvia Arrese-Igor Irigoyen, Sabine Petit
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Martin, Eddie Koenders

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie chimique

Synthèse (chimie)

Composés inorganiques

Mots clés libres

Fluides supercritiques

Ciments

Silicates de calcium hydratés

Synthèse de nanoparticules

Déshydratation

Analyse du cycle de vie

Supercritical fluids

Cements

Calcium silicate hydrates

Nanoparticle synthesis

Dehydration

Life cycle assessment

Résumé

L'objectif principal du projet de thèse était de développer une méthode durable et extrapolable à l’échelle industrielle pour la synthèse de silicates de calcium hydratés, c’est à dire, la xonotlite et la tobermorite. Le principal avantage de cette méthodologie est lié à la cinétique de réaction ultra-rapide, qui permet la synthèse de ces phases minérales dans l'eau supercritique en quelques secondes seulement.Aussi, en plus des temps de synthèse très courts, les minéraux synthétiques sont caractérisés par une cristallinité et une pureté élevées, au contraire de leurs homologues naturels qui se trouvent souvent mélangés à d'autres phases ou impuretés. Grâce à cette propriété, la xonotlite et la tobermorite synthétiques peuvent être utilisées pour approfondir la structure des silicates de calcium hydratés, qui n’est pas encore complètement élucidée.Par la suite, la xonotlite et la tobermorite hautement cristallines ont été utilisées dans deux domaines d’application différents. Le premier est lié à l'utilisation des phases minérales sous forme de germes pour accélérer l’hydratation du ciment afin de développer une matrice cimentaire plus dense et plus résistante. La deuxième application considère l'utilisation de la xonotlite comme précurseur pour produire, suite à sa déshydratation, un autre silicate de calcium, la wollastonite.Enfin, dans le but d'élargir la production de minéraux synthétiques aux exigences industrielles, l’impact environnemental de cette méthodologie a été étudié par l’analyse du cycle de vie. Les impacts des paramètres les plus pertinents, tels que l'énergie, la nature et la concentration des précurseurs, ont été analysés pour permettre une optimisation éventuelle.

The main objective of the thesis project was to develop a sustainable and scalable manufacturing route for the synthesis of calcium silicate hydrate minerals, namely xonotlite and tobermorite. The main advantage of this methodology is related to the ultra-fast reaction kinetics, which allow the synthesis of these mineral phases in supercritical water in only few seconds.Furthermore, in addition to the boosted synthesis times, the synthetic minerals are characterised by high crystallinity and purity, rather than their natural counterparts that are often found mixed with other phases or impurities. Thanks to that property, synthetic xonotlite and tobermorite can be used to disclose some aspects of the calcium silicate hydrate structures, which are still not fully elucidated.Afterwards, the high crystalline xonotlite and tobermorite were employed in two different fields. The first one is related to the use of the mineral phases as nanoseeds for accelerating the early-stage hydration of cement to develop a denser and resistant cement matrix. Instead, the second one regards the use of xonotlite as pristine material to produce upon dehydration a calcium silicate phase, wollastonite.With the aim of expanding the synthetic mineral production towards industrial requirements, the environmental profile of this methodology was analysed by life cycle assessment analysis. The impacts of the most relevant parameters, as energy, nature and concentration of precursors, were analysed to identify where possible optimization can be realised to enhance the attractiveness of the supercritical fluid technology as an environmentally sustainable synthesis methodology.