Les liquides poreux : un nouveau concept pour la séparation chimique

Porous liquids : a new way of chemical separation

• Auteur / Autrice : Justine Ben Ghozi-Bouvrande
• Direction : Stéphane Pellet-Rostaing, Sandrine Dourdain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Séparative, Matériaux et Procédés
• Date : Soutenance le 14/01/2022
• Etablissement(s) : Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Séparative de Marcoule - Institut de Chimie Séparative de Marcoule / ICSM - UMR 5257
• Jury : Président / Présidente : Peter Hesemann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Pellet-Rostaing, Sandrine Dourdain, Peter Hesemann, Margarida Costa Gomes, Cédric Boissière, Matthieu Gras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Margarida Costa Gomes, Cédric Boissière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extraction (chimie)

Composés organiques volatils

Silice

Nanoparticules

Mots clés libres

Liquides poreux

Nanomatériaux

Silice

Extraction de métaux

Sans

Porous liquids

Nanomaterials

Silica

Metal extraction

Sans

Résumé

Les composés organiques volatiles étant un problème environnemental majeur, des alternatives à l’extraction liquide-liquide qui utilisent des solvants en grande quantité sont au cœur des recherches. Les liquides poreux à base de silice sont un nouveau type de matériau liquide, original et versatile, composés de nanoparticules greffées par des fonctions ioniques. De par leur forte versatilité et leur volatilité nulle, ce type de liquide représente un candidat prometteur pour remplacer les phases organiques de l’extraction liquide-liquide. Après un état de l’art des différents types de liquides poreux, ce manuscrit de thèse décrit la synthèse d’un liquide poreux de type I et la caractérisation de ce matériau à toutes les étapes de sa synthèse. Cette étude visant à démontrer la possibilité d’utiliser les liquides poreux pour l’extraction de métaux, la perméabilité de ces matériaux aux gaz et à des solutions aqueuses a été étudiée par diffusion des neutrons aux petits angles. Grâce à une expérience in situ originale, il a été montré que toute la porosité n’est pas accessible aux gaz lorsque les nanosphères de silice sont greffées pour être rendues liquides. Néanmoins, une étude par variation de contraste a montré que les nanosphères solides et les liquides poreux sont perméables aux solutions aqueuses. Des premiers tests d’extraction ont permis de prouver que grâce à cette perméabilité, les matériaux peuvent extraire des cations comme le plomb ou l’uranium dans des proportions intéressantes et via des modes d’extraction différents. Ces travaux ont montré que l’extraction de métaux par des liquides poreux est possible et ouvert ce sujet à de nombreuses perspectives d’optimisation.

Organic volatile compounds are an important environmental stake. As liquid-liquid extraction is using huge quantities of organic solvents, finding an alternative process is the focus of many scientific research. Silica based porous liquids are made up with ionic functions grafted on silica nanoparticles. Thanks to their substantial versatility and low volatility, this type of porous liquid is considered in this thesis as a promising candidate to substitute organic phases of liquid-liquid extraction. After a state of the art describing the different types of porous liquids, this thesis describes the synthesis of the selected type I porous liquid and its complete characterization. Effect of several synthesis parameters on structure and porosity was also studied. In order to evaluate the possibility to use such porous liquid to extract metals, their permeability to gas and liquids was studied with small angles neutrons scattering. Thanks to an original in situ experiment coupling neutron scattering and contrast matching gas sorption, it was shown that porosity is not fully accessible to gas when the solid nanospheres are grafted to become liquid. However, a contrast matching study showed that both solid nanospheres and porous liquids are permeable to aqueous solutions. Preliminary extraction tests showed that thanks to this permeability, these materials are able to extract cations such as lead, lanthanum or uranium with interesting proportions. Different extraction mechanisms as sorption, precipitation or chelation on functional groups were obtained. This work shows that extraction of metal species by porous liquid is possible and opens many perspectives for optimization.