Étude de revêtements élaborés par le procédé sol-gel sur des surfaces métalliques pour des applications antitartres

Study of sol-gel coatings on metallic surfaces for anti-scaling applications

• Auteur / Autrice : Soumaya Nouigues
• Direction : Hubert Perrot, Christel Laberty-Robert, Hélène Cheap-Charpentier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 24/09/2024
• 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 : Laboratoire Interfaces et systèmes électrochimiques (Paris ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Carrier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Muhr, Sabrina Joly Marcelin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Incrustations (dépôts)

Carbonate de calcium

Microbalances

Sol-gel, Procédé

Mots clés libres

Antitartre

Inhibiteur de tartre

Revêtement hybride

Sol-gel

Microbalance à cristal de quartz

Entartrage

Anti-scaling

Scale inhibitor

Hybrid coating

Sol-gel

Quartz crystal microbalance

Scaling

Résumé

Ce projet concerne le développement de différents revêtements hybrides (organiques-inorganiques) fonctionnalisés, élaborés par le procédé sol-gel, pour lutter contre l'entartrage, un problème majeur causé par la précipitation de minéraux, principalement le carbonate de calcium (CaCO3). Contrairement aux méthodes classiques basées sur l'ajout de molécules antitartres dans l'eau, ces revêtements offrent une solution durable en inhibant directement la formation du tartre à la surface d'un matériau. Les performances antitartres de ces films ont été évaluées avec précision grâce à un ensemble d'outils basés sur la microbalance à cristal de quartz (QCM), une technique très sensible capable de détecter les faibles masses déposées à la surface d'un résonateur à quartz. Les résultats ont montré une amélioration significative des performances antitartres des surfaces revêtues par rapport aux surfaces métalliques nues. L'influence de l'hydrophobicité sur l'inhibition du tartre a été étudiée en utilisant des réactifs et des précurseurs plus hydrophobes pour la synthèse des revêtements. Les résultats ont confirmé le rôle important de ce paramètre dans la lutte contre l'entartrage, démontrant que le film le plus hydrophobe présentait les meilleures performances antitartres. Enfin, les propriétés antitartres de films hybrides ont été étudiées, après avoir été imprégnés d'un inhibiteur, l'acide diéthylènetriamine-pentaméthylène phosphonique (DTPMPA). Cette stratégie a permis d'obtenir une inhibition totale de la formation de CaCO3 avec une valeur de l'énergie de formation du tartre, estimée par QCM, très élevée. Ce résultat a montré le potentiel prometteur de ces revêtements comme une alternative durable aux méthodes classiques d'inhibition du tartre, offrant une protection totale de la surface tout en préservant la qualité de l'eau.

This project is focused on the development of functionalized hybrid coatings (organic-inorganic) prepared by the sol-gel process for antiscaling applications. Scale, a major issue caused by mineral precipitation, mainly the calcium carbonate (CaCO3), poses significant problems in various industries. These coatings offer a durable solution by directly inhibiting scale formation on the surface, unlike conventional scale inhibition methods that involve the addition of antiscalants directly into water. The antiscaling performance of these films was accurately assessed using a set of tools based on the quartz crystal microbalance (QCM), a highly sensitive technique to detect small masses of deposits on the surface. The results demonstrated a significant improvement in the antiscaling efficiency of coated surfaces compared to uncoated surfaces. The influence of the hydrophobicity on scale inhibition was investigated by using more hydrophobic reagents and precursors for coating elaboration. The results confirmed the fundamental role of this parameter in the scaling process, as the most hydrophobic film exhibited the best anti-scaling performance. The final phase of the project involved studying the antiscaling properties of hybrid coatings impregnated with an inhibitor, diethylenetriamine pentamethylene phosphonic acid (DTPMPA). This strategy successfully achieved total inhibition of CaCO3 formation on the surface, as the energy of scale formation, estimated through QCM measurements, showed the highest value. This outcome highlighted the great potential of these coatings as a sustainable alternative to conventional scale inhibition methods, allowing total inhibition of scaling without compromising water quality.