Composites hybrides minéral-organique innovants pour la rétention d'ions métalliques polluants

Innovative hybrid mineral-organic composites for the removal of polluting metal ions

• Auteur / Autrice : Amina Azzi
• Direction : Bénédicte Prelot, Christophe Drouet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 02/11/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier

Mots clés

Mots clés libres

Phosphates de calcim

Polymères chélatants

Adsorption de métaux

Calcium phosphates

Chelating polymers

Metal adsorption

Résumé

1- Contexte et objectif La dépollution d'effluents industriels contenant divers cations métalliques est une problématique majeure. La rétention par sorption est une approche clé mais nécessite des adsorbants performants pour la décontamination efficace et rapide de solutions multicomposantes. Dans ce contexte, l'approche originale que nous souhaitons développer consiste à élaborer des solides hybrides multifonctionnels combinant des polymères complexants et des supports phosphocalciques optimisés (stabilité, performances) pour répondre à un cahier des charges industriel. 2- Programme de la thèse L'objectif de cette thèse est de combiner les performances d'adsorbants minéraux et organiques en développant des systèmes hybrides minéral-organique. L'enjeu est d'associer les deux composantes pour développer des matériaux permettant une élimination efficiente des polluants visés (cinétiques de sorption rapides, sorption quantitativement élevée et plus ou moins sélective en fonction des effluents ciblés), tout en restant respectueux de l'environnement (procédé peu énergivore, composés bio-inspirés…). Nous associerons des phosphates de calcium apatitiques (spécialité du CIRIMAT) avec des copolymères chélatants en lien avec une étude physicochimique détaillée (spécialités de l'ICGM). Alors que la composante phosphocalcique conférera un support mécanique à l'ensemble ainsi qu'un réseau poreux visant à accroître la surface d'échange avec le milieu liquide, la composante polymère chélatante assurera la rétention des cations métalliques visant des cinétiques de dépollution effectives en mimant des conditions proches d'un usage industriel concret. L'association entre les composantes minérale et organique sera assurée via une approche par la fonctionnalisation des polymères par des groupements connus pour s'adsorber de manière efficace à la surface apatitique. Un défi sera d'arriver à combiner les deux composantes sans altérer leurs propriétés respectives, d'assurer la stabilité des hybrides et de maintenir une efficacité de rétention optimale des fonctions chélatantes sous la forme supportée. La mise en forme et le coût des matériaux hybrides devront également être optimisés. Les matériaux seront évalués sur l'ensemble des critères à envisager dans le procédé de dépollution, tout d'abord en termes de capacité et de cinétique de sorption, par calorimétrie ITC (Titration Calorimétrique Isotherme, spécialité de l'ICGM) notamment qui permettra d'identifier les matériaux les plus efficaces. Un premier défi concernera l'obtention d'une rétention efficace de différents ions métalliques. Le second verrou sera de démontrer la non-altération des performances du polymère sous forme supportée sur matrice phosphocalcique. Les matériaux hybrides seront caractérisés (avant et après sorption) par diverses techniques incluant DRX, IR/Raman, MEB et dosages chimiques. Nous explorerons enfin les possibilités de recyclage des adsorbants

1- Context and objectives The depollution of industrial wastewaters containing various metal cations is a major issue. Retention by sorption is a key approach but it requires performing adsorbents for the efficient and fast decontamination of multicomponent solutions. In this context, the original approach envisioned in this PhD work aims at elaborating hybrid multifunctional solids combining chelating polymers and optimized calcium phosphate substrates (stability, performances) to address actual industrial needs. 2- PhD program The objective of this PhD thesis is to combine the performances of mineral and organic absorbents by developing hybrid mineral-organic systems. The challenge is to associate the two components to develop materials allowing for the efficient elimination of target pollutants (fast sorption kinetics, high sorption amounts more or less selective versus the target wastewaters), while remaining environment-friendly (low-energy process, bio-inspired components ). We will associate apatitic calcium phosphates (expertise of the CIRIMAT lab) with chelating copolymers in link with a detailed physicochemical investigation (specialties of ICGM). While the calcium phosphate component will confer mechanical support to the whole system as well as a porous network aiming at increasing the contact surface with the surrounding liquid medium, the chelating polymer moiety will ensure the retention of metal cations, aiming effective depollution kinetics in conditions close to actual industrial use. The association between the mineral and organic components will be provided by functionalization of the polymers by functional groups known to adsorb efficiently on apatitic surfaces. A challenge will be to combine the two components without being deleterious to their respective properties, to ensure the stability of the hybrid materials and to maintain an optimal retention efficacy of the chelating organic functions in the supported form. The shaping and costs of the hybrid materials will also have to be optimized. The materials will be evaluated on all the criteria to envision in the depollution process, first in terms of sorption capacity and kinetics, especially via ITC calorimetry (Isothermal titration Calorimetry, expertise of ICGM) with the view to identify the most efficacious systems. A first challenge will be in obtaining an efficient retention of various metal cations. A second challenge will consist in demonstrating the non-alteration of the polymer performances once supported on a calcium phosphate matrix. The hybrid materials will be characterized (before and after sorption) by different techniques including XRD, IR/Raman, SEM and chemical titrations. We will then explore the possible recyclability of the sorbents.