Transfert ionique à travers une interface liquide-liquide d'une solution biphasique aqueuse

Ion transfer across a liquid-liquid interface in an aqueous two-phase solution

• Auteur / Autrice : Bastien Lebreux
• Direction : Marie Plazanet, Elise Lorenceau
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MODI : Matière molle: organisation, dynamique et interfaces

Mots clés

Mots clés libres

Extraction Liquide-Liquide

Microfluidique

Transfert ionique

Diffusion de neutron aux petits angles

Liquid-Liquid Extraction

Microfluidic

Ionic Transfert

Small Angle Neutron Scattering

Résumé

Recycler sans polluer est l'un des plus grands défis auxquels la chimie est confrontée aujourd'hui. En ce qui concerne les métaux, le recyclage implique des processus d'extraction liquide-liquide très polluants, ce qui nécessite des systèmes innovants dans ce domaine. Le développement récent de systèmes biphasés aqueux acides pour l'extraction lors d'une séparation de phase induite par la température a ouvert de nouvelles perspectives dans ce domaine. Le système que nous étudions ici est un mélange de liquide ionique, d'eau et d'acide fort, avec une température de séparation de phase supérieure à la température ambiante de quelques dizaines de degrés. Il a une température critique de solution 'inférieure', ce qui signifie qu'il est monophasique à température ambiante et qu'il se sépare en phase lorsqu'il est chauffé. Les ions métalliques peuvent être dissous grâce à l'acidité de la solution et migrer dans le mélange biphasique vers leur phase préférée en fonction de leurs propriétés de complexation. Pour une exploitation plus poussée de cette famille de mélanges, plusieurs aspects doivent être abordés, en particulier comprendre le processus de nucléation à l'origine de la séparation des phases, ainsi que les processus de diffusion des ions métalliques à travers l'interface. En outre, pour répondre aux questions spécifiques liées à une utilisation industrielle optimisée, la diffusion doit être caractérisée en conditions d'écoulement. Répondre à ces questions est l'objectif de la thèse proposée. Plusieurs systèmes seront également étudiés afin de distinguer les différents mécanismes sous-jacents à la séparation de phase lors de l'augmentation de la température dans les mélanges, en pratique des solutions moléculaires, polymériques, ioniques ou neutres. Le dispositif microfluidique devra être optimisée en termes de matériaux, de géométrie, de gradients de température et de rugosité de surface. L'instrumentation sera développée afin de pouvoir caractériser le profil de concentration à travers le canal, en utilisant des spectroscopies d'absorption UV/Vis ou de rayons X adaptées à la configuration microfluidique. Les profils de concentration, la structure de l'interface liquide-liquide et les instabilités seront caractérisés. Le transfert de masse ionique optimal sous flux sera ensuite déterminé

Recycling without polluting is one of the biggest challenges that chemistry faces today. Regarding metals, recycling involves highly polluting liquid-liquid extraction processes, thus requiring innovative systems in this field. The recent development of acidic aqueous two-phase systems for extraction during phase separation induced by temperature variation has opened up new perspectives in this direction. The system that we are currently investigating is a mixture of ionic liquid, water and strong acid, with a phase separation temperature higher than room temperature by a few tens of degree. It has a Lower Solution Critical Temperature, meaning that it is monophasic at room temperature and phase separates upon heating. Metallic ions can be dissolved thanks to the solution acidity, and migrate in the biphasic mixture to their preferred phase according to their own complexation properties. For a further exploitation of this family of mixtures, several aspects should be addressed, in particular understand the nucleation process driving the phase separation, as well as the diffusion processes of metallic ions through the interface. Moreover, to address specific questions related to an optimized industrial use, the diffusion has to be characterized under flow. Answering these questions is the goal of the proposed PhD. Several systems will also be investigated in order to distinghuish the different mechanisms underlying the phase separation upon temperature rise in the mixtures, i.e. molecular, polymeric, ionic or neutral mixtures. The microfluidic setup will have to be optimized, in terms of materials, geometry, temperature gradients and surface roughness. Instrumentation will be developed in order to be able to characterize the concentration profile through the flow, using UV/Vis or X-ray absorption spectroscopies adapted to the microfluidic setup. Concentration profiles, liquid-liquid interface structure and instabilities will be characterized. The optimimal ionic mass transfer under flow will then be determined.