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Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8)
Edition 2012


ILLA


Interfaces liquide-liquide actives

Interfaces liquide-liquide actives
Le projet ILLA regroupe trois équipes complémentaires pour étudier en synergie les interfaces liquide / liquide «LL« impliquées dans l'extraction LL d'ions. Ce processus biphasique est à la base d'applications hydrométallurgiques de la plus haute importance, comme l'extraction d'ions métalliques ou le recyclage de métaux critiques. En couplant des expériences spécifiques de surface et des simulations moléculaires, nous étudions les caractéristiques physico-chimiques de ces interfaces.

sonder une interface enfouie et fluide à l'échelle nanométrique
ILLA est un projet fondamental combinant pour la première fois la synthèse d'un agent d'extraction de référence, la spectroscopie optique non linéaire (SHG), des mesures de tension interfaciale, des mesures de reflectivité et les simulations sur des systèmes liquide/liquide biphasique. Au-delà des études sur les interfaces planes et courbes «statiques» nous allons étudier des interfaces LL «en action», c'est à dire suivre la cinétique et la signature spectroscopique des procédés d'extraction en plusieurs étapes. Ces études impliquent des développements expérimentaux et théoriques. Les résultats devraient servir de base pour mieux comprendre le mécanisme d'extraction, pour améliorer l'efficacité et la cinétique des processus existants et en développer de nouveaux.

reflectivité RX et neutron, génération d'harmonique de seconde génération
La partie expérimentale du projet ILLA est différente et innovante, car elle va coupler deux des méthodes expérimentales, l'une spécifique à l'interface (génération de second harmonique - SHG) et l'autre plus classique qui concerne les propriétés fondamentales de la physique des interfaces liquides, la tension interfaciale. La tension interfaciale reflétera la concentration interfaciale moyenne des espèces et sa variation dans le temps, tandis que la SHG va refléter l'orientation et la dynamique des espèces d'interface. L'interprétation des deux séries de résultats est généralement basée sur des modèles physique ad hoc, sans fournir une image microscopique de l'interface au niveau moléculaire. Cependant un aspect important de la proposition ILLA est d'obtenir des images plus réalistes des interfaces étudiées en présence des différents partenaires impliqués dans le transfert d'ions assistée en utilisant les simulations obtenues par dynamique moléculaire.

Résultats

A l'ICSM, la priorité s’est portée sur le montage d’un banc expérimental d’optique non linéaire (SHG) avec un financement à 90% en interne CEA (budget prévu de longue date).
Concernant l’équipe de l’ILM, nous nous sommes focalisés sur la mise en place du montage expérimental devant permettre le couplage des mesures optiques SHG avec les mesures de tension de surface.
Concernant l’équipe du MSM, un premier travail important de dynamique moléculaire sur des systèmes biphasiques impliquant un ligand de type amide envers de l’extraction d’uranyle et de l’Europium vient d’être publié dans JPC-B.

Perspectives

converger vers un système commun «observable« et quantifiable par chacune des équipes

Productions scientifiques et brevets

1. E. Scoppola et al, Angewandte Chemie-International Edition, 55 (2016) 9326-9330.
2. T.T. Pham et al, J. Phys. Chem C, submitted, (dec 2016).
3. G. Benay, G. Wipff,New Journal of Chemistry, 40 (2016) 2102-2114.
4. G. Benay, G. Wipff, New Journal of Chemistry, 40 (2016) 4662-4671.
5. N. Sieffert, G. Wipff, Dalton Transactions, 44 (2015) 2623-2638.
6. E. Scoppola et al, Physical Chemistry Chemical Physics, 17 (2015) 15093-15097.
7. A.Maurice et al, in: S.C. Hayes, E.R. Bittner (Eds.) Physical Chemistry of Interfaces and Nanomaterials Xiv2015.
8. P.M. Gassin et al, Langmuir, 31 (2015) 2297-2303.
9. P.M. Gassin et al, Journal of Physical Chemistry C, 118 (2014) 1135-1141.
10. G. Ferru et al,Angewandte Chemie-International Edition, 53 (2014) 5346-5350.
11. E. Benichou et al, in: C.E. Tabor, F. Kajzar, T. Kaino, Y. Koike (Eds.) Organic Photonic Materials and Devices Xvi2014.
12. G. Benay, G. Wipff, Journal of Physical Chemistry B, 118 (2014) 13913-13929.
13. G. Benay, G. Wipff, Journal of Physical Chemistry B, 118 (2014) 3133-3149.
14. P.M. Gassin et al, Colloids and Surfaces a-Physicochemical and Engineering Aspects, 436 (2013) 1103-1110.
15. G. Benay, G. Wipff, Journal of Physical Chemistry B, 117 (2013) 7399-7415.
16. A. Maurice et al, Proc. SPIE, 9171 (2014) 91710S
17. A. Maurice et al, Proc. SPIE, 9549 (2015) 95490Z
18. A. Maurice et al, Proc. SPIE, 9549 (2015) 954918
19. N. Khebbache et al, ACS Photonics (2017), http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.6b00520

Partenaires

ICSM Institut de Chimie Séparative de Marcoule

LASIM-UCB Laboratoire de Spectrométrie Ionique et Moléculaire UMR 5579

MSM - UNISTRA Modélisation et Simulations Moléculaires UMR 7177

Aide de l'ANR 431 989 euros
Début et durée du projet scientifique février 2013 - 42 mois

Résumé de soumission

Le projet ILLA rassemble trois équipes étudiant par des approches complémentaires des interfaces liquide/liquide mises en jeu lors de la séparation d'ions métalliques par extraction liquid-liquide (transfert sélectif de l'eau vers "l'huile", effectué par des molécules extractantes hydrophobes). Ce processus est à la base de la séparation d'ions métalliques "précieux", parfois polluants, d'intérêts industriels, sociétaux et écologiques majeurs. En combinant des expériences spécifiques de surface et la simulation moléculaire, on étudie les caractéristiques des interfaces LL (taille, polarité, intermiscibilité, dynamique) ainsi que la concentration et l'orientation d'espèces "adsorbées" (extractants, complexes, …), en suivant quatre tâches bien définies. En se focalisant sur le cas des ions lanthanides Ln3+ extraits par des diamides hydrophobes ou des ligands azotés, nous nous proposons ainsi de décrire au niveau moléculaire les différentes étapes-clé de l'extraction à l'interface ainsi que la nature et la solvatation des espèces extraites dans "l'huile".
ILLA est un projet fondamental mettant en œuvre, pour la première fois, optique non linéaire couplée à des mesures de tension de surface, synthèse de molécules extractantes chromophores comme sonde de l’interface, et simulations de dynamique moléculaire. Au-delà des interfaces planes ou courbes "au repos" (par ex. avec des sels de lanthanide seuls, ou les extractants seuls), on étudiera les interfaces "en activité", c.à.d. leur évolution temporelle lors de complexation et de transfert d'ions, permettant de suivre la cinétique des processus élémentaires à l'interface. Les études expérimentales et les simulations sont loin d'être routinières, mais faisables. Les résultats permettront de mieux comprendre ce qui se passe à l'interface, et ainsi d'améliorer la cinétique et la performance de systèmes existants, voire d'en développer de nouveaux. Les développements méthodologiques (e.g. prédiction et interprétation du signal SHG, dispositifs expérimentaux) devront aussi permettre d'étudier d'autres interfaces, comme en catalyse biphasique.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8) 2012

Référence projet : ANR-12-BS08-0021

Coordinateur du projet :
Monsieur Olivier Diat (Institut de Chimie Séparative de Marcoule)
olivier.diat@nullcea.fr

Site internet du projet : http://www.icsm.fr/anr.html

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.