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Chimie Durable, produits, procédés associés (DS0304)
Edition 2015


DYNAMISTE


Dynamique de fluides Alumino-Silicatés

DYNAMISTE : Dynamique des Fluides Aluminosilicatés
DYNAMISTE vise à développer des outils expérimentaux et théoriques pour optimiser les procédés industriels impliquant des solutions alcalines d'aluminosilicates dans une optique de développer une industrie durable et propre. Ce projet regroupe l'Institut de Chimie Séparative de Marcoule, un département du CEA Marcoule pour le retraitement et le conditionnement des déchets et le Laboratoire Charles Coulomb (Université Montpellier), en collaboration avec l’industriel allemand Wöllner GmbH & Co.KG.

Développement d’outils expérimentaux et théoriques pour l’optimisation de procédés industriels impliquant des solutions d’aluminosilicates, et plus particulièrement pour la stabilisation des sols
DYNAMISTE est un projet de recherche fondamentale ayant pour objectif le développement d’outils expérimentaux et théoriques afin d’optimiser les procédés industriels dans lesquels sont impliquées les solutions d’aluminosilicates, comme la liquéfaction de la céramique, les liants pour les peintures minérales, les mortiers réfractaires ou la stabilisation des sols, entre autres, dans une optique de développement d’industries propres.
Grâce à leur adaptabilité environnementale, les solutions d’aluminosilicates sont de plus en plus utilisés. Au cours des dix dernières années, l’utilisation des solutions alcalines de silicate a connu un essor croissant en tant que liants inorganiques à base d’eau, et également en tant que matériaux écologiques pour la construction. Plus particulièrement, au cours des deux dernières années, les solutions alcalines de silicates sont devenues de plus en plus importantes pour les applications dans lesquelles sont impliquées les géopolymères, constituants essentiels de la chimie verte. Une autre application importante est l’utilisation des gels d’aluminosilicates pour la stabilisation des sols comme barrière étanche afin d’éviter la contamination des nappes phréatiques lors des chantiers. Bien que ces solutions soient de plus en plus utilisées dans l’industrie, un certain nombre de questions reste en suspens concernant leur stabilité, et plus précisément concernant le processus de gélification, ce processus dépendant des paramètres de formulation. Il est donc essentiel de fournir une description claire et réaliste de ces fluides pendant le processus de gélification qui reste assez méconnu et doit être confirmé tant d’un point de vue expérimental que théorique.

Approche synergétique multi-échelle couplant des méthodes expérimentales et théoriques
Ce projet repose sur une approche synergétique couplant des méthodes expérimentales et théoriques. Afin d’accéder à tous les phénomènes spatio temporels de ces systèmes, la partie expérimentale de ce projet repose sur (i) des études basées sur des techniques de rhéologie couplées à des techniques de diffusion : Dynamic light scattering (DLS), small et wide angle x-ray et (ou) neutron scattering et diffraction (SWAXS, SANS et XRD) et (ii) une approche multi-échelle par RMN (de l’Å à quelques dizaines de µm). Dans le même temps, la partie théorique est basée sur une approche multi-échelle couplant des simulations de dynamique moléculaire (au niveau microscopique) à des simulations gros grains (à l’échelle mésoscopique), ce qui permet d’accéder aux propriétés structurales et dynamiques de ces fluides.

Résultats

La caractérisation des solutions de départ (teneur en alcalin, silicates d’alcalin et aluminates de sodium) a été menée par des techniques de diffusion des rayons X (WAXS) et par spectroscopie RAMAN. Une étude par spectrocolorimétrie UV-Visible a été mise en place pour doser la teneur en hydroxyde libre en fonction des paramètres de formulation et en particulier la teneur en alcalin. Les résultats montrent que la dépolymérisation des silicates est d’autant plus importante que la teneur en alcalin est élevée et par conséquent deviennent plus réactifs vis-à-vis de la solution d’aluminate. Parallèlement, les cinétiques de gélification ont été étudiées par rhéologie et par SAXS sur Synchrotron. Les résultats montrent que la cinétique réactionnelle est très rapide. De plus, des études par rhéologie sur l’influence de la teneur en aluminium et de la température ont montré que la cinétique était rapide et la force du réseau plus élevée lorsque la teneur en aluminium augmentait. La température quant à elle ne fait que modifier le temps de prise du gel sans impacter la structure et la force du réseau formé.
Parallèlement, des simulations de dynamique moléculaire classique ont été effectuées sur des solutions aqueuses d’hydroxyde d’alcalin (Li+, Na+, K+ et Cs+) à différentes concentrations. Nous avons ainsi calculé les spectres SAXS théoriques et comparé aux résultats expérimentaux pour NaOH. Cette étude a permis de valider le champ de force polarisable utilisé pour décrire les ions OH- par dynamique moléculaire classique. Parallèlement, des simulations de solutions contenant différents oligomères de silice (SiOH4, SiO(OH)3- et Si2O(OH)5-) à différentes concentrations sont actuellement en cours. Les premiers résultats montrent que les oligomères présents en solution ont tendance à former des agrégats de différentes tailles semblables à ce qui est observé expérimentalement, et ce uniquement par liaisons ioniques et interactions de van der Waals.

Perspectives

Suite aux études menées expérimentalement sur les cinétiques de gélification par rhéologie et par SAXS sur Synchrotron, nous envisageons d’étudier l’impact de la teneur en aluminium et la nature de l’alcalin sur la cinétique et la structure des gels formés à l’échelle mésoscopique par SAXS. Pour cela, une campagne SAXS au Synchrotron Soleil est en cours. Parallèlement, les premières études de RMN multi-échelle qui sont actuellement en cours, devraient nous permettre d’obtenir des informations concernant la nature des interactions mises en jeu entre les espèces présentes en solution et l’effet de la température sur la stabilité des solutions.
D’un point de vue théorique, afin de mieux comprendre l’influence de la nature de l’alcalin sur la structure des solutions, nous nous intéresserons au calcul et à la comparaison des spectres SAXS théoriques obtenus par simulations de dynamique moléculaire pour des solutions de KOH et CsOH. De plus, afin de quantifier la proportion des différents agrégats de silicates observés en solution par dynamique moléculaire, nous envisageons de prédire les spectres de RMN à partir de nos simulations et de les comparer aux données expérimentales de RMN obtenues dans le cadre de ce projet.
Les méthodes expérimentales et théoriques développées au cours de ce projet dans le cadre de la stabilisation des sols, seront transférables et adaptables à d’autres applications industrielles importantes comme la dispersion des argiles, les liants à base de géopolymères, les peintures écologiques et l’accélération des bétons.

Productions scientifiques et brevets

Les premiers résultats expérimentaux de rhéologie ont fait l’objet d’une communication orale lors du congrès américain de rhéologie SOR qui s’est déroulé à Tampa (FL, USA) en février 2017.

Partenaires

CEA DEN COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES

ICSM Institut de Chimie Séparative de Marcoule

CNRS-L2C Laboratoire Charles Coulomb

Wöllner GmbH & Co.KG Wöllner GmbH & Co.KG

Aide de l'ANR 497 220 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2015 - 42 mois

Résumé de soumission

Le projet DYNAMSTE a pour objectif le développement d’outils expérimentaux et théoriques afin d’optimiser les procédés industriels dans lesquels sont impliquées les solutions d’aluminosilicates, comme la liquéfaction de la céramique, les liants pour les peintures minérales, les mortiers réfractaires ou la stabilisation des sols, entre autres, dans une optique de développement d’industries propres. Ce projet rassemble les compétences de trois laboratoires académiques reconnus dans le domaine de la chimie physique de la matière condensée, l’Institut de Chimie Séparative de Marcoule ayant des compétences dans le domaine de la chimie verte (ICSM – UMR 5257), le Département de Traitement et de Conditionnement des Déchets du CEA (CEA/DEN/DTCD Marcoule) qui est spécialisé dans la caractérisation et la formulation de matériaux cimentaires et un laboratoire du CNRS à l’Ecole Polytechnique expert en physique des Irrégularités (CNRS-PCM – UMR 7643), en collaboration avec un partenaire industriel allemand, Wöllner GmbH & Co. KG, qui est un des leaders dans le domaine de la production de solutions alcalines silicatées.
Grâce à leur adaptabilité environnementale, les solutions d’aluminosilicates sont de plus en plus utilisées. Au cours des dix dernières années, l’utilisation des solutions alcalines de silicate a connu un essor croissant en tant que liants inorganiques à base d’eau, et également en tant que matériaux écologiques pour la construction. Plus particulièrement, au cours des deux dernières années, les solutions alcalines de silicates sont devenues de plus en plus importantes pour les applications dans lesquelles sont impliquées les géopolymères, constituants essentiels de la chimie verte. Une autre application importante est l’utilisation des gels d’aluminosilicates pour la stabilisation des sols et comme barrière étanche afin d’éviter la contamination des nappes phréatiques lors des chantiers. Bien que ces solutions soient de plus en plus utilisées dans l’industrie, un certain nombre de questions reste en suspens concernant leur stabilité, et plus précisément concernant le processus de gélification, ce processus dépendant des paramètres de formulation. Il est donc essentiel de fournir une description claire et réaliste de ces fluides pendant le processus de gélification qui reste assez méconnu et doit être confirmé tant d’un point de vue expérimental que théorique.
Ce projet repose donc sur une approche synergétique couplant des méthodes expérimentales et théoriques. Afin d’accéder à tous les phénomènes spatio temporels de ces systèmes, la partie expérimentale de ce projet reposera sur (i) des études basées sur des techniques de rhéologie couplées à des techniques de diffusion : Dynamic light scattering (DLS), small et wide angle x-ray et (ou) neutron scattering et diffraction (SWAXS, SANS et XRD) et (ii) une approche multi-échelle par RMN (de l’Å à quelques dizaines de µm). Dans le même temps, la partie théorique sera basée sur une approche multi-échelle couplant les simulations de dynamique moléculaire (au niveau microscopique) à des simulations gros grains (à l’échelle mésoscopique), ce qui permettra d’accéder aux propriétés structurales et dynamiques de ces fluides.
Les méthodes expérimentales et théoriques développées au cours de ce projet dans le cadre de la stabilisation des sols, seront transférables et adaptables à d’autres applications industrielles importantes comme la dispersion des argiles, les liants à base de géopolymères, les peintures écologiques et l’accélération des bétons.

 

Programme ANR : Chimie Durable, produits, procédés associés (DS0304) 2015

Référence projet : ANR-15-CE07-0013

Coordinateur du projet :
Madame Magali Duvail (Institut de Chimie Séparative de Marcoule)

 

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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.