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Accueil du site > Recherche > Projets > Thème Fluides & Matériaux Complexes > Dispersion and functionalisation of mineral particles at the nanometric scale

Dispersion and functionalisation of mineral particles at the nanometric scale

- Leader : Persello Jacques

- Collaborators within the LPMC : Bossis Georges, Kuzhir Pavel

- External Collaborators : Fatin-Rouge N. (UTINAM, Besançon), Marnier N. (LRSAE, UNS)

- PhD students/Post-doctoral fellows : Alves-Marins Jessica, and PhD students under co-direction with N. Marnier (CO2) and N. Fatin-Rouge (functionalized silica) and G.Bossis (calcium carbonate flux)

- Technological platforms : Center for Micro & Nanorheometry

- Description :

- Porteur : Persello Jacques

- Collaborateurs LPMC : Bossis Georges, Kuzhir Pavel

- Collaborateurs extérieurs : Fatin-Rouge N. (UTINAM, Besançon), Marnier N. (LRSAE, UNS)

- Doctorants/Post-docs : Alves-Marins Jessica et thèses en codirection avec N. Marnier (CO2) et N. Fatin-Rouge (silices fonctionnalisées) et G.Bossis (fluidifiants du carbonate de calcium)

- Plateformes technologiques : Centre de micro & nanorhéométrie

- Description :

Ces études concernent les suspensions de particules minérales très concentrées. Dans ces systèmes les distances entre particules sont de l’ordre de grandeur des portées des interactions et la structure de ces systèmes dans ces phases ultimes, est alors essentiellement contrôlée par les forces au contact. Des grandeurs, de poids faible en milieu dilué telles que la distribution en contre-ions, la distribution en sites, l’hétérogénéité de surface, la rugosité de surface, les phénomènes de solvatation ou la structure microscopique de l’interface deviennent déterminantes.

Dans de nombreuses applications, les dispersions colloïdales sont stabilisées sous l’action de polymères, de polyélectrolytes, d’ions de petite taille et/ou de ligands complexants.

Les propriétés de surface de particules des silices ne peuvent se comprendre que si on accepte d’analyser les divers phénomènes de surface sur une échelle moléculaire en prenant en compte de façon explicite, les réactions de solvatation des ions, la coordination des sites de surface et la complexité de la chimie des silicates. Nous avons analysé en particulier le rôle de la distribution en charge autour des particules en nous focalisant sur le cas complexe où les particules présentent une surface hétérogène. Cette hétérogénéité pouvant être induite par la présence à la surface de différentes faces cristallines, c’est le cas des zéolites, des ferrihydrites, des alumines ou des dioxydes de titane ou crée lors de la synthèse par adsorption d’impureté, c’est le cas des silices dopées calcium ou des oxydes de titane traités alumine.

En se basant sur le principe HSAB (Hard soft (Lewis) acid base) de Pearson, il apparaît que la « dureté » des cations et le potentiel ionique (charge du cation/rayon ionique du cation) sont des paramètres importants contrôlant l’adsorption sur un support. Des calculs de chimie quantique ont montré que, dans le cas des silices et des zéolites, il était possible de modifier les orbitales frontières par substitution d’une faible fraction de cations Si4+ par des cations trivalents (Al3+, Ga3+, B3+) et par ce biais, il était possible d’ajuster la « dureté » ou la « mollesse » des sites de surface pour obtenir une adsorption spécifique d’une molécule donnée.

Les carbonates de calcium, les sulfates de calcium et les chaux sont utilisés comme modèle pour mettre en lumière le rôle de la réactivité de surface sur le comportement des suspensions et appréhender le mécanisme d’adsorption de polyélectrolytes lorsque celui ci est régie par les potentiels chimiques des espèces dissoutes en équilibre avec la surface et le polyélectrolyte. L’étude des mécanismes d’adsorptions de molécules complexes, telles que les polyélectrolytes sur une surface minérale, présente un intérêt majeur tant au niveau de leur utilisation en tant que dispersant, fluidifiant ou liant. L’approche choisie dans cette étude est d’analyser ce problème sous trois échelles de grandeurs différentes : (i) colloïdale : rôle des forces à longues distances sur l’approche des particules de polyélectrolyte, (ii) moléculaire : rôle des contre-ions associés à la charge de la surface et du polyélectrolyte, et analyse des contraintes stéréochimiques liées à l’environnement sur la formation des liaisons, et (iii) macro-dynamique : analyse des effets de l’adsorption des polyélectrolytes et de leur conformation à l’état adsorbé, sur les propriétés thermodynamiques à l’équilibre (pression osmotique), des propriétés d’écoulement des dispersions minérales et de la structure de ces dispersions.

Les matériaux étudiés, nanoparticules ou nanoporeux, présentent un grande surface spécifique qui peut être utilisée pour l’adsorption de molécules telles que des polluants (pesticides, HAP, PCB, métaux, CO2). Un greffage en surface préliminaire de fonctions réactives (vinylsilane, aminosilane, thiosilane, ….) est utilisé comme point d’ancrage de molécules spécifiques d’adsorption de polluants ou la fixation de chaînes plus longues par polymérisation vivante. De plus l’utilisation de nanoparticules avec un cœur magnétique permet de récupérer et de concentrer ces particules pour traiter le polluant et réinjecter les nanoparticules.

Mots-clés

Fluides & Matériaux Complexes, Magnétorhéologie - Nanomatériaux