Thèse Année : 2024

Hydrophobic Porous Liquids: design, synthesis, and evaluation in metal extraction

Liquides poreux hydrophobes : conception, synthèse, et évaluation pour l'extraction de métaux

Résumé

Porous liquids (PLs) are a recent concept suggesting that porosity can exist in the liquid state: they contain porous hosts initially solid, which are either dispersed in a solvent or turned into a liquid by physicochemical post-treatments. In literature, most studies focus on applying this concept to the capture and storage of gas. However, some PLs like the hybrid ones based on organic moieties tethered on inorganic hollow silica particles contain pores of nanometric size, and this PhD thesis aims to investigate their potential for an application in metal liquid-liquid extraction (LLE). Since metals are usually found into aqueous leachates after ore treatment, the extracting phase must be hydrophobic, in order to separate the phases after metal capture. Therefore, the first challenge consisted in adapting the methods from the literature to synthetize silica-based PLs with adjustable affinity toward water. This was achieved by varying the nature of the organic canopy (ionic or neutral; amphiphilic or purely hydrophobic). By varying the nature of the silica core as well, porosity and viscosity of PLs could also be tuned. In particular, it was found that an adequate organic:inorganic weight ratio was necessary to obtain a liquid with satisfying fluidity. As the permeability of PLs to aqueous phases is essential for LLE, a method based on small-angle neutron scattering was developed to confirm that silica-based PLs are indeed permeable. Finally, the correct functionalization of PLs allowed their application to the extraction of three rare earth elements from a nitrate leachate, with extraction capacities in the same order of magnitude of what found in literature for solid sorbents. Encouraging sorption results have been obtained, opening up numerous opportunities for optimization in the application of PLs in LLE.
Les liquides poreux (LP) sont un concept récent qui suggère que la porosité peut exister à l'état liquide : ils contiennent des hôtes poreux initialement solides, qui sont soit dispersés dans un solvant, soit transformés en liquide par des post-traitements physico-chimiques. Dans la littérature, la plupart des études se concentrent sur l'application de ce concept à la capture et au stockage du gaz. Cependant, certains LP, comme ceux hybrides à base de groupements organiques fixés sur des particules creuses inorganiques (silice), contiennent des pores de taille nanométrique, et cette thèse de doctorat vise à étudier le potentiel des LP pour une application dans l'extraction liquide-liquide (ELL) des métaux. Comme les métaux sont généralement présents dans des lixiviats aqueux après le traitement du minerai, la phase extractante doit être hydrophobe, afin de séparer les phases après la capture des métaux. Par conséquent, le premier défi a consisté à adapter les méthodes de la littérature pour synthétiser des LP à base de silice dont l'affinité avec l'eau est ajustable. Ceci a été réalisé en variant la nature de la canopée organique (ionique ou neutre ; amphiphile ou purement hydrophobe). En variant également la nature du noyau de silice, les propriétés poreuses des LP ainsi que leur viscosité ont pu être ajustées. En particulier, il a été constaté qu'un rapport massique organique/inorganique adapté était nécessaire pour obtenir un liquide d'une fluidité satisfaisante. La perméabilité des LP aux phases aqueuses étant essentielle pour l'ELL, une méthode basée sur la diffusion des neutrons aux petits angles a été mise au point pour confirmer que les LP à base de silice sont effectivement perméables. Enfin, la fonctionnalisation correcte des LP a permis leur application à l'extraction de trois éléments de terre rare à partir d'un lixiviat de nitrate. Des résultats de sorption encourageants ont été obtenus permettant d'ouvrir sur de nombreuses perspectives d'optimisation pour l'application des LP en ELL.
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  • HAL Id : tel-04958012 , version 1

Citer

Lorianne Ginot. Hydrophobic Porous Liquids: design, synthesis, and evaluation in metal extraction. Material chemistry. Université de Montpellier, 2024. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04958012⟩
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