Calorimétries aux Interfaces Solide-Liquide : Adsorptions, Mécanismes et Energies de Surface – CILSAMES

Contexte scientifique et objectifs du projet : Dans le cadre de la loi Bataille sur les déchets nucléaires, au sein du programme interdisciplinaire du CNRS PACE (Programme sur l'Aval du Cycle Electronucléaire), et plus particulièrement au sein GdR Practis - Paris, des recherches ont été menées concernant la Physico-chimie des radionucléides à l'interface Solide-Solution . Certaines lacunes y ont été identifiées concernant les approches thermodynamiques de l'adsorption d'ions à l'interface Solide-Liquide. - La compréhension des interactions entre les métaux et les sols ou les minéraux, qu'ils soient naturels ou synthétiques, a une place conséquente dans la recherche actuelle. Afin de progresser dans l'optimisation des systèmes pour la dépollution d'effluents industriels, ou la gestion des pollutions de sites naturels, il est nécessaire de développer la compréhension des mécanismes d'interactions ion-surface chargée. - L'objectif de ce projet est d'aller au-delà des travaux déjà développés dans ce domaine (modélisation macroscopique, approche spectroscopique). L'enjeu est de développer une approche calorimétrique de l'adsorption d'ions sur des solides structurés, présentant différents types de réactivité interfaciale, afin d'étendre la compréhension thermodynamique des forces et des énergies interfaciales mises en jeu. D'un point de vue expérimental, cette démarche sera couplée à une caractérisation de la spéciation en surface, en solution, en suspension, et à une étude des interactions ion-eau. A terme, afin de permettre la prédiction de phénomènes, des étapes de modélisation seront mises en place. - Description du projet, méthodologie : - Une étude exhaustive de l'ensemble des paramètres qui régissent l'adsorption (pH, force ionique, chimie et morphologie du solide, ...) est quasiment impossible. Une des particularités de ce projet est la méthodologie systématique dans l'étude des systèmes adsorbat/adsorbant sélectionnés. Les solides retenus sont des silicates nanostructurés pour lesquels les propriétés structurales et texturales peuvent être modifiées en contrôlant le mode de synthèse (argiles présentant différents taux de charge, et silices mésoporeuses substituées par des hétéroatomes, et présentant différents diamètres de pores). Un soin particulier sera apporté à la caractérisation de ces solides, tant d'un point de vue cristallochimique, textural, que de leur réactivité interfaciale. Afin de quantifier les effets d'hydratation des ions, une série d'alcalins et une série d'alcalinoterreux ont été retenues. Par ailleurs, les cations métalliques lourds Zn, Mn, Cd, Pb, Co, Ni, Cu, et Eu ont été choisis pour leurs spéciations et leurs différents comportements vis-à-vis de l'hydrolyse. - Concernant la capacité d'adsorption et les mesures calorimétriques, une étude systématique suivant un tableau à double entrée (i.e. solide × cations) sera menée. Sur certains systèmes particuliers, des mesures complémentaires seront réalisées afin de déterminer l'influence de la force ionique et de la nature du fond ionique, l'influence du pH, ou le type d'interaction mis en jeu suivant la molécule sonde utilisée. Pour Eu(III) sur les différents solides, une étude par SLRT permettra de caractériser les complexes en solution et à l'interface. Sur les argiles avec les différents ions, les mesures de relaxation diélectrique permettront la détermination des énergies d'interaction cation-réseau et la localisation des charges ioniques. - La modélisation sera étudiée suivant 2 axes: une approche phénoménologique pour corréler les comportements mis en évidence expérimentalement et les spécificités des ions en terme d'électronégativité, de dureté-mollesse et une approche de simulation atomistique qui sera mise en place afin de déterminer les énergies d'interaction cation-réseau. - Résultats attendus: - La combinaison des expertises en caractérisation de matériaux, en méthodologie analytique, en calorimétrie, et en modélisation, prop