Transport d'ions à travers une interface liquide-liquide en vue de processus d'extraction metallique – ITALLIX

Recycler sans polluer est un des défis actuels de la chimie nécessitant des systèmes innovants d'extraction liquide-liquide. De plus, une séparation optimale dans un processus continu à grande échelle de solutions en écoulement, plutôt que de bains statiques, doit être examinée lorsque de nouveaux systèmes chimiques sont proposés. Suite à la récente obtention de systèmes biphasiques aqueux acides, nous proposons avec ITALLIX un projet expérimental et théorique qui abordera des questions fondamentales sur le transport ionique à travers l'interface entre deux solutions non miscibles mais néanmoins aqueuses. Les origines de la différence de potentiel chimique ressentie par les ions entre les deux phases et permettant naturellement le transport d'une phase à l'autre, fortement dépendantes de l'acidité et de la force ionique de la solution, doivent être clarifiées. De plus, des relations fines entre différents effets sont attendues : viscosité, tension de surface, glissement, advection ou polarisation des concentrations, couplées à des instabilités de l'interface liquide-liquide.
Nous proposons ici d'aborder ces questions enchevêtrées en étudiant trois systèmes différents qui permettront d'aborder séparément l'effet des interactions électrostatiques, de l'entropie et de l’encombrement moléculaire. Ces solutions ternaires sélectionnées subissent toutes une séparation de phase lors de l'augmentation de la température, c'est-à-dire qu'elles présentent un Lower Solution Critical Temperature (LCST). Dans un premier temps, une caractérisation complète de la structure, de la dynamique des ions et de la cinétique de nucléation sera effectuée. Ensuite, afin de rendre l'expérience réalisable sur une échelle de temps et de durée adaptée au laboratoire, nous utiliserons un système microfluidique à co-flux équipé de caractérisations optiques (spectroscopie UV/vis) et rayons X (SAXS, XAS) des profils de l’écoulement. Les surfaces des canaux permettront d'aborder l'origine de la nucléation dans différentes conditions. Nous caractériserons ensuite la structure de la solution et de l'interface, les profils de concentration et les coefficients de diffusion. Enfin, la combinaison des paramètres géométriques et des conditions de viscosité (composition de la solution) offrira la possibilité de créer des instabilités de surface et de déterminer leur rôle sur le transport ionique à travers l'interface.
En parallèle, une description théorique des systèmes sera donnée par la simulation MD et la modélisation mésoscopique, offrant une complémentarité des deux échelles de description. Cela comprend la simulation tous-atomes de l'interface liquide/liquide, et des simulations de dynamique moléculaire hors-équilibre pour modéliser les phénomènes de transport (hydrodynamique, longueur de glissement, diffusion) au niveau mésoscopique. Tous les résultats théoriques seront systématiquement comparés entre eux et avec les expériences. Une telle approche permettra de prédire les différentes contributions thermodynamiques et les interactions microscopiques qui régissent le transport ionique.
ITALLIX permettra de démêler l'influence des paramètres physico-chimiques (acidité, charges, hydrophobie...) et des différents effets hydrodynamiques (glissement, advection vs diffusion, instabilités de surface...). Chacun de ces effets peut potentiellement être tourné à l'avantage d'un transport amélioré, c'est-à-dire d'une efficacité d'extraction accrue. Le but du projet est de développer une nouvelle voie pour la chimie séparative via des interfaces liquide-liquide à très faible tension de surface.