II. Application du modèle au cas de l`extraction d`acide

Dynamique de transfert à une interface liquide/liquide : analyse de
l’évolution de la tension interfaciale
Nom, Prénom : Gassin Pierre-Marie
Responsable CEA : Diat Olivier
Directeur universitaire : Brevet Pierre-François
Laboratoire d’accueil : ICSM
Date de début de thèse : 01/09/2010
Contrat : CFR-CEA
Organisme co-financeur :
Université d'inscription : Lyon 1
Ecole doctorale : ED 52 « physique et
astrophysique »
Master : physique mention « optique, physique
atomique et moléculaire »
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I.
Contexte de ces recherches
L’extraction liquide/liquide, développée pour de nombreuses applications industrielles,
reste un processus complexe dont les mécanismes sous-jacents sont encore mal connus. Le
cadre général de ce sujet de thèse concerne la compréhension des phénomènes
interfaciaux au cours d’une extraction liquide/liquide. En particulier, la compréhension des
mécanismes moléculaires qui régissent le transfert d’un ion entre une phase aqueuse et une
phase organique grâce à l’aide d’une molécule lipophile complexante dite molécule
extractante est au cœur de ces études.
Interfacial Tension [mN/m]
Nous avons montré au début de cette thèse l’intérêt d’étudier l’évolution de la tension
interfaciale par la technique de la goutte pendante pour suivre la cinétique de transfert d’une
molécule surfactante, le TritonX-100, à travers une interface liquide/liquide1. Ce type
d’approche permet de connaître la quantité d’espèces adsorbés sur l’interface au cours du
transfert de matière. Afin d’interpréter ces données expérimentales, nous avons alors
développer un modèle théorique numérique de transfert à travers l’interface liquide/liquide2.
Ce modèle prend en compte à la fois le phénomène de transport diffusif dans chaque milieu
volumique et des cinétiques d’adsorption/désorption de chaque coté de l’interface.
a
b
c
a
b
d
c
e
d
e
Case I
Case II
Time [s]
1
2
Time [s]
2
2
k1ads
k2des
k1des
k2ads
1
diffusion
Étape
cinétique
1
2
k1ads
k2des
k1des
k2ads
1
étape cinétique
diffusion
Figure 1 : à gauche, évolution de la tension interfaciale calculée par le modèle lorsque l’étape d’adsorption
dans le milieu 1 est contrôlée par la diffusion et l’étape de désorption dans le milieu 2 est contrôlée par la
cinétique chimique de l’interface. A droite, l’étape d’adsorption dans le milieu 1 est contrôlée par la
cinétique chimique de l’interface et l’étape de désorption dans le milieu 2 est contrôlée par la diffusion.
Les différentes couleurs a,b,c,d,e) correspondent à diverses valeurs du coefficient de partage du surfactant
entre la phase aqueuse et la phase organique.
Nous présenterons dans cet exposé les hypothèses principales de ce modèle, puis nous
montrerons quelques évolutions de la tension interfaciale prédites par ce modèle (voir Figure
1) pour quelques cas typiques.
II. Application du modèle au cas de l’extraction d’acide nitrique par une
malonamide
Ce modèle a ensuite été légèrement modifié afin de pouvoir être appliqué au cas du
transfert d’acide nitrique d’une phase aqueuse vers une phase organique grâce à l’aide
d’une molécule extractante. Il s’agit en effet d’un problème formellement identique, couplant
des équations de transport par diffusion dans le milieu volumique et des cinétiques
d’adsorption/désorption à une interface liquide. Nous présenterons et comparerons les
résultats expérimentaux obtenus lors du transfert d’acide nitrique par une molécule
extractante malonamide (DMDBTDMA) avec les prédictions issus de ce modèle théorique
comme montré sur la Figure 2.
Figure 2 : Courbe a) : données expérimentales de l’évolution de la tension interfaciale pour une solution d’acide
nitrique préalablement contactée avec une phase organique de DMDBDTMA. Courbe b) : données expérimentale de
l’évolution de la tension interfaciale pour une solution d’acide nitrique NON contacté avec une phase organique de
DMDBDTMA. Les courbes noires 1 et 2 correspondent aux prédiction du modèle numérique.
III. Références
(1)
Gassin, P. M.; Martin-Gassin, G.; Meyer, D.; Dufreche, J. F.; Diat, O.
Journal of Physical Chemistry C 2012, 116, 13152.
(2)
Gassin, P. M.; Champory,R.; Martin-Gassin, G.; D.; Dufreche, J. F.;
Diat, O. en préparation