Projet ANR-10-CD2I-0015 – FISSCARDEN : Floculation Interfaciale pour la Séquestration Sélective des Cations de Radionucléides dans le contexte de la Décontamination d’Effluents Nucléaires
Programme : Chimie Durable - Industries - Innovation (CD2I)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur ZAJAC Jerzy (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE LANGUEDOC-ROUSSILLON)
Partenaires : Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux - Institut Charles Gerhardt Montpellier; SOCIETE COATEX; PME; Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux - Institut Charles Gerhardt Montpellier; Institut Européen des Membranes
Montant : 668691.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Collaboration recherche-industrie au service de la gestion des déchets de l’industrie nucléaireLa gestion des déchets de l’industrie nucléaire nécessite une implication forte des chercheurs et industriels du nucléaire afin de parvenir à des rejets radioactifs aussi bas que le permettent lesmeilleures technologies possibles. FISSCARDEN est un projet de recherche industrielle qui développe un traitement innovant et réaliste des effluents complexes multi-composants
Extraction sélective de radionucléides cationiques issus d'effluents complexes multi-composantsLe développement des procédés d’épuration des effluents radioactifs liquides est toujours confronté à une difficulté majeure : moins on rejette de radioactivité, plus le volume de déchet solide résultant est important. L’ambition du projet FISSCARDEN a été de développer un procédé de décontamination innovant pour l'extraction sélective de radionucléides cationiques issus d'effluents complexes multi-composants, de faible et moyenne activité. Conformément au cahier des charges défini par le partenaire industriel ONET Technologies, étaient visés les effluents aqueux basiques contenant deux principaux groupes d'espèce cationique : (i) des radionucléides cationiques (Ni, Co, Sr, Cs), et (ii) des cations non-radioactifs (Na, K, Ca, Mn). L'enjeu principal a été de concentrer les radioéléments dans un volume de déchets solides ultimes aussi petit que possible, tout en garantissant un niveau résiduel dans la solution traitée très faible. Il a été nécessaire de concevoir et de développer des procédés et des matériaux respectueux de l'environnement et économes en énergie, en atomes ou en réactifs, et encore de privilégier l'utilisation des ressources renouvelables en accord avec les principes de l'éco-conception.
Complexation de radionucléides, floculation interfaciale, filtration et matériaux éco-conçus à base de polymères pour une décontamination efficaceLa complexité des effluents radioactifs visés exige le développement de techniques compatibles avec des conditions de compétition entre cations radioactifs et non-radioactifs. Il a été proposé de s’appuyer sur la combinaison entre la sorption – complexation des radionucléides et la floculation – agrégation interfaciale des matériaux d’extraction, suivie d’une étape de filtration afin de réaliser une économie d’énergie et ainsi de réduire le volume du déchet solide final. Deux voies d’élaboration de nouveaux matériaux «éco-conçus« ont été poursuivies simultanément : (i) la préparation des structures hydrosolubles à base de polymères spécifiques et d’agents séquestrants appropriés, (ii) la réalisation des systèmes hybrides de type polymères fonctionnalisés – particules minérales d'oxydes. Des produits développés spécifiquement par un partenaire industriel et optimisés pour cette application ont été aussi testés. L'étude des mécanismes d'interactions entre les radionucléides et les matériaux, dans les conditions physicochimiques similaires à celles des effluents réels, a permis l'optimisation des conditions d'extraction. La viabilité du procédé de séparation-filtration a été mise à l'épreuve par le biais de la construction d'un pilote de laboratoire.
Résumé de la soumission : La proposition FISSCARDEN est un projet de Recherche-Développement (recherche industrielle), dont l'ambition est de développer un procédé de décontamination innovant et compétitif, afin de fournir une solution réaliste et rentable pour l'extraction sélective de certains radionucléides cationiques issus d'effluents complexes, de faible ou moyenne activité. L'enjeu est de concentrer les radioéléments dans un volume de déchets solides ultimes aussi petit que possible, tout en garantissant un niveau résiduel dans la solution traitée très faible. Parallèlement, le but recherché est de remplir les exigences d'économie d'énergie, en développant des matériaux "éco-conçus" et en incluant dans l'étape d'optimisation des matériaux l'incorporation de composés nécessaires au traitement (céramisation) des déchets, pour un conditionnement respectueux de l'environnement. Les effluents aqueux qui intéressent les partenaires industriels impliqués dans ce projet contiennent trois principaux groupes d'espèce ionique : (i) des radionucléides cationiques mono- et multivalents (Cs, Co, Sr, and Ni) (ii) des alcalins non-radioactifs (Na, K), (iii) et des anions nitrate et borate, l'ensemble pouvant atteindre des concentrations de l'ordre de 150 g/L. Ils sont complexes et exigent de ce fait le développement de supports compatibles avec des conditions de compétition entre cations. De nouveaux matériaux dédiés à la séparation sélective des cations seront conçus, développés. Ils seront issus de la synthèse de polymères spécifiques (copolymère bloc à base de poly-vinyl alcool) suivie de leur fonctionnalisation (groupe carboxylique, phosphonique, EDTA, acide pulvinique) et de leur greffage sur des particules minérales d'oxydes. Des produits industriels optimisés pour cette application seront aussi envisagés. Les propriétés de surface et les capacités de rétention seront déterminées, en prenant en compte les conditions physicochimiques similaires à celles des effluents réels et les caractéristiques des particules. L'étude des mécanismes d'interactions entre les radionucléides et les matériaux permettra l'optimisation des conditions d'extraction. Pendant le déroulement de ce projet, il sera nécessaire d'optimiser les procédés de séparation à l'échelle du laboratoire et de démontrer sa viabilité par le biais de la construction d'un pilote de laboratoire afin de reproduire les caractéristiques des systèmes mis en place à l'échelle industrielle. Cette recherche industrielle, élaborée dans le cadre d'un partenariat combinant les expertises académiques d'universitaires et de collaborateurs industriels mettra en œuvre des principes d'eco-conception, tant dans le développement du procédé que dans le développement des matériaux. Le consortium est constitué de trois organismes de recherche (AIME et IAM au sein de l'ICGM, UMR CNRS 5253, et le GPEB UMR CIRAD 016) et deux partenaires industriels. Le projet sera coordonné par Jerzy ZAJAC (ICGM-AIME). Le planning de travail comprend quatre taches scientifiques et techniques, ainsi qu'une cinquième dédiée au management du projet, à la dissémination des résultats, et à la valorisation des activités.L'objectif à terme est que le consortium puisse exploiter les données et matériaux obtenus dans le cadre du projet en vue d'un transfert de technologie et ainsi proposer d'une part une industrialisation des produits développés et d'autre part une solution innovante, concurrentielle et française, intégrant le traitement des effluents et le devenir des déchets ultimes.
Résultats : 1) La réorientation du concept vers l’optimisation d’un procédé de traitement d’effluents aqueux multi-composants (à faibles concentrations en polluants) reposant sur l'addition de polymères fonctionnels hydrosolubles capables de complexer des cations métalliques pour former des systèmes hybrides susceptibles d’être facilement retenus par les membranes d'ultrafiltration ; le procédé est potentiellement applicable aux différents types de traitement d’effluents aqueux qui contiennent de faibles teneurs en métaux lourds.
2) L’optimisation de la conception de matériaux pour des applications visées.
Perspectives : Le procédé  développé est potentiellement applicable aux différents types de traitement d’effluents aqueux qui contiennent de faibles teneurs en métaux lourds.
Publications et brevets : Une déclaration d’invention couvrant une grande partie du résultat N° 1, sera prochainement déposée dans les services concernés au CNRS et à l’Université de Montpellier en vue du dépôt d'un brevet. D’autres résultats obtenus pendant la durée du projet ont déjà été publiés dans 3 articles et ont donné lieu à 15 communications (1 conférence invitée, 9 présentations orales, 5 posters) présentées lors des congrès nationaux et internationaux.