Projet ANR-12-BS08-0021 – ILLA : Interfaces liquide-liquide actives
Programme : Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Olivier DIAT (Institut de Chimie Séparative de Marcoule)
Partenaires : Institut de Chimie Séparative de Marcoule; Institut Lumière Matière; Institut de Chimie de Strasbourg
Montant : 431989.0 euros
Durée : 42 mois
Résumé : Interfaces liquide-liquide activesLe projet ILLA regroupe trois équipes complémentaires pour étudier en synergie les interfaces liquide / liquide «LL« impliquées dans l'extraction LL d'ions. Ce processus biphasique est à la base d'applications hydrométallurgiques de la plus haute importance, comme l'extraction d'ions métalliques ou le recyclage de métaux critiques. En couplant des expériences spécifiques de surface et des simulations moléculaires, nous étudions les caractéristiques physico-chimiques de ces interfaces.
sonder une interface enfouie et fluide à l'échelle nanométriqueILLA est un projet fondamental combinant pour la première fois la synthèse d'un agent d'extraction de référence, la spectroscopie optique non linéaire (SHG), des mesures de tension interfaciale et les simulations  sur les mêmes systèmes liquide/liquide biphasique. Au-delà des études sur les interfaces planes et courbes «statiques»  nous allons étudierdes interfaces LL «en action», c'est à dire suivre la cinétique et la signature spectroscopique des procédés d'extraction en plusieurs étapes. Ces études impliquent des développements expérimentaux et théoriques. Les résultats devraient servir de base pour mieux comprendre le mécanisme d'extraction, pour améliorer l'efficacité et la cinétique des processus existants et en développer de nouveaux. Les développements méthodologiques et l'interprétation des  signatures SHG permettront également d'étudier d'autres interfaces liquide (par exemple, dans des systèmes catalytiques de transfert de phase).
optique non linéeaire et génération d'harmonique de seconde générationLa partie expérimentale du projet ILLA est différente et innovante, car elle va coupler deux des méthodes expérimentales, l'une spécifique à l'interface (génération de second harmonique - SHG) et l'autre plus classique qui concerne les propriétés fondamentales de la physique des interfaces liquides, la tension interfaciale. La tension interfaciale reflétera la concentration interfaciale moyenne des espèces et sa variation dans le temps, tandis que la SHG va refléter l'orientation et la dynamique des espèces d'interface. L'interprétation des deux séries de résultats est généralement basée sur des modèles physique ad hoc, sans fournir une image microscopique de l'interface au niveau moléculaire. Cependant un aspect important de la proposition ILLA est d'obtenir des images plus réalistes des interfaces étudiées en présence des différents partenaires impliqués dans le transfert d'ions assistée en utilisant les simulations obtenues par dynamique moléculaire.
Résumé de la soumission : Le projet ILLA rassemble trois équipes étudiant par des approches complémentaires des interfaces liquide/liquide mises en jeu lors de la séparation d'ions métalliques par extraction liquid-liquide (transfert sélectif de l'eau vers "l'huile", effectué par des molécules extractantes hydrophobes). Ce processus est à la base de la séparation d'ions métalliques "précieux", parfois polluants, d'intérêts industriels, sociétaux et écologiques majeurs. En combinant des expériences spécifiques de surface et la simulation moléculaire, on étudie les caractéristiques des interfaces LL (taille, polarité, intermiscibilité, dynamique) ainsi que la concentration et l'orientation d'espèces "adsorbées" (extractants, complexes, …), en suivant quatre tâches bien définies. En se focalisant sur le cas des ions lanthanides Ln3+ extraits par des diamides hydrophobes ou des ligands azotés, nous nous proposons ainsi de décrire au niveau moléculaire les différentes étapes-clé de l'extraction à l'interface ainsi que la nature et la solvatation des espèces extraites dans "l'huile".ILLA est un projet fondamental mettant en œuvre, pour la première fois, optique non linéaire couplée à des mesures de tension de surface, synthèse de molécules extractantes chromophores comme sonde de l’interface, et simulations de dynamique moléculaire. Au-delà des interfaces planes ou courbes "au repos" (par ex. avec des sels de lanthanide seuls, ou les extractants seuls), on étudiera les interfaces "en activité", c.à.d. leur évolution temporelle lors de complexation et de transfert d'ions, permettant de suivre la cinétique des processus élémentaires à l'interface. Les études expérimentales et les simulations sont loin d'être routinières, mais faisables. Les résultats permettront de mieux comprendre ce qui se passe à l'interface, et ainsi d'améliorer la cinétique et la performance de systèmes existants, voire d'en développer de nouveaux. Les développements méthodologiques (e.g. prédiction et interprétation du signal SHG, dispositifs expérimentaux) devront aussi permettre d'étudier d'autres interfaces, comme en catalyse biphasique.
Résultats : A l'ICSM, la priorité s’est portée sur le montage d’un banc expérimental d’optique non linéaire (SHG) avec un financement à 90% en interne CEA (budget prévu de longue date).
Concernant l’équipe de l’ILM, nous nous sommes focalisés sur la mise en place du montage expérimental devant permettre le couplage des mesures optiques SHG avec les mesures de tension de surface.
Concernant l’équipe du MSM, un premier travail important de dynamique moléculaire sur des systèmes biphasiques impliquant un ligand de type amide envers de l’extraction d’uranyle et de l’Europium vient d’être publié dans JPC-B.
Perspectives : converger vers un système commun «observable« et quantifiable par chacune des équipes
Publications et brevets : 1 publication in JPC-B:  Liquid-Liquid Extraction of Uranyl by an Amide Ligand: Interfacial Features Studied by MD and PMF Simulations
Author(s): Benay, G.; Wipff, G.
Source: JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B  Volume: 117   Issue: 24   Pages: 7399-7415