Brevet FR3061708A1 — publié le 20180713

L'invention concerne la préparation de matériaux hybrides coeur-coquille constitué d'un coeur de charbon actif entouré d'une couche d'un matériau sol-gel nanoporeux à base de silice ainsi que les matériaux hybrides coeur-coquille en tant que tels. Ces matériaux trouvent une application dans le domaine de la filtration, notamment de l'eau et de l'air. L'eau douce disponible ne représente que 0,26% de l'eau du globe et sa quantité reste pratiquement invariable. La population, quant à elle, ne cesse de croître et la demande en eau est en pleine progression. Selon le rapport de l'Organisation mondiale de la santé (OMS), 748 millions d'individus n'ont toujours pas accès à l'eau potable en 2014 et 1,8 milliard d'individus utiliseraient de l'eau insalubre, contaminée par les feces [1]. Par ailleurs, selon une projection du Bureau de Recherches Géologiques et Minières [2], en 2025, 63 % de la population mondiale devrait subir une pénurie d'eau. Il deviendra nécessaire de dessaler l'eau de mer et de retraiter les eaux usées pour rendre l'eau potable. Ces traitements existent déjà mais sont d'un coût trop élevé pour les pays en voie de développement. Dans les pays développés, le traitement conventionnel des eaux de surface pour la fourniture d'eau potable implique plusieurs étapes dont la coagulation, la sédimentation, la filtration et la désinfection. La coagulation par ajout de coagulants permet d'agréger les particules dissoutes ou suspendues dans l'eau qui vont précipiter et décanter dans le bassin à décantation. La filtration implique plusieurs étapes dont une première filtration par le sable qui permet d'enlever les dernières particules en suspension. Suivent des traitements à l'ozone et au charbon actif pour détruire et piéger les composés organiques totaux (COT). A cette étape, les composés de taille inférieure à 100 nm peuvent encore être présents dans l'eau. Pour enlever les virus et composés organiques, la filtration par membranes, comme l'ultrafiltration ou la nanofiltration, est utilisée. L'ultrafiltration comme la nanofiltration laissent passer des micro-polluants tels que les pesticides, les résidus médicamenteux et autres composés organiques dont on dénombre environ 5000 produits différents. Certains micro-polluants sont susceptibles de réagir avec le chlore utilisé pour la désinfection de l'eau pour former des sous-produits de désinfection appelés « polluants émergents » toxiques ou/et cancérogènes tels que les chloramines, nitrosamines et trihaloalcanes. Même si les normes exigées dans les pays développés pour l'eau potable sont drastiques en termes de concentration des composés organiques totaux ([COT] REVENDICATIONS1. Procédé de préparation d'un matériau hybride coeur-coquille constitué d'un coeur de charbon actif entouré d'une coquille d'un matériau de silice sol-gel mésoporeux, ledit procédé comprenant la formation d'une coquille de silice sol-gel mésoporeuse autour de particules charbon actif. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la coquille de silice sol-gel mézoporeuse est formée à partir d'au moins un précurseur organosilicé choisi parmi le le tétraméthoxysilane (TMOS), le tétraéthoxysilane (TEOS), le phényltriméthoxysilane (PhTMOS), le phényltriéthoxysilane (PhTEOS), le (2-phényléthyl)triéthoxysilane, le 3-aminopropyltriéthoxysilane (APTES), le (3-glycidyloxypropyl)triméthoxysilane (GPTMOS), le (3- glycidyloxypropyl)triéthoxysilane (GPTES), la N-(2-Aminoéthyl)-3-(triméthoxysilyl)propylamine (NH2-TMOS), le N-(Trimethoxysilylpropyl)éthylenediaminetriacetate, l'acétoxyethyltrimethoxysilane (AETMS), l'uréidopropyltriéthoxysilane (UPTS), le 3-(4-semicarbazidyl)propyltriethoxysilane (SCPTS) et leurs mélanges. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le précurseur organosilicé est du tétraméthoxysilane ou du tétraéthoxysilane. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le précurseur organosilicé est un mélange de tétraméthoxysilane et d'un précurseur organosilicé fonctionnalisé, avantageusement choisi parmi le phényltriméthoxysilane (PhTMOS), le phényltriéthoxysilane (PhTEOS), le (2- phényléthyl)triéthoxysilane, le 3-aminopropyltriéthoxysilane (APTES), le (3- glycidyloxypropyl)triméthoxysilane (GPTMOS), le (3-glycidyloxypropyl)triéthoxysilane (GPTES), la N-(2-Aminoéthyl)-3-(triméthoxysilyl)propylamine (NH2-TMOS), le N- (Trimethoxysilylpropyl)éthylenediaminetriacetate, l'acétoxyethyltrimethoxysilane (AETMS), l'uréidopropyltriéthoxysilane (UPTS), le 3-(4-semicarbazidyl)propyltriethoxysilane (SCPTS) et leurs 25 mélanges. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la formation d'une coquille de silice sol-gel mésoporeuse autour de particules de charbon actif comprend : a) la formation d'une coquille de nanoparticules sol-gel autour de charbon actif en solution 30 aqueuse basique à partir d'au moins un précurseur organosilicé, la solution aqueuse contenant de l'ammoniaque (NH4OH) et un tensioactif, 3061708 35 b) la récupération du charbon actif entouré de la coquille de matériau sol-gel préparé à l'étape a), c) l'élimination d'éventuels restes de tensioactif du charbon actif entouré de la coquille de matériau sol-gel pour libérer les pores du matériau sol-gel formé à l'étape a), 5 et caractérisé en ce qu'à l'étape a), on fournit d'abord une solution aqueuse basique contenant l'ammoniaque, le tensioactif et le charbon actif, puis on ajoute l' au moins un précurseur organosilicé, ce précurseur étant solubilisé dans un solvant organique. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le solvant organique est choisi parmi les alcools aliphatiques linéaires en Cl à C4. 10 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le solvant organique est l' éthanol. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le charbon actif est sous forme de poudre. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le 15 tensioactif est un tensioactif ionique. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le tensioactif est du bromure de cétyltriméthylammonium. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de formation de la coquille de nanoparticule de silice sol-gel comprend la préparation d'un sol de 20 mélange d' au moins un précurseur organosilicé dans une solution aqueuse contenant un solvant organique suivie de l'enrobage du charbon actif avec ce sol. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le charbon actif se présente sous forme de bâtonnets de taille millimétrique et l'enrobage de celui-ci est réalisé par trempage puis retrait des bâtonnets dans le sol ou coulage du sol sur les bâtonnets à travers d'un tamis. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le charbon actif se présente sous forme de poudre et l'enrobage est réalisé par ajout de la poudre de charbon actif dans le sol, puis le mélange obtenu est versé dans des moules. 3061708 36 14. Matériau hybride coeur-coquille constitué d'un coeur de charbon actif entouré d'une coquille de silice sol-gel mésoporeuse. 15. Matériau hybride coeur-coquille selon la revendication 14, caractérisé en ce que la coquille est constituée de nanoparticules de silice sol-gel mésoporeuse. 5 16. Matériau hybride coeur-coquille selon la revendication 15, caractérisé en ce les nanoparticules de silice sont de forme sphérique et présentent un diamètre de 20 à 400 nm 17. Utilisation du matériau hybride coeur-coquille selon l'une quelconque des revendications 14 à 16 en tant que matériau filtrant, notamment pour la filtration d'air ou d'eau. 18. Système filtrant comprenant le matériau hybride coeur-coquille selon l'une quelconque des 10 revendications 14 à 16.