Synthesis of core-shell nanoparticles to entrap radioactive cesium

Le travail décrit dans cette thèse est basé sur la synthèse et l’étude de nanoparticules cœur-coquille capables de capter du césium radioactif. Ces travaux s’inscrivent dans l’amélioration d’un procédé de sorption du césium déjà existant et utilisant des monolithes de silice poreux fonctionnalisés avec des nanoparticules (NPs) d’Analogue du bleu de Prusse (ABP) ou plus précisément K2CuFe(CN)6 (CuABP). Les nanoparticules issues de cette famille sont très connues pour leur capacité de sorption et leur sélectivité vis-à-vis du césium. Ainsi afin d’éviter l’agrégation des NPs au sein du monolithe et d’augmenter les capacités de sorption, il a été décidé de synthétiser des nanoparticules cœur-coquille avec un cœur d’ABP protégé par une coquille de silice poreuse. La voie de synthèse choisie pour réaliser ce type de nanoparticules est celle qui utilise une microémulsion inverse afin de contrôler la forme et la taille des nanoparticules finales. Ce choix a permis de réaliser la synthèse in situ des NPs d’ABP avec une excellente stabilité des nanoparticules dans les gouttes d’eau dans certaines conditions opératoires. Les microémulsions ont été caractérisées grâce aux SAXS (Small Angle X-ray Scattering). Grâce à des modèles de simulation, des tailles de gouttes d’eau allant de 0.5 à 3 nm de rayon ont été déterminées selon la quantité d’eau introduite. Le paramètre w correspondant au rapport molaire entre l’eau et le tensioactif (w=[H2O]/[tensioactif]) es un bon moyen d’exprimer la quantité d’eau présente dans le système. La croissance de la coquille de silice est réalisée grâce au procédé sol-gel en milieu basique en présence de TEOS. La morphologie des nanoparticules cœur-coquille a ensuite été étudiée grâce à la microscopie électronique (HRTEM/STEM/HAADF) et l’analyse chimique et structurale a été réalisée grâce à la spectroscopie infrarouge (FTIR-ATR) et à la DRX. Ainsi, pour la première fois, des nanoparticules cœur-coquille telles que définies ici ont été synthétisées. Des tests de sorption du césium par ces nanoparticules cœur-coquille ont également été mis en œuvre avec des résultats encourageants (Qmax(NPs cœur-coquille)=125 mg/g). De plus ces nanoparticules ne sont pas seulement utiles pour la décontamination d’effluents aqueux, elles ouvrent aussi de nouvelles portes pour l’auto-irradiation et l’auto-confinement de radioéléments.The research work described below is based on the synthesis and the study of core-shell nanoparticles able to entrap radioactive cesium. A sorption process of radionuclides on porous silica monoliths has already been described to capture radioactive cesium and to anchor it on a solid phase. Those materials were therefore functionalized with Prussian Blue Analogous (PBA) nanoparticles or more precisely K2CuFe(CN)6 (CuPBA) that are well known to be highly selective towards Cs. However, those materials did not allow optimal Cs sorption because of strong aggregation of PBA nanoparticles within the monoliths. Thereby, the solution developed is the use of core-shell nanoparticles in order to avoid the PBA aggregation. The core of these nanoparticles is made with PBA and protected by a porous silica shell.A reverse microemulsion is chosen as main synthetic route to synthesize and control the size and shape of these nanoparticles. That synthetic route allows in-situ synthesis of CuPBA nanoparticles in the microemulsion with an excellent stability of the particles in the water droplets. Microemulsions, characterized with SAXS, show droplets radius varying from 0.5 to 3 nm with regard to the water content defined by w parameter (w=[H2O]/[surfactant]). The growth of the silica shell is then achieved after the synthesis of CuPBA, using a classical basic conditions sol-gel process. The morphology of the core-shell nanoparticles is controlled with HRTEM/STEM-HAADF and the structural and chemical analysis are followed by XRD and FTIR-ATR. Finally, this study enables, for the first time, the synthesis of these core-shell nanoparticles. Then, recent sorption experiments highlighted that these core-shell nanoparticles can be used to entrap cesium with interesting capacity ((Qmax(core-shell NPs)=125 mg/g)). Moreover, these nanoparticles are useful for decontamination process and they open the way in the study of the self-irradiation and self-containment of radionuclides

Synthèse de nanoparticules coeur-coquille pour capter le césium radioactif

The research work described below is based on the synthesis and the study of core-shell nanoparticles able to entrap radioactive cesium. A sorption process of radionuclides on porous silica monoliths has already been described to capture radioactive cesium and to anchor it on a solid phase. Those materials were therefore functionalized with Prussian Blue Analogous (PBA) nanoparticles or more precisely K2CuFe(CN)6 (CuPBA) that are well known to be highly selective towards Cs. However, those materials did not allow optimal Cs sorption because of strong aggregation of PBA nanoparticles within the monoliths. Thereby, the solution developed is the use of core-shell nanoparticles in order to avoid the PBA aggregation. The core of these nanoparticles is made with PBA and protected by a porous silica shell.A reverse microemulsion is chosen as main synthetic route to synthesize and control the size and shape of these nanoparticles. That synthetic route allows in-situ synthesis of CuPBA nanoparticles in the microemulsion with an excellent stability of the particles in the water droplets. Microemulsions, characterized with SAXS, show droplets radius varying from 0.5 to 3 nm with regard to the water content defined by w parameter (w=[H2O]/[surfactant]). The growth of the silica shell is then achieved after the synthesis of CuPBA, using a classical basic conditions sol-gel process. The morphology of the core-shell nanoparticles is controlled with HRTEM/STEM-HAADF and the structural and chemical analysis are followed by XRD and FTIR-ATR. Finally, this study enables, for the first time, the synthesis of these core-shell nanoparticles. Then, recent sorption experiments highlighted that these core-shell nanoparticles can be used to entrap cesium with interesting capacity ((Qmax(core-shell NPs)=125 mg/g)). Moreover, these nanoparticles are useful for decontamination process and they open the way in the study of the self-irradiation and self-containment of radionuclides.Le travail décrit dans cette thèse est basé sur la synthèse et l’étude de nanoparticules cœur-coquille capables de capter du césium radioactif. Ces travaux s’inscrivent dans l’amélioration d’un procédé de sorption du césium déjà existant et utilisant des monolithes de silice poreux fonctionnalisés avec des nanoparticules (NPs) d’Analogue du bleu de Prusse (ABP) ou plus précisément K2CuFe(CN)6 (CuABP). Les nanoparticules issues de cette famille sont très connues pour leur capacité de sorption et leur sélectivité vis-à-vis du césium. Ainsi afin d’éviter l’agrégation des NPs au sein du monolithe et d’augmenter les capacités de sorption, il a été décidé de synthétiser des nanoparticules cœur-coquille avec un cœur d’ABP protégé par une coquille de silice poreuse. La voie de synthèse choisie pour réaliser ce type de nanoparticules est celle qui utilise une microémulsion inverse afin de contrôler la forme et la taille des nanoparticules finales. Ce choix a permis de réaliser la synthèse in situ des NPs d’ABP avec une excellente stabilité des nanoparticules dans les gouttes d’eau dans certaines conditions opératoires. Les microémulsions ont été caractérisées grâce aux SAXS (Small Angle X-ray Scattering). Grâce à des modèles de simulation, des tailles de gouttes d’eau allant de 0.5 à 3 nm de rayon ont été déterminées selon la quantité d’eau introduite. Le paramètre w correspondant au rapport molaire entre l’eau et le tensioactif (w=[H2O]/[tensioactif]) es un bon moyen d’exprimer la quantité d’eau présente dans le système. La croissance de la coquille de silice est réalisée grâce au procédé sol-gel en milieu basique en présence de TEOS. La morphologie des nanoparticules cœur-coquille a ensuite été étudiée grâce à la microscopie électronique (HRTEM/STEM/HAADF) et l’analyse chimique et structurale a été réalisée grâce à la spectroscopie infrarouge (FTIR-ATR) et à la DRX. Ainsi, pour la première fois, des nanoparticules cœur-coquille telles que définies ici ont été synthétisées. Des tests de sorption du césium par ces nanoparticules cœur-coquille ont également été mis en œuvre avec des résultats encourageants (Qmax(NPs cœur-coquille)=125 mg/g). De plus ces nanoparticules ne sont pas seulement utiles pour la décontamination d’effluents aqueux, elles ouvrent aussi de nouvelles portes pour l’auto-irradiation et l’auto-confinement de radioéléments

Coupling catalytic ozonation and membrane separation: A review

International audienceOzonation is an efficient process for oxidation of organic pollutants. This process is effective but it can sometimes generate by-products more toxic than the initial micropollutants. For a better oxidation, an enhanced production of hydroxyl radicals can be obtained through to the use of ozonation catalysts. In order to improve the removal of organic compounds in water, a promising solution relies on the coupling of membrane filtration with catalytic ozonation. Indeed, it allows combining advantages of filtration (possible rejection of colloids, molecules and ions) and advantages of catalytic ozonation (degradation of molecules). Various process configurations were investigated for the ozonation membrane filtration (OMF) and the catalytic ozonation membrane filtration (COMF). Three main types of processes can be defined, with water ozonation occurring before, during or after the membrane filtration, respectively. In the case of simultaneous ozonation and membrane separation, catalysts can be dispersed in the feed or supported on the membrane. The literature about such coupling is not very abundant but some studies were performed, involving mainly organic or ceramic ultrafiltration membranes. Removal of micropollutants and mitigation of membrane fouling have been evidenced. Coupling catalytic ozonation and nanofiltration appears as very promising with both organic and ceramic membranes. Nanofiltration would enable a better selectivity and retention of very small molecules as well as a higher efficiency as contactor for catalytic ozonation

Nanoparticules à structure coeur en analogue de bleu de Prusse-coquille, leur procédé de préparation, matériaux les comprenant, et procédé d'extraction de cations métalliques

Nanoparticules à structure cœur-coquille, dans lesquelles : - le cœur de chacune desdites nanoparticules est constitué par une nanoparticule en un hexacyanométallate ou octacyanométallate de métal, répondant à la formule [Alk+ x]Mn+ y[M'(CN)m]t z-, où Alk+ est un cation monovalent choisi parmi les cations de métaux alcalins et le cation ammonium NH4 +, x est égal à 0, 1 ou 2, M est un métal de transition, n est égal à 2 ou 3, y est égal à 1, 2 ou 3, M' est un métal de transition, m est égal à 6 ou 8, z est égal à 3 ou 4, et t est égal à 1 ou 2; - la coquille desdites nanoparticules, qui entoure le cœur, est en au moins un oxyde inorganique poreux. Procédé de préparation desdites nanoparticules à structure cœur-coquille. Matériau échangeur de cations métalliques comprenant lesdites nanoparticules à structure cœur-coquille. Procédé pour extraire au moins un cation métallique à partir d'un milieu liquide le contenant, dans lequel on met en contact ledit milieu liquide avec les lesdites nanoparticules à structure-cœur coquille et/ou ledit matériau échangeur de cations métalliques

Functionalized ceramic nanofilter for wastewater treatment by coupling membrane separation and catalytic ozonation

International audienceMicropollutants elimination in water becomes a global concern and represents an important issue for a possible reuse or a release to the environment. Hybrid processes combining membrane filtration and catalytic ozonation offer promising opportunities for micropollutant removal. A ceramic commercial nanofilter with a very low molecular weight cutoff of 200 Da was functionalized by sol-gel deposition of a mesoporous maghemite (γ-Fe 2 O 3) thin layer. Preliminary experiments enabled to determine the maximum temperature usable for the thermal strengthening of the catalytic layer without significant permeance change. The catalytic activity of the iron oxide equivalent powder was tested in batch reactor with ozone and para-chlorobenzoic acid (pCBA) which quickly reacts with hydroxyl radicals formed with ozone at the catalyst surface, and only very slowly with ozone itself. The operational performance of the functionalized ceramic membrane was evaluated in a dedicated pilot. The obtained results unequivocally show the catalytic activity of this functionalized membrane

Drivers of Water Transport in Glass: Chemical or Topological Effect of the Glass Network?

International audienceThe relation existing between water transport in glass, topology, chemical elements (network former and charge compensator), and their structural role in glass were investigated through glass topology modeling, glass and water structure analyses, and water diffusion characterization. Two series of aluminosilicate glasses with and without boron and having various ratios of charge compensators CaO/Na 2 O were used. The glass structure was characterized using Raman spectroscopy and nuclear magnetic resonance. Their topologies, i.e., the density of bottlenecks and the interstitial sites, were obtained by molecular dynamics. For glasses without boron, the substitution of Na by Ca leads to the strengthening of the glass network. The results are similar for glasses with boron except if the amount of Na is not sufficient. In this case, a part of Ca is required as a charge compensator for AlO 4 and BO 4 units. This last result is important since it highlights that the presence of boron and the CaO/Na 2 O ratio drives the roles of Ca inside the glass structure. Moreover, glass topology is driven by boron presence and to a lesser extent by CaO/Na 2 O ratio. Water transport characterized by the duration of the predominance of the hydration/interdiffusion processes, the apparent water diffusion coefficient, and the water structure in the hydrated glass were studied and determined using X-ray reflectivity and attenuated total reflectance infrared spectroscopy. The results show that the duration of the predominance of the hydration/interdiffusion processes is driven by the ability of Si-OX bonds to be hydrolyzed as much as the fraction of free water clusters in hydrated glass. Moreover, for aluminosilicate glasses, we show that water transport is mainly driven by glass topology through the role of Ca and its amount in glass. Indeed, Ca strengthens the glass network by decreasing the density of the bottleneck allowing the diffusion of water molecules. When boron is added to the glass, water transport may be mainly driven by the chemical interactions between the water molecules, Ca, and the network former of glass matrix