EP4561747A1 - Procédé de préparation d'un géopolymère fonctionnalisé impliquant une impression 3d, ledit géopolymère et ses utilisations - Google Patents

Procédé de préparation d'un géopolymère fonctionnalisé impliquant une impression 3d, ledit géopolymère et ses utilisations

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EP4561747A1
EP4561747A1 EP23755125.4A EP23755125A EP4561747A1 EP 4561747 A1 EP4561747 A1 EP 4561747A1 EP 23755125 A EP23755125 A EP 23755125A EP 4561747 A1 EP4561747 A1 EP 4561747A1
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EP
European Patent Office
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geopolymer
ion
representing
group
function
Prior art date
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Pending
Application number
EP23755125.4A
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German (de)
English (en)
Inventor
David Lambertin
Antoine Leydier
Matthieu DE CAMPOS
Charles REEB
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/10—Production of cement, e.g. improving or optimising the production methods; Cement grinding

Definitions

  • the present invention belongs to the field of geopolymers and in particular geopolymers useful for the depollution, purification and/or decontamination of liquid or gaseous effluents as well as for filtration.
  • the present invention proposes a process making it possible to prepare a geopolymer capable of trapping at least one element of interest of the ion type via the covalent grafting of one or more extracting groups, identical or different.
  • This process also includes a 3D printing step through which a geopolymer with optimized open porosity and therefore a large specific surface area is obtained, which makes it possible to increase the number of grafted extractant groups.
  • the present invention also relates to a geopolymer thus prepared and its various uses, particularly in any field requiring the selective trapping or selective extraction of elements of interest of the ion type.
  • Geopolymers are alumino-silicate materials synthesized from the alkaline activation of an alumino-silicate source such as, for example, metakaolin or fly ash. These are mainly amorphous materials which have an intrinsic porosity of the order of 40-50%, an average pore size of between 4 and 15 nm and a specific surface area of between 40 and 200 m 2 /g depending on the alkaline activator used ie sodium or potassium [1].
  • Geopolymers are presented as having good mechanical strength, good resistance to fire and acid attack. In fact, they can be used in various sectors of industry such as (i) building as a construction or insulation material, (ii) nuclear power for waste conditioning or (iii) chemistry as a catalyst support or membrane filtration or for trapping toxic elements or other heavy metals.
  • geopolymers are used in particular for the capture of cesium.
  • the work of Lee et al (2017) showed the adsorption of cesium in solution on a mesoporous geopolymer [2].
  • a recovery efficiency of 96% could be shown, the maximum adsorption was reached with 15.24 mg/g of geopolymer, which is lower than pulverized mordenite (zeolite).
  • 3D printing Since 2009, 3D printing has continued to improve and innovate in many areas.
  • the main advantage of 3D printing is the custom manufacturing of more or less complex parts, meeting the specifications of the future use.
  • 3D printing of geopolymers has been described in the state of the art.
  • the team of Cepollaro et al showed the possibility of manufacturing a 3D printable geopolymer allowing the selective reduction of gaseous nitrogen oxides (NOx) which are pollutants emitted by combustion engines [4].
  • NOx gaseous nitrogen oxides
  • the geopolymer incorporates zeolites (37% by weight of ZSM-5), and is functionalized by an ionic exchange (copper ion) via a copper acetate solution.
  • the geopolymer formulation used allows the creation of mesopores after acid treatment.
  • this work shows that the incorporation of copper is not optimal, this being found in the form of copper hydroxide which is non-reactive for the selective catalytic reduction of NOx.
  • the inventors have set themselves the goal of proposing an easy-to-implement process for preparing a geopolymer making it possible to effectively trap at least one element of interest of the ion type, particularly with a view to generating a filtration membrane or even with a view to decontamination. of a liquid or gaseous effluent containing toxic elements or other heavy metals.
  • the present invention makes it possible to achieve the goal set by the inventors by providing a process making it possible to prepare, in a simple and easy to implement manner, a geopolymer capable of effectively trapping at least one ion such as a metal ion or metalloid, this material does not present the disadvantages of materials of the state of the art.
  • the inventors have shown that it is possible to resolve the technical problems of prior art materials by combining the preparation of a geopolymer involving at least one 3D printing step with the functionalization of the geopolymer thus prepared. with at least one extracting group capable of trapping, chelating and/or complexing at least one ion such as a metal or metalloid ion.
  • 3D printing both additive (or direct) and inverse 3D printing, ie with a sacrificial support (or skeleton), also known under the term "template”
  • a sacrificial support also known under the term "template”
  • Such a specific surface area can be obtained by increasing the printing density via a reduction in the printing resolution (order of magnitude going from millimeters to hundreds of micrometers) with much lower macroporosities (from a few micrometers to a few hundred nanometers).
  • the geopolymer or the sacrificial support prepared by 3D printing can have complex shapes for which an increase in tortuosity by changing the printing geometry also makes it possible to obtain a high specific surface area.
  • direct 3D printing makes it possible to prepare a geopolymer presenting, in addition to mesopores and possibly unconnected macropores resulting mainly from the geopolymerization process, connected macropores obtained via 3D printing.
  • the geopolymer obtained by the process of the invention can be in the form of a geopolymer foam without it being necessary to add pore-forming agents to the geopolymeric mixture or to the geopolymeric grout.
  • the latter could require treatments that could physically and/or chemically alter the latter. It is however possible to use, in the context of the present invention, pore-forming agents which do not require elimination or whose elimination is carried out via a treatment which does not alter, either physically or chemically, the geopolymer.
  • the inventors showed that it was possible to obtain a geopolymer without it being necessary to subject this material to a drying step at high temperature to release its porosity. Indeed, the inventors have more particularly shown that subjecting the geopolymeric grout to 3D printing makes it possible to dispense with any heat treatment. This advantage, i.e. the absence of a high temperature step, also applies when the geopolymer is obtained using a sacrificial support prepared by 3D printing. Note however that, in the context of inverse 3D printing, a high temperature ie higher than 30°C may be necessary when the step of releasing the porosity by eliminating the sacrificial support and the functionalization step by extracting groups are concomitant.
  • the present invention relates to a process for preparing a geopolymer capable of trapping at least one ion, comprising:
  • the extracting group does not comprise an amine function -N Hz-
  • geometric polymer is meant, in the context of the present invention, a solid and porous material in the dry state, obtained following the hardening of a mixture containing finely ground materials (i.e. the alumino-silicate source) and a saline solution (i.e. the activation solution), said mixture being capable of setting and hardening over time.
  • This mixture can also be designated under the terms “geopolymeric mixture”, “geopolymer mixture”, “geopolymeric composition” or even “geopolymer composition”.
  • the hardening of the geopolymer is the result of the dissolution/polycondensation of the finely ground materials of the geopolymeric mixture in the saline solution such as a high pH saline solution (i.e. the activation solution).
  • a geopolymer is an amorphous alumino-silicate inorganic polymer.
  • Said polymer is obtained from a reactive material containing essentially silica and aluminum (ie the alumino-silicate source), activated by a strongly alkaline solution, the solid/solution mass ratio in the formulation being low.
  • the structure of a geopolymer is composed of a Si-O-AI network formed of tetrahedra of silicates (Si ⁇ 4) and aluminates (AIO4) linked at their vertices by sharing oxygen atoms.
  • charge compensating cation(s) also called compensation cation(s) which make it possible to compensate for the negative charge of the AI ⁇ 4' complex.
  • Said compensation cation(s) is(are) advantageously chosen from the group consisting of alkali metals such as lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb ) and cesium (Cs); alkaline earth metals such as magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr) and barium (Ba); and their mixtures.
  • reactive material containing essentially silica and aluminum and “alumino-silicate source” are, in the present invention, similar and usable interchangeably.
  • the reactive material containing essentially silica and aluminum which can be used to prepare the geopolymer matrix used in the context of the invention is advantageously a solid source containing amorphous alumino-silicates.
  • amorphous alumino-silicates are chosen in particular from natural alumino-silicate minerals such as illite, stilbite, kaolinite, pyrophyllite, andalusite, bentonite, kyanite, milanite, grovenite, amesite, cordierite, feldspar, allophane, etc.
  • calcined natural alumino-silicate minerals such as metakaolin
  • synthetic glasses based on pure aluminosilicates aluminous cement
  • pumice calcined by-products or industrial exploitation residues such as fly ash and blast furnace slag respectively obtained from the combustion of coal and during the transformation of iron ore into cast iron in a blast furnace; and mixtures thereof.
  • activation solution is a strongly alkaline aqueous solution which may possibly contain silicate components chosen in particular from the group consisting of silica, colloidal silica and vitreous silica.
  • activation solution "high pH saline solution” and “strongly alkaline solution” are, in the present invention, similar and usable interchangeably.
  • strongly alkaline or “high pH”, we mean a solution whose pH is greater than 9, in particular greater than 10, in particular greater than 11 and, more particularly greater than 12.
  • the activation solution has an OH- concentration greater than 0.01 M, in particular greater than 0.1 M, in particular greater than 1 M and, more particularly, between 5 and 20 M.
  • the activation solution comprises the compensation cation or the mixture of compensation cations in the form of an ionic solution or a salt.
  • the activation solution is chosen in particular from an aqueous solution of sodium silicate (NazSiOs), potassium silicate (KzSiOz), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), calcium hydroxide (Ca(OH)2), cesium hydroxide (CsOH) and their derivatives etc.
  • NazSiOs sodium silicate
  • KzSiOz potassium silicate
  • NaOH sodium hydroxide
  • KOH potassium hydroxide
  • Ca(OH)2 calcium hydroxide
  • CsOH cesium hydroxide
  • a geopolymer has an intrinsic mesoporous porosity of the order of 10 to 20% by volume relative to the total volume of the geopolymer, the latter may also have unconnected macropores.
  • a geopolymer presents, due to its preparation process, connected mesopores and possibly unconnected macropores.
  • mesoporous and macroporous geopolymer with connected macropores, through the direct or reverse 3D printing step with sacrificial support. In this case, we are talking about geopolymer foam.
  • mesopores is meant pores or voids having an average diameter of between 2 and 50 nm and in particular between 2 and 20 nm.
  • macropores pores or voids having an average diameter greater than 50 nm and in particular greater than 70 nm.
  • the total porosity corresponding to the macroporosity and the mesoporosity is greater than 70%, in particular greater than 75%, and, in particular, greater than 80% by volume relative to the total volume of the geopolymer foam.
  • the geopolymer can be both a mesoporous geopolymer with possibly unconnected macropores and a geopolymer foam, i.e. a mesoporous and macroporous geopolymer, the macropores being connected.
  • the extracting group(s) are present on the surface and in particular on the surface of the pores and voids of the mesoporous geopolymer with possibly unconnected macropores or geopolymer foam.
  • the geopolymer prepared by the process according to the invention is capable of trapping one or more ions thanks to the extracting groups specific to this or these ions which are grafted to its surface.
  • An extracting group is also known, in the state of the art, by the expression “chelating group” or “complexing group”. This is a group capable of trapping, chelating and/or complexing one or more ions and in particular one or more metal or metalloid ions. Any organic extracting group known from the state of the art can be used in the context of the present invention.
  • a phosphorus function of formula -X2-P( Xi) n (X3R8)(X4R9) with n representing 0 or 1, Xi representing an oxygen atom or a sulfur atom, X2, X3 and X4, identical or different , representing a chemical bond, an oxygen atom, a sulfur atom or a -CR10R11- group, Rs and R9, identical or different, representing a hydrogen atom, an alkyl radical or an aryl radical and Rio and Ru, identical or different, representing a hydrogen atom or an alkyl radical; such a phosphorus function covers functions ranging from a phosphonate function to phosphine oxide via their mono- or di-thiolated equivalents;
  • a macromolecular type function or a polydentate function such as a crown ether, a crown thioether, a calixarene, a porphyrin, a phthalocyanine, a pyrazoline, a phenantroline, an ethylenediaminetriacetic acid, an ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), a 1 ,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetate (DOTA) and a diethylene triamine pentaacetate (DTPA);
  • EDTA ethylenediaminetetraacetic acid
  • DOTA diethylene triamine pentaacetate
  • DTPA diethylene triamine pentaacetate
  • R4 and Rs identical or different, advantageously represent an alkyl radical or an aryl radical.
  • ком ⁇ онент is meant, in the present invention, the combination of at least two functions, identical or different, chosen from the aforementioned functions. These functions can be linked to each other or substitute the same atom or different atoms of a hydrocarbon chain.
  • alkyl radical (or Alk) is meant, in the context of the present invention, a linear, branched or cyclic alkyl radical, comprising from 1 to 15 carbon atoms, in particular from 1 to 12 carbon atoms and, in particular, from 1 to 8 atoms of carbon, said alkyl radical possibly comprising at least one heteroatom and/or at least one carbon-carbon double or triple bond.
  • the alkyl radical can also be substituted.
  • heteroatom is meant, in the context of the present invention, an atom chosen from the group consisting of a nitrogen, an oxygen, a phosphorus, a sulfur, a silicon, a fluorine, a chlorine and a bromine.
  • aryl radical is meant, in the context of the present invention, any radical comprising an aromatic ring or several aromatic rings, identical or different, linked or connected by a single bond or by a hydrocarbon chain, an aromatic ring having 3 to 20 carbon atoms, in particular from 4 to 14 carbon atoms and, in particular, from 5 to 8 carbon atoms and possibly comprising a heteroatom.
  • the aryl radical can also be substituted.
  • substituted alkyl/aryl radical is meant, in the context of the present invention, an alkyl/aryl radical as previously defined substituted by a group or several groups, identical or different, chosen from the group consisting of a halogen; an amine; a diamine; a carboxyl; a carboxylate; an aldehyde; an ester; an ether; a thioether; a ketone; a hydroxyl; optionally substituted alkyl; an amide; a sulphonyl; a sulphoxide; a sulphonic acid; a sulphonate; a nitrile; a nitro; an acyl; an epoxy; a phosphonate; an isocyanate; a thiol; a glycidoxy and an acryloxy.
  • halogen is meant, in the context of the present invention, an atom chosen from the group consisting of iodine, fluorine, chlorine and bromine.
  • the functionalization of the geopolymer by at least one extracting group uses at least one covalent chemical bond.
  • the extracting group(s) are fixed, grafted or immobilized, covalently, on the surface of the geopolymer and in particular on the surface of the mesopores and macropores of the latter.
  • the fixing, grafting or immobilization of the extracting group(s) on the surface of the geopolymer can be direct or indirect.
  • the functionalization of the geopolymer by at least one extracting group can be direct.
  • the functionalization of the geopolymer by at least one extracting group can be indirect.
  • the covalent chemical bond implemented involves an atom present on the surface of the geopolymer and an atom of the extracting group.
  • the fixation, grafting or immobilization involves a connector also designated by the expression “connecting arm” or “joining agent” linked, on the one hand, to the surface of the geopolymer and, on the other hand, to the extracting group.
  • the bonds used are advantageously covalent bonds.
  • the connector compiles two functionalities, one consists of giving mobility to the building and in particular to the extracting group (carbon chemistry of the polyethylene glycol (PEG) type, alkylene chain, polyethylene terephthalate (PET), etc.), the other consists of attaching the extracting group to the geopolymer.
  • the connector used in the context of the present invention is an alkylene chain.
  • alkylene chain is meant, in the context of the present invention, an alkylene chain, linear, branched or cyclic, comprising from 1 to 30 carbon atoms, in particular from 1 to 20 carbon atoms and, in particular, from 1 to 15 carbon atoms, said alkylene chain possibly comprising at least one heteroatom.
  • the extracting group and the surface of the geopolymer both carry or are substituted by at least one reactive function, identical or different.
  • the latter carries the reactive function capable of reacting with the reactive function, identical or different, present on the surface of the geopolymer.
  • reactive functions are chosen in particular from the group consisting of a silane function, a silanol function, an amine function, a thiol function, an aldehyde function, an allyl function, an epoxy function, an alkoxysilane function of formula -Si(OR22)( OR23)(OR24) with R22, R23 and R24, identical or different, representing an alkyl radical as previously defined and in particular a methyl (Me) or an ethyl (Et).
  • the geopolymeric mixture or grout is subjected to 3D printing.
  • the preparation of the geopolymer comprises the steps consisting of: ai) preparing a geopolymeric mixture; bi) subjecting said geopolymeric mixture prepared in step ai) to 3D printing; and ci) allowing said geopolymeric mixture printed in step bi) to harden whereby a geopolymer is obtained.
  • Step ai) of the method according to the present invention consists of adding to an activation solution as previously defined, previously prepared at least one alumino-silicate source as previously defined. This step, like the prior preparation of the activation solution, are classic steps in the field of geopolymers.
  • the activation solution may optionally contain one or more component(s) if licated, in particular chosen from the group consisting of silica, colloidal silica and vitreous silica.
  • the latter(s) is(are) present in an amount between 100 mM and 10 M, in particular between 500 mM and 8 M and, in particular, between 1 and 6 M in the activation solution.
  • the alumino-silicate source(s) is/are added to the activation solution in one go or several times. Once the alumino-silicate source(s) has been added to the activation solution, the solution or dispersion obtained is mixed using a mixer, a magnetic stirrer, a magnetic bar, an ultrasonic bath. or a homogenizer. The mixing/kneading during sub-step i) of the process according to the invention is done at a sustained speed.
  • sustained speed is meant, in the context of the present invention, a rotation speed of the rotor of the mixer or the magnetic stirrer, greater than or equal to 1000 rpm, in particular greater than or equal to 1500 rpm and, in particular, greater than or equal to 2000 rpm.
  • this stirring is carried out using a magnetic stirrer or a mixer.
  • Any mixer known to those skilled in the art can be used in the context of the present invention.
  • the quantity of alumino-silicate source(s) is such that the SiOz/A Os molar ratio in the final geopolymer is between 3.2 and 4.2, in particular between 3.4 and 4.0 and, in particular, of the order of 3.8 (i.e. 3.8 ⁇ 0.1).
  • the mass ratio of activation solution/MK with activation solution representing the mass of activation solution (expressed in g) and MK representing the mass of alumino-silicate source (expressed in g) used is advantageously between 0. 9 and 1.8 and in particular between 1.2 and 1.5.
  • the activation/MK solution ratio is of the order of 1.36 (i.e. 1.36 ⁇ 0.10).
  • a viscosity agent can be added to this mixture. Any viscosing agent, organic or not, known to those skilled in the art can be used. As particular examples of such viscosity agents, mention may be made of fines or surfactants.
  • Fines also called “fillers” or “addition fines”, are a dry, finely divided product, resulting from the cutting, sawing or working of natural rocks, aggregates and ornamental stones.
  • the fines have an average grain size of between 5 and 200 pm.
  • the surfactants which can be used to increase the viscosity of the geopolymeric mixture are chosen in particular from anionic surfactants, cationic surfactants, zwitterionic surfactants, amphoteric surfactants, and neutral (non-ionic) surfactants. More particularly, the surfactants which can be used to increase the viscosity of the geopolymeric mixture are chosen from cationic surfactants such as, for example, cetyltrimethylammonium bromide (CTAB).
  • CTAB cetyltrimethylammonium bromide
  • the quantity of viscosity agent(s) used in the context of the present invention will greatly depend on the viscosity desired for the mixture. geopolymeric. A person skilled in the art will be able to determine the appropriate quantity by means of routine tests.
  • the viscosity agent(s) is/are present in a proportion of between 0.1 and 20%, in particular between 0.5 and 15% and, in particular, between 1 and 10% by mass relative to the total mass of the geopolymeric mixture.
  • Step ai) of the process according to the invention is carried out at a temperature between 10°C and 40°C, advantageously between 15°C and 30°C and, more particularly, at room temperature (i.e. 23°C ⁇ 5 °C) for a period greater than 2 min, in particular between 4 min and 1 h and, in particular, between 5 min and 15 min.
  • the geopolymeric mixture prepared in step ai) comprises a pore-forming agent as previously defined.
  • the geopolymeric mixture prepared in step ai) does not include any pore-forming agent.
  • the geopolymeric mixture prepared in step ai) does not include zeolite.
  • the geopolymeric mixture prepared in step ai) does not include either a pore-forming agent or a zeolite.
  • Step bi) of the process according to the present invention consists of subjecting the geopolymeric mixture obtained in step ai) to 3D printing.
  • the latter makes it possible to give a given shape to the geopolymer and in particular to have a geopolymer of the geopolymer foam type and/or in the form of a filter.
  • 3D printers Any equipment that can be used for 3D printing can be used in the context of the present invention.
  • 3D printers from the following suppliers: VormVrij, StoneFlower, Lynxter, 3D Potter and WASP.
  • Step ci) of the process according to the invention consists of subjecting the geopolymeric mixture printed following step bi) to conditions allowing its hardening.
  • the conditions allowing hardening during step ci) advantageously include a curing step which can be done in the open air or under water.
  • This curing step is advantageously carried out at a temperature below 30°C and, in particular at room temperature and can last between 18 hours and 20 days and in particular between 24 hours and 16 days and, in particular, of the order of 14 days (ie 14 days ⁇ 1 day).
  • steps ai), bi) and ci) of the preparation of the geopolymer are carried out at room temperature.
  • the geopolymeric mixture or grout is brought into contact with a sacrificial support obtained by 3D printing.
  • the preparation of the geopolymer comprises the steps consisting of: a?) preparing, by 3D printing, a sacrificial support; bz) bringing said sacrificial support prepared in step a) into contact with a previously prepared geopolymeric mixture;
  • Step a?) of the preparation of the geopolymer consists of printing the sacrificial support on a wire deposition 3D printer (FDM type), the filament chosen can be of different chemical natures. However, it must be able to be dissolved by simple immersion in a solvent such as an organic solvent. Printing parameters such as nozzle outlet and platen temperature are chosen based on the chemical nature of the filament.
  • the sacrificial support is of the same chemical nature as the filament used.
  • the latter is made of organic polymer.
  • a polystyrene filament such as high impact polystyrene (or HIPS for “High Impact Polystyrene”), in water-soluble polyethylene oxide, in nylon , polylactic acid (PLA), polycarbonate, polyurethane (PLU), polyacrylonitrile or poly(acrylonitrile/butadiene/styrene) (ABS).
  • inverse 3D printing allows the use of geopolymeric mixture whose viscosity values can be more variable than those of the viscosity of the geopolymeric mixture used for direct 3D printing.
  • the viscosity of the geopolymeric mixture used for inverse 3D printing is between 1 Pa.s and 200 Pa.s, at a shear rate of 0.1 s -1
  • that of the geopolymeric mixture used for Direct 3D printing can be higher than 1000 Pa.s, at a shear rate of 0.1 s -1 .
  • Step b?) therefore consists of immersing or plunging the sacrificial support into the geopolymeric mixture or else of making this mixture flow onto the sacrificial support. After this immersion, it may be necessary to eliminate the residual air bubbles present in the geopolymeric mixture by subjecting the assembly (geopolymeric mixture + sacrificial support) to the action of ultrasound. This treatment can be carried out for a duration of between 15 s and 1 min and, in particular, of the order of 30 s (30 s ⁇ 5 s).
  • step C2 Everything that was previously described for step ci) applies mutatis mutandis to step C2).
  • step d?) consists of releasing the porosity of the geopolymer by dissolving the sacrificial polymer support present in the material obtained at the end of step C2).
  • the geopolymer thus prepared then has controlled porosity.
  • solvents which can be used during step d?)
  • step d?) The elimination of the sacrificial support from step d?) and the functionalization by one or more extracting groups of the geopolymer during step i) as defined below can be carried out concomitantly.
  • the conditions implemented correspond to the conditions of step i) as defined below.
  • the geopolymer can be dried in air or in an oven, in particular at a temperature below 30°C. Please note, however, that this drying step is optional.
  • step d? it may be necessary, prior to step d?), to prepare the surface of the material obtained at the end of step C2) in order to expose the surface of the sacrificial support.
  • the material obtained at the end of step C2) can be in the form of a geopolymer inside which the sacrificial support is trapped. This preparation is typically done by mechanical cutting using, for example, a circular or wire saw or a diamond disc chainsaw.
  • the latter is subsequently functionalized by one or more extracting groups, identical or different, as previously defined.
  • This functionalization advantageously comprises the steps consisting of: i) bringing the geopolymer into contact with a molecule comprising at least one extracting group and at least one reactive function such as previously defined under conditions allowing the formation of at least one covalent bond between said molecule and said geopolymer; and ii) eliminate said molecule having not reacted with said geopolymer during step i), whereby a geopolymer functionalized by at least one extracting group is obtained.
  • the molecule used in step i) may comprise at least one reactive function directly linked to the extracting group. This is the case of direct functionalization.
  • the molecule used in step i) may comprise at least one reactive function directly linked to a connector as previously defined, itself directly linked to the extracting group.
  • the molecule used in step i) may be a commercially available molecule or a molecule to be synthesized, using routine chemical techniques, prior to carrying out the functionalization step.
  • Table 1 below provides some examples of molecules (“final compound”) that can be used for the functionalization of the geopolymer and specifies the ions trapped by the extracting groups of these molecules.
  • the molecule, when used in step i), is diluted in a solvent called “grafting solvent”.
  • grafting solvent is chosen from the group consisting of organic solvents such as acetone, ethyl acetate, THF and dioxane; alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol; chlorinated solvents such as dichloromethane and chloroform; aliphatic solvents such as alkanes; aromatic solvents such as toluene and xylene; supercritical fluids such as supercritical CO2 and supercritical butane and their mixtures.
  • organic solvents such as acetone, ethyl acetate, THF and dioxane
  • alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol
  • chlorinated solvents such as dichloromethane and chloroform
  • aliphatic solvents such as alkanes
  • aromatic solvents such as toluene and xylene
  • supercritical fluids such as
  • the conditions used during step i) allowing the attachment of the molecule to the surface of the geopolymer depend on the reactive function carried by the latter.
  • these conditions may include heat treatment and/or agitation.
  • This heat treatment can be a traditional treatment or by microwave heating; the temperature during this treatment is between 40°C to 150°C and in particular between 40°C and 120°C depending on the boiling point of the solvent used.
  • step i) of the process according to the invention is between 1 hour and 18 hours.
  • step i) of the process according to the invention it is possible to subject the geopolymer to a pre-treatment and in particular to an acid pre-treatment.
  • a pre-treatment and in particular to an acid pre-treatment.
  • the latter makes it possible to increase the number of “graftable” functions on the surface of the geopolymer.
  • the geopolymer can be dried.
  • Step ii) aims to eliminate the molecules carrying the extracting groups which have not reacted with the surface of the geopolymer and in particular which have not bonded, covalently, with this surface.
  • This step ii) corresponds to a step of at least one wash.
  • step ii) of the process according to the invention comprises one (or more) washing(s) of the surface of the geopolymer on which one (or more) extracting group(s) is(are) immobilized. ), using the same or different washing solutions.
  • step ii) of the process according to the invention comprises at least two washes, at least three washes, at least four washes or at least five washes of said surface of the geopolymer.
  • Those skilled in the art will easily be able to define the necessary and sufficient number of washes depending on the molecule and its concentration used during step i) of the process and depending on the washing solution(s) used. (s). Washes can be performed with the same or different wash solution.
  • Step ii) of the process according to the invention is advantageously carried out with stirring and at room temperature.
  • washing solution known to those skilled in the art can be used in step ii) of the process according to the invention.
  • the solvent of the washing solution used during step ii) of the process is chosen from the group consisting of organic solvents such as tetrahydrofuran (THF) and dioxane; alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol; chlorinated solvents such as dichloromethane and chloroform; aliphatic solvents such as alkanes; aromatic solvents such as toluene and xylene; supercritical fluids such as supercritical CO2 and supercritical butane and their mixtures in particular as previously defined.
  • organic solvents such as tetrahydrofuran (THF) and dioxane
  • alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol
  • chlorinated solvents such as dichloromethane and chloroform
  • aliphatic solvents such as alkanes
  • aromatic solvents such as toluene
  • the functionalized geopolymer obtained can be dried before any subsequent use. Ideally, this drying is carried out at atmospheric pressure and room temperature or under a flow of air, for example, under a fume hood.
  • the present invention also relates to a geopolymer capable of trapping at least one ion prepared according to a method as previously defined. Everything that has been previously described regarding this functionalized geopolymer applies to this aspect of the invention.
  • the geopolymer according to the invention is in the form of a mesoporous geopolymer with possibly unconnected macropores or in the form of a foam and is functionalized, directly or indirectly, by a specific extracting group of at least one ion, the extracting group not comprising an amine function -N Hz-
  • the present invention finally relates to the use of such a functionalized geopolymer to separate at least one ion such as a metal or metalloid ion from a flow containing said at least one ion such as a metal or metalloid ion.
  • the present invention relates to a method for separating at least one ion such as a metallic or metalloid ion from a flow containing said at least one ion such as a metal or metalloid ion consisting of bringing the flow containing said to the minus one ion such as a metallic or metalloid ion with the functionalized geopolymer according to the invention, whereby a flow depleted in ions such as metallic or metalloid ions and a geopolymer to the surface of which ions such as metal or metalloid ions via the extracting groups present at this surface.
  • the process according to the invention can be considered as a process for treating a flow containing at least one ion such as a metal or metalloid ion.
  • treatment of a flow containing at least one ion such as a metallic or metalloid ion we mean reducing or reducing the quantity of ions such as metal or metalloid ions, present in the flow before the implementation of the process according to the invention i.e. before contact with the functionalized geopolymer. This decrease or reduction may involve the partial or total elimination of these ions in the flow.
  • This aspect is also schematized in Figure 1.
  • the excellent mechanical strength and stability properties of the functionalized geopolymer prepared by the process according to the invention allow its packaging in a column and the continuous implementation of the separation/fixation process, for example in a fluidized bed, which can thus be easily integrated into an existing installation, for example in a processing chain or line comprising several stages.
  • the elements found in the flow to be treated such as anions or cations, are immobilized, in the functionalized geopolymer according to the invention, by adsorption, by chelation or by complexation via the extracting groups themselves linked to the surface of the geopolymer, this bond being advantageously covalent.
  • flow containing at least one ion such as a metal or metalloid ion we mean a liquid or gaseous flow in which the present invention aims to separate, recover or eliminate ions such as undesired metal or metalloid ions or, rather, ions such as metal or metalloid ions of interest.
  • the flow used in the context of the present invention can be any liquid or gaseous flow capable of containing at least one ion such as a metal or metalloid ion.
  • the flow containing at least one ion such as a metal or metalloid ion used in the invention is a liquid flow.
  • the latter can be in the form of a monophasic solution, a micro-emulsion, a suspension and/or a dispersion.
  • the liquid flow used may be an aqueous solution which may possibly contain acids, bases or organic compounds.
  • this solution may also be a solution in an organic solvent such as aliphatic compounds such as alkanes or alkenes, aliphatic or non-aliphatic alcohols, active molecules such as, for example, surfactants or extractants, in a mixture of these organic solvents, or in a mixture of water and one or more of these organic solvents.
  • This solution may further comprise active molecules such as surfactants such as, for example, octanol, sodium dodecyl sulfate (SDS) or cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) or extractants such as, for example, aliphatic amines, organic phosphate derivatives and amides.
  • active molecules such as surfactants such as, for example, octanol, sodium dodecyl sulfate (SDS) or cetyltrimethylammonium bromide (CTAB)
  • extractants such as, for example, aliphatic amines, organic phosphate derivatives and amides.
  • the liquid or gas flow used in the context of the present invention can be chosen from the group consisting of an external aerial sampling, an aerial sampling coming from industries in the chemical, agro-food, pharmaceutical fields. , cosmetic or nuclear, city water, river water, sea water, lake water, effluent from a treatment plant, waste water, effluent household liquid, a medical or hospital liquid effluent, an industrial liquid effluent, such as an effluent from the nuclear industry or any other nuclear-related activity or an effluent from the non-nuclear industry, and one of their mixtures.
  • an external aerial sampling such as an aerial sampling coming from industries in the chemical, agro-food, pharmaceutical fields.
  • cosmetic or nuclear city water, river water, sea water, lake water
  • effluent from a treatment plant waste water, effluent household liquid
  • a medical or hospital liquid effluent such as an effluent from the nuclear industry or any other nuclear-related activity or an effluent from the non-nuclear industry, and
  • the flows and solutions which can be treated with the functionalized geopolymer fixing ions such as metal or metalloid ions, prepared by the process according to the invention are very varied, and can even contain, for example, competing extracting agents, corrosive, or others, due to the excellent chemical stability of the geopolymer according to the invention.
  • the functionalized geopolymer prepared by the process according to the invention can be used in particular over a very wide range of pH ranging, for example, from a neutral pH up to a pH of 10.
  • the functionalized geopolymer of the invention can be used to fix, chelate, complex or even trap any ion.
  • ion we mean both a cation and an anion, whether the latter are impurities, contaminants or cations or anions of interest capable of being recycled such as, for example, lithium.
  • the ion fixed, chelated, complexed or even trapped by a functionalized geopolymer according to the invention is a metallic or metalloid ion.
  • metal or metalloid ion is meant, in the context of the present invention, an undesired metal or metalloid ion such as an impurity or a contaminant or, on the contrary, a metal or metalloid ion of interest, capable of to be present or present in a flow as previously defined.
  • This metallic or metalloid ion may, in addition, be toxic, harmful and/or radioactive.
  • the present invention can be implemented with any metal ion or metalloid known to those skilled in the art.
  • the metal ion is an ion of a poor metal, an ion of an alkaline earth metal, an ion of a transition metal, an ion of an actinide or an ion of a lanthanide.
  • a heavy metal or metalloid is a metallic or metalloid element whose density exceeds 5 g/cm 3 such as mercury, lead, cadmium, copper, arsenic, nickel, zinc, cobalt and manganese.
  • the metal or metalloid ion in the context of the present invention, is an ion of a metal or a metalloid as previously defined having a degree of oxidation greater than or equal to 1, in particular greater than or equal to 2.
  • the metal or metalloid ion may in particular be an ion of a radionuclide.
  • the metallic or metalloid ion may be, in the context of the present invention, an ion of an element chosen from mercury, gold, silver, platinum, lead, iron, indium, gallium, aluminum, bismuth, tin, cadmium, copper, lithium, arsenic, nickel, zinc, titanium, cobalt, manganese, palladium , curium, americium, radium, ruthenium, thorium, uranium, plutonium, actinium, ytterbium, erbium, terbium, gadolinium, europium, neodymium, praseodymium, cerium, cesium, thallium, strontium and lanthanum.
  • the ion such as a metal or metalloid ion can be present in free form in the form of colloids or in complexed form.
  • a metal or metalloid ion the latter can come from a stable metal or metalloid or one of its radioactive isotopes.
  • the ion such as a metal or metalloid ion may be present in the flow to be treated in very diluted or much more concentrated form.
  • the quantity of said ion in a liquid flow to be treated can be between 1 pg to 100 mg/l of liquid flow, in particular between 1 pg to 10 mg/l of liquid flow and, in particular, between 10 pg to 1 mg /l of liquid flow.
  • the separation process which uses the functionalized geopolymer which is the subject of the present invention is carried out continuously, in particular in using this geopolymer in the form of particles and packaged for example in the form of a column, the geopolymer thus forming a fluidized bed whose fluidization is ensured by the flow to be treated.
  • the separation process can also be carried out discontinuously, in “batch” mode, with the geopolymer and the flow to be treated being brought into contact advantageously with stirring.
  • Column conditioning makes it possible to continuously treat large quantities of flows, with a high flow rate.
  • the contact time of the flow to be treated with the functionalized geopolymer object of the present invention is variable and can range, for example, from 1 min to 1 h for continuous operation and, for example from 10 min to 36 h and, for example example, 24 hours for “batch” operation.
  • the functionalized geopolymer can be in the form of monoliths, the latter can be used as a packaging material trapping the elements contained in this packaging and likely to flow outside the latter.
  • Figure 1 is a diagram of the main steps of the process for preparing a geopolymer capable of trapping at least one ion and its use in the decontamination of a liquid effluent containing said at least one ion.
  • Figure 2 presents photographs of the material obtained during the different stages allowing the creation of a geopolymer with controlled porosity.
  • the sample presented has a theoretical porosity of around 25% by volume.
  • Figure 3 presents photographs following, over time, the step allowing the creation of a geopolymer with controlled porosity (The sample presented has a theoretical porosity of the order of 25% by volume).
  • Step 0 Modeling of the percolating network on a computer, the filling geometry of the part is chosen to correspond to a complex geometry.
  • Step 1 Printing the part on a wire deposition 3D printer (FDM type), the filament chosen is a geopolymer formulation meeting the following formula expressed in moles: 3.8 SiO? : 1.0 AI2O3: 1.0 Na?O: 11.0 H2O.
  • the print settings are:
  • Nozzle size 0.8 mm
  • Step 0 modeling of the sacrificial skeleton on the computer, the filling geometry of the part is chosen to correspond to a complex geometry.
  • Step 1 Printing the part on a wire deposition 3D printer (FDM type), the filament chosen is HIPS.
  • the printing parameters are a temperature of 240°C for the nozzle and 110°C for the printing plate.
  • Step 2 i. Formulation of a geopolymeric mixture, which consists of mixing an activation solution and metakaolin in the proportions corresponding to the formulation expressed in moles, as follows: 3.8 Si ⁇ 2: 1.0 AI2O3: 1.0
  • the whole is stirred to guarantee the homogeneity of the geopolymeric paste.
  • the sample is then sonicated for 30 seconds to remove residual air bubbles in the geopolymer.
  • Other techniques can be used such as vacuuming to remove residual air bubbles, or the installation of a specific mold which would allow the paste to be pushed into the sacrificial skeleton (i.e. a suitable syringe).
  • Step 3 This step consists of letting the composite material (geopolymer including the sacrificial skeleton) harden for 7 days, which allows the geopolymer to develop sufficient mechanical strength for the next step.
  • Surface preparation of the sample is necessary in order to expose the surface of the sacrificial skeleton: the two ends of the geofilter are cut with a circular or wire saw to reveal the channels of the sacrificial skeleton.
  • Step 4 Release of porosity by dissolution of the polymer (HIPS) present in the material.
  • the material is immersed in dichloromethane with stirring, which is left until its mass has stabilized.
  • the material thus prepared then has a controlled porosity.
  • the material is then ready for the next stage of the process (grafting).
  • Steps 1 to 4 are illustrated in Figure 2 in the case of a geopolymer with 25 volume% porosity relative to the total volume (75% volume occupied by geopolymer).
  • the photograph from step 1 corresponds to the HIPS sacrificial skeleton obtained by 3D printing.
  • the photograph of step 2 corresponds to the filling with geopolymeric matrix.
  • the photograph of step 3 taken after hardening of the geopolymer corresponds to a cross section of the material obtained, making it possible to visualize the encapsulation of the sacrificial skeleton in the latter.
  • step 4 taken after release of the porosity following the dissolution of the sacrificial polymer skeleton corresponds to a cross section of the geopolymer obtained, making it possible to visualize the porosity of the latter corresponding to the location of the sacrificial skeleton.
  • Figure 3 focuses on step 4 of dissolution of the sacrificial skeleton in HIPS, we can notice a complex and controlled geometry inside the material.
  • the grafting steps are carried out following the porosity release step.
  • Step 0 of pre-processing is optional.
  • step 4 "release of porosity" of the process "Preparation of a geopolymer with controlled porosity” can be carried out simultaneously with step 2 of grafting in the absence of step 0.
  • Step 0 Acid pre-treatment of the geopolymer filter then drying
  • Step 1 The grafting reagent used is 3
  • Step 2 Grafting of the extracting groups onto the geopolymer by bringing the latter into contact and heating with the grafting reagent in dichloromethane at reflux (40°C) overnight (1 mmol grafting reagent/g of geofilter/10 ml solvent).
  • Step 3 Washing residual impurities using repeated washes in dichloromethane in a Soxhlet apparatus (150 ml of solvent refluxed overnight on a filter placed in a cellulose cartridge).
  • Step 4 Drying of the sample in an oven (80°C, overnight) the material is then ready for analysis.
  • Table 2 presents the characterizations after grafting in the case of a geopolymer with 25% by volume of porosity, functionalized by the grafting reagent: 3-(diethylamino)propyl]trimethoxysilane whose reactive function is trimethoxy silane and the extracting group with connector is diethylpropyl amine.
  • This extracting group can be intended for the extraction of actinides (Uranium) from organic solutions, but also be used in the depollution of water from transition metals/metalloids (for example, arsenic, lead, copper, cadmium.
  • actinides Uranium
  • transition metals/metalloids for example, arsenic, lead, copper, cadmium.
  • the overall mass gain coupled with the appearance of MAS-NMR signals (analysis of NMR signals obtained directly by analysis of the solid) on the 13 C spectra typical of alkyl chains linked to the amine as well as the reduction in specific surface area measured (linked to the covering of the surface by organic functions) confirms the functionalization by grafting of the porous geopolymer manufactured by inverse 3D.
  • Table 2 Characterizations proving the functionalization of a geopolymer with controlled porosity

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Abstract

La présente invention concerne un procédé pour préparer un géopolymère apte à piéger au moins un ion, comprenant, tout d'abord, la préparation d'un géopolymère, laquelle préparation comprend au moins une étape durant laquelle une impression 3D est utilisée, puis la fonctionnalisation du géopolymère ainsi préparé par au moins un groupement extractant, ledit groupement extractant ne comprenant pas de fonction amine -NH2. La présente invention concerne également le géopolymère fonctionnalisé ainsi préparé et son utilisation pour séparer au moins un ion d'un flux contenant ledit au moins un ion.

Description

PROCÉDÉ DE PRÉPARATION D'UN GÉOPOLYMÈRE FONCTIONNALISÉ IMPLIQUANT UNE IMPRESSION 3D, LEDIT GÉOPOLYMÈRE ET SES UTILISATIONS
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention appartient au domaine des géopolymères et notamment des géopolymères utiles pour la dépollution, la purification et/ou la décontamination des effluents liquides ou gazeux ainsi que pour la filtration.
En effet, la présente invention propose un procédé permettant de préparer un géopolymère capable de piéger au moins un élément d'intérêt du type ion via le greffage covalent d'un ou de plusieurs groupements extractants, identiques ou différents. Ce procédé inclut, par ailleurs, une étape d'impression 3D grâce à laquelle on obtient un géopolymère avec une porosité ouverte optimisée et donc une surface spécifique importante, ce qui permet d'accroître le nombre de groupements extractants greffés.
La présente invention concerne également un géopolymère ainsi préparé et ses différentes utilisations notamment dans tout domaine nécessitant le piégeage sélectif ou l'extraction sélective d'éléments d'intérêt du type ions.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les géopolymères sont des matériaux alumino-silicates synthétisés à partir de l'activation alcaline d'une source alumino-silicatée telle que, par exemple, du métakaolin ou des cendres volantes. Ce sont des matériaux principalement amorphes qui possèdent une porosité intrinsèque de l'ordre de 40-50%, d'une taille moyenne de pores comprise entre 4 et 15 nm et d'une surface spécifique comprise entre 40 et 200 m2/g selon l'activateur alcalin utilisé i.e. sodium ou potassium [1].
Les géopolymères sont présentés comme ayant de bonnes résistances mécaniques, une bonne résistance au feu et aux attaques acides. De fait, ils peuvent être utilisés dans divers pans de l'industrie comme (i) le bâtiment en tant que matériau de construction ou d'isolation, (ii) le nucléaire pour le conditionnement de déchets ou (iii) la chimie en tant que support de catalyseur ou membrane de filtration ou encore pour le piégeage d'éléments toxiques ou autres métaux lourds.
Concernant ce dernier aspect, les géopolymères sont notamment employés pour la capture du césium. Les travaux de Lee et al (2017) ont montré l'adsorption du césium en solution sur un géopolymère mésoporeux [2]. Une efficacité de récupération de 96% a pu être montrée, le maximum d'adsorption a été atteint avec 15,24 mg/g de géopolymère, ce qui est inférieur à de la mordénite pulvérisée (zéolite). Seuls trois paramètres ont été étudiés : la concentration initiale en césium, le pH de la solution de césium et le temps de contact du géopolymère avec cette solution.
Depuis 2009, l'impression 3D ne cesse de s'améliorer et d'innover dans de nombreux domaines. L'atout principal de l'impression 3D est la fabrication à façon de pièces plus ou moins complexes, répondant au cahier des charges de la future utilisation. L'impression 3D des géopolymères a été décrite dans l'état de la technique.
Les travaux menés par Luukkonen et al (2020) comparent l'efficacité de différentes membranes de filtration en géopolymère modifié i.e. géopolymère incorporant soit de l'argent ou du cuivre pour la filtration de l'eau [3]. Différentes voies de synthèse ont été étudiées : l'impression 3D du type fabrication additive, i.e. fabrication de pièces à géométrie complexe et contrôlée, moussage direct et granulation. Les géopolymères obtenus par impression 3D de la formulation particulière mise en œuvre dans [3] présentent, après une cure à 60°C pendant 4 h, la plus faible porosité totale (28% dans les premières couches) et la plus faible surface spécifique (6 m2/g)-
L'équipe de Cepollaro et al (2020) a montré la possibilité de fabriquer un géopolymère imprimable en 3D permettant la réduction sélective des oxydes d'azote (NOx) gazeux qui sont des polluants émis par des moteurs à combustion [4]. Pour répondre à cette problématique, le géopolymère incorpore des zéolites (37% en masse de ZSM-5), et est fonctionnalisé par un échange ionique (ion cuivre) via une solution d'acétate de cuivre. La formulation de géopolymère utilisée permet la création de mésopores après traitement acide. Cependant, ces travaux montrent que l'incorporation du cuivre n'est pas optimale, celui-ci se retrouvant sous forme d'hydroxyde de cuivre qui est non réactif pour la réduction catalytique sélective des NOx.
Les inventeurs se sont fixé pour but de proposer un procédé facile à mettre en œuvre pour préparer un géopolymère permettant de piéger efficacement au moins un élément d'intérêt du type ion notamment en vue de générer une membrane de filtration ou encore en vue de la décontamination d'un effluent liquide ou gazeux en éléments toxiques ou autres métaux lourds.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention permet d'atteindre le but que se sont fixé les inventeurs en fournissant un procédé permettant de préparer, de façon simple et facile à mettre en œuvre, un géopolymère apte à piéger efficacement au moins un ion tel qu'un ion métallique ou métalloïde, ce matériau ne présentant pas les inconvénients des matériaux de l'état de la technique.
Plus particulièrement, les inventeurs ont montré qu'il était possible de résoudre les problèmes techniques des matériaux de l'état de la technique en combinant la préparation d'un géopolymère impliquant au moins une étape d'impression 3D avec la fonctionnalisation du géopolymère ainsi préparé avec au moins un groupement extractant apte à piéger, chélater et/ou complexer au moins un ion tel qu'un ion métallique ou métalloïde.
En effet, l'impression 3D aussi bien additive (ou directe) qu'une impression 3D inverse i.e. avec un support (ou squelette) sacrificiel, également connu sous le terme de « template », offre de nombreux avantages et notamment permet d'obtenir un géopolymère présentant une surface spécifique élevée de l'ordre de plusieurs dizaines de m2/g, ce qui implique une surface importante et donc un nombre important de fonctions réactives pour le greffage ultérieur de groupements extractants. Une telle surface spécifique peut être obtenue en augmentant la densité d'impression via une diminution de la résolution d'impression (Ordre de grandeur passant du millimètre à la centaine de micromètres) avec des macroporosités beaucoup plus faibles (de quelques micromètres à quelques centaines de nanomètres). Par ailleurs, le géopolymère ou le support sacrificiel préparé par impression 3D peut présenter des formes complexes pour lesquelles une augmentation de la tortuosité par changement de la géométrie d'impression permet également d'obtenir une surface spécifique élevée.
De plus, l'impression 3D directe permet de préparer un géopolymère présentant, outre des mésopores et éventuellement des macropores non connectés résultant principalement du procédé de géopolymérisation, des macropores connectés obtenus via l'impression 3D.
De la même façon, dans le cadre de l'impression 3D inverse avec un support sacrificiel plongé dans un mélange ou coulis géopolymérique, l'élimination de ce dernier, une fois le géopolymère durci, permet d'ouvrir la macroporosité de ce dernier et, donc, d'atteindre de faibles résolutions en termes de taille des macropores.
Ainsi, le géopolymère obtenu par le procédé de l'invention peut se présenter sous forme d'une mousse de géopolymère sans qu'il soit nécessaire d'ajouter, au mélange géopolymérique ou au coulis géopolymérique, des agents porogènes. Ces derniers pourraient nécessiter, pour être éliminés du géopolymère, des traitements pouvant altérer, physiquement et/ou chimiquement, ce dernier. Il est cependant possible d'utiliser, dans le cadre de la présente invention, des agents porogènes qui ne nécessitent pas une élimination ou dont l'élimination est réalisée via un traitement n'altérant, ni physiquement, ni chimiquement, le géopolymère.
Enfin, les inventeurs ont montré qu'il était possible d'obtenir un géopolymère sans qu'il soit nécessaire de soumettre ce matériau à une étape de séchage à température élevée pour en libérer la porosité. En effet, les inventeurs ont plus particulièrement montré que le fait de soumettre le coulis géopolymérique à une impression 3D permet de s'affranchir de tout traitement thermique. Cet avantage i.e. absence d'une étape à température élevée s'applique également lorsque le géopolymère est obtenu en utilisant un support sacrificiel préparé par impression 3D. A noter toutefois que, dans le cadre de l'impression 3D inverse, une température élevée i.e. supérieure à 30°C peut être nécessaire lorsque l'étape de libération de la porosité par élimination du support sacrificiel et l'étape de fonctionnalisation par des groupements extractants sont concomitantes.
Ainsi, la présente invention concerne un procédé pour préparer un géopolymère apte à piéger au moins un ion, comprenant :
- la préparation d'un géopolymère, laquelle préparation comprend au moins une étape durant laquelle une impression 3D est utilisée ; et
- la fonctionnalisation du géopolymère ainsi préparé par au moins un groupement extractant spécifique dudit au moins un ion.
Avantageusement, dans le procédé selon l'invention, le groupement extractant ne comprend pas de fonction amine -N Hz-
Par « géopolymère », on entend, dans le cadre de la présente invention, un matériau solide et poreux à l'état sec, obtenu suite au durcissement d'un mélange contenant des matériaux finement broyés (i.e. la source alumino-silicatée) et une solution saline (i.e. la solution d'activation), ledit mélange étant capable de faire prise et de durcir au cours du temps. Ce mélange peut également être désigné sous les termes « mélange géopolymérique », « mélange géopolymère », « composition géopolymérique » ou encore « composition géopolymère ». Le durcissement du géopolymère est le résultat de la dissolution/polycondensation des matériaux finement broyés du mélange géopolymérique dans la solution saline telle qu'une solution saline de fort pH (i.e. la solution d'activation).
Plus particulièrement, un géopolymère est un polymère inorganique alumino-silicaté amorphe. Ledit polymère est obtenu à partir d'un matériau réactif contenant essentiellement de la silice et de l'aluminium (i.e. la source alumino-silicatée), activé par une solution fortement alcaline, le rapport massique solide/solution dans la formulation étant faible. La structure d'un géopolymère est composée d'un réseau Si-O-AI formé de tétraèdres de silicates (SiÛ4) et d'aluminates (AIO4) liés en leurs sommets par partage d'atomes d'oxygène. Au sein de ce réseau, se trouve(nt) un ou plusieurs cation(s) compensateur(s) de charge également appelé(s) cation(s) de compensation qui permettent de compenser la charge négative du complexe AIÛ4’. Ledit ou lesdits cation(s) de compensation est(sont) avantageusement choisi(s) dans le groupe constitué par les métaux alcalins tels que le lithium (Li), le sodium (Na), le potassium (K), le rubidium (Rb) et le césium (Cs) ; les métaux alcalino-terreux tels que le magnésium (Mg), le calcium (Ca), le strontium (Sr) et le barium (Ba) ; et leurs mélanges.
Les expressions « matériau réactif contenant essentiellement de la silice et de l'aluminium » et « source alumino-silicatée » sont, dans la présente invention, similaires et utilisables de façon interchangeable.
Le matériau réactif contenant essentiellement de la silice et de l'aluminium utilisable pour préparer la matrice géopolymère mise en œuvre dans le cadre de l'invention est avantageusement une source solide contenant des alumino-silicates amorphes. Ces alumino-silicates amorphes sont notamment choisis parmi les minéraux d'alumino-silicates naturels tels que illite, stilbite, kaolinite, pyrophyllite, andalousite, bentonite, kyanite, milanite, grovénite, amésite, cordiérite, feldspath, allophane, etc. ; des minéraux d'alumino-silicates naturels calcinés tels que le métakaolin ; des verres synthétiques à base d'alumino-silicates purs ; du ciment alumineux ; de la ponce ; des sous- produits calcinés ou résidus d'exploitation industrielle tels que des cendres volantes et des laitiers de haut fourneau respectivement obtenus à partir de la combustion du charbon et lors de la transformation du minerai de fer en fonte dans un haut fourneau ; et des mélanges de ceux-ci.
La solution saline de fort pH également connue, dans le domaine de la géopolymérisation, comme « solution d'activation » est une solution aqueuse fortement alcaline pouvant éventuellement contenir des composants silicatés notamment choisis dans le groupe constitué par la silice, la silice colloïdale et la silice vitreuse.
Les expressions « solution d'activation », « solution saline de fort pH » et « solution fortement alcaline » sont, dans la présente invention, similaires et utilisables de façon interchangeable.
Par « fortement alcaline » ou « de fort pH », on entend une solution dont le pH est supérieur à 9, notamment supérieur à 10, en particulier, supérieur à 11 et, plus particulièrement supérieur à 12. En d'autres termes, la solution d'activation présente une concentration en OH- supérieure à 0,01 M, notamment supérieure à 0,1 M, en particulier supérieure à 1 M et, plus particulièrement, comprise entre 5 et 20 M. De plus, la solution d'activation comprend le cation de compensation ou le mélange de cations de compensation sous forme d'une solution ionique ou d'un sel. Ainsi, la solution d'activation est notamment choisie parmi une solution aqueuse de silicate de sodium (NazSiOs), de silicate de potassium (KzSiOz), d'hydroxyde de sodium (NaOH), d'hydroxyde de potassium (KOH), d'hydroxyde de calcium (Ca(OH)2), d'hydroxyde de césium (CsOH) et leurs dérivés etc.
Un géopolymère possède une porosité intrinsèque mésoporeuse de l'ordre de 10 à 20% en volume par rapport au volume total du géopolymère, ce dernier pouvant également présenter des macropores non connectés. En d'autres termes, un géopolymère présente, du fait de son procédé de préparation, des mésopores connectés et éventuellement des macropores non connectés. Toutefois, il est possible de préparer un géopolymère mésoporeux et macroporeux, avec des macropores connectés, grâce à l'étape d'impression 3D directe ou inverse avec support sacrificiel. On parle, dans ce cas, de mousse de géopolymère. Par « mésopores », on entend des pores ou vides présentant un diamètre moyen compris entre 2 et 50 nm et notamment entre 2 et 20 nm. Par « macropores », on entend des pores ou vides présentant un diamètre moyen supérieur à 50 nm et notamment supérieur à 70 nm. Dans une mousse de géopolymère, la porosité totale correspondant à la macroporosité et la mésoporosité est supérieure à 70%, notamment supérieure à 75%, et, en particulier, supérieure à 80% en volume par rapport au volume total de la mousse de géopolymère.
Dans le cadre de la présente invention, le géopolymère peut être aussi bien un géopolymère mésoporeux avec éventuellement des macropores non connectés qu'une mousse de géopolymère i.e. un géopolymère mésoporeux et macroporeux, les macropores étant connectés. Dans ces deux variantes, le ou les groupements extractants sont présents à la surface et notamment à la surface des pores et vides du géopolymère mésoporeux avec éventuellement des macropores non connectés ou de la mousse de géopolymère.
Comme précédemment expliqué, le géopolymère préparé par le procédé selon l'invention est capable de piéger un ou plusieurs ions grâce aux groupements extractants spécifiques de ce ou ces ions qui sont greffés à sa surface. Un groupement extractant est également connu, dans l'état de la technique, par l'expression « groupement chélatant » ou « groupement complexant ». Il s'agit d'un groupement capable de piéger, chélater et/ou complexer un ou plusieurs ions et notamment un ou plusieurs ions métalliques ou métalloïdes. Tout groupement extractant organique connu de l'état de la technique est utilisable dans le cadre de la présente invention.
A titre d'exemples illustratifs et non limitatifs de tels groupements extractants, on peut citer :
- une fonction ammonium de formule -N+(RI)(R2)(R3) avec Ri, R2 et R3, identiques ou différents, représentant un atome d'hydrogène, un radical alkyle ou un radical aryle ;
- une fonction amine de formule -N(R4)(Rs) avec R4 et Rs, identiques ou différents, représentant un atome d'hydrogène, un radical alkyle ou un radical aryle à condition que, lorsque R4 représente un atome d'hydrogène, Rs ne représente pas un atome d'hydrogène ;
- une fonction amide de formule -C(=O)-N(R6)(R?) ou -N(Re)C(=O)-(R7) avec Re et R7, identiques ou différents, représentant un atome d'hydrogène, un radical alkyle ou un radical aryle ,
- une fonction phosphorée de formule -X2-P(=Xi)n(X3R8)(X4R9) avec n représentant 0 ou 1, Xi représentant un atome d'oxygène ou un atome de soufre, X2, X3 et X4, identiques ou différents, représentant une liaison chimique, un atome d'oxygène, un atome de soufre ou un groupe -CR10R11-, Rs et R9, identiques ou différents, représentant un atome d'hydrogène, un radical alkyle ou un radical aryle et Rio et Ru, identiques ou différents, représentant un atome d'hydrogène ou un radical alkyle ; une telle fonction phosphorée couvre les fonctions allant d'une fonction phosphonate à l'oxyde de phosphine en passant par leurs équivalents mono ou di-thiolés ;
- une fonction diglycolamide de formule -N(Ri2)-C(=O)-CH2-O-CH2-C(=O)- N(RI3)(RI4) avec R12, R13 et R14, identiques ou différents, représentant un radical alkyle ou un radical aryle ; - une fonction amine ou polyamine à groupements acide acétique de formule -[N(CH2COOH)-C2H4]m-N(CH2-COOH)2 avec m représentant 0 ou un nombre entier notamment choisi dans le groupe constitué par 1, 2, 3 et 4 ;
- une fonction acide sulfonique -(CH2)P(SO3H) avec p représentant 0 ou un nombre entier notamment choisi dans le groupe constitué par 1, 2, 3, 4 et 5 ;
- une fonction urée de formule -NRi5-C(=O)-N(Rie)(Ri7) avec Ris, Rie et Ri7, identiques ou différents, représentant un atome d'hydrogène, un radical alkyle ou un radical aryle ,
- une fonction de type macromoléculaire ou une fonction polydentée telle qu'un éther couronne, un thioéther-couronne, un calixarène, une porphyrine, une phtalocyanine, une pyrazoline, une phénantroline, un acide éthylènediaminetriacétique, un acide éthylènediaminetetracétique (EDTA), un 1,4,7,10-tétraazacyclododécane- 1,4,7, 10-tétraacétate (DOTA) et un diéthylène triamine pentaacétate (DTPA) ; et
- toute combinaison de ces dernières.
Dans le cas d'un groupement extractant de type fonction amine de formule -N(R4)(Rs), R4 et Rs, identiques ou différents, représentent avantageusement un radical alkyle ou un radical aryle.
Par « combinaison », on entend, dans la présente invention, la combinaison d'au moins deux fonctions, identiques ou différentes, choisies parmi les fonctions précitées. Ces fonctions peuvent être liées l'une à l'autre ou substituer un même atome ou différents atomes d'une chaîne hydrocarbonée. A titre d'exemples particuliers de telles combinaisons, on peut citer une fonction polyéthylèneimine, une fonction amido- thio-phosphonate, une fonction aminosulfate ou une fonction amino-phosphonate de formule -NH-CRisRi9-P(=0)(XsR2o)(X6R2i) avec Ris et R19, identiques ou différents, représentant un atome d'hydrogène ou radical alkyle, X5 et Xe, identiques ou différents, représentant une liaison chimique ou un atome d'oxygène et R20 et R21, identiques ou différents, représentant un radical alkyle ou un radical aryle.
Par « radical alkyle » (ou Alk), on entend, dans le cadre de la présente invention, un radical alkyle, linéaire, ramifié ou cyclique, comprenant de 1 à 15 atomes de carbone, notamment de 1 à 12 atomes de carbone et, en particulier, de 1 à 8 atomes de carbone, ledit radical alkyle pouvant éventuellement comprendre au moins un hétéroatome et/ou au moins une double ou triple liaison carbone-carbone. Le radical alkyle peut également être substitué.
Par « hétéroatome », on entend, dans le cadre de la présente invention, un atome choisi dans le groupe constitué par un azote, un oxygène, un phosphore, un soufre, un silicium, un fluor, un chlore et un brome.
Par « radical aryle », on entend, dans le cadre de la présente invention, tout radical comprenant un cycle aromatique ou plusieurs cycles aromatiques, identiques ou différents, liés ou connectés par une liaison simple ou par une chaîne hydrocarbonée, un cycle aromatique ayant de 3 à 20 atomes de carbone, notamment de 4 à 14 atomes de carbone et, en particulier, de 5 à 8 atomes de carbone et pouvant éventuellement comprendre un hétéroatome. Le radical aryle peut également être substitué.
Par « radical alkyle/aryle substitué », on entend, dans le cadre de la présente invention, un radical alkyle/aryle tel que précédemment défini substitué par un groupement ou plusieurs groupements, identiques ou différents, choisi(s) dans le groupe constitué par un halogène; une amine; une diamine; un carboxyle; un carboxylate; un aldéhyde; un ester; un éther; un thioéther; une cétone; un hydroxyle; un alkyle éventuellement substitué; une amide; un sulphonyle; un sulphoxide; un acide sulphonique; un sulphonate; un nitrile; un nitro; un acyle; un époxy; un phosphonate; un isocyanate; un thiol; un glycidoxy et un acryloxy.
Par « halogène », on entend, dans le cadre de la présente invention, un atome choisi dans le groupe constitué par un iode, un fluor, un chlore et un brome.
Dans le cadre de l'invention, la fonctionnalisation du géopolymère par au moins un groupement extractant met en œuvre au moins une liaison chimique covalente. Ainsi, le ou les groupements extractants sont fixés, greffés ou immobilisés, de façon covalente, à la surface du géopolymère et notamment à la surface des mésopores et des macropores de ce dernier.
Dans le cadre de la présente invention, la fixation, le greffage ou l'immobilisation du ou des groupements extractants à la surface du géopolymère peut être directe ou indirecte. Ainsi, la fonctionnalisation du géopolymère par au moins un groupement extractant peut être directe. En variante, la fonctionnalisation du géopolymère par au moins un groupement extractant peut être indirecte.
Lorsqu'elle est directe, la liaison chimique covalente mise en œuvre implique un atome présent à la surface du géopolymère et un atome du groupement extractant.
Lorsque la fixation est indirecte, la fixation, le greffage ou l'immobilisation fait intervenir un connecteur également désigné par l'expression « bras de liaison » ou « agent de jonction » lié, d'une part, à la surface du géopolymère et, d'autre part, au groupement extractant. Les liaisons mises en œuvre sont avantageusement des liaisons covalentes. Le connecteur compile deux fonctionnalités, l'une consiste à donner de la mobilité à l'édifice et notamment au groupement extractant (chimie carbone de type polyéthylène glycol (PEG), chaîne alkylène, polytéréphtalate d'éthylène (PET), etc.), l'autre consiste à accrocher, au géopolymère, le groupement extractant. Typiquement, le connecteur mis en œuvre dans le cadre de la présente invention est une chaîne alkylène.
Par « chaîne alkylène », on entend, dans le cadre de la présente invention, une chaîne alkylène, linéaire, ramifiée ou cyclique, comprenant de 1 à 30 atomes de carbone, notamment de 1 à 20 atomes de carbone et, en particulier, de 1 à 15 atomes de carbone, ladite chaîne alkylène pouvant éventuellement comprendre au moins un hétéroatome.
Afin de faciliter la liaison chimique covalente entre le groupement extractant et la surface du géopolymère dans le cas d'une fonctionnalisation directe, le groupement extractant et la surface du géopolymère portent ou sont substitués, tous deux, par au moins une fonction réactive, identique ou différente. Lorsqu'un connecteur est mis en œuvre, ce dernier porte la fonction réactive apte à réagir avec la fonction réactive, identique ou différente, présente à la surface du géopolymère.
Ces fonctions réactives sont notamment choisies dans le groupe constitué par une fonction silane, une fonction silanol, une fonction amine, une fonction thiol, une fonction aldéhyde, une fonction allyle, une fonction époxy, une fonction alkoxysilane de formule -Si(OR22)(OR23)(OR24) avec R22, R23 et R24, identiques ou différents, représentant un radical alkyle tel que précédemment défini et notamment un méthyle (Me) ou un éthyle (Et).
Dans une première forme de mise en œuvre de la préparation du géopolymère, le mélange ou coulis géopolymérique est soumis à une impression 3D. Ainsi, la préparation du géopolymère comprend les étapes consistant à : ai) préparer un mélange géopolymérique ; bi) soumettre ledit mélange géopolymérique préparé à l'étape ai) à une impression 3D ; et ci) laisser durcir ledit mélange géopolymérique imprimé à l'étape bi) moyennant quoi un géopolymère est obtenu.
L'étape ai) du procédé selon la présente invention consiste à ajouter à une solution d'activation telle que précédemment définie, préalablement préparée au moins une source alumino-silicatée telle que précédemment définie. Cette étape tout comme la préparation préalable de la solution d'activation sont des étapes classiques dans le domaine des géopolymères.
Comme précédemment expliqué, la solution d'activation peut éventuellement contenir un ou plusieurs composant(s) si licaté(s) notamment choisi (s) dans le groupe constitué par la silice, la silice colloïdale et la silice vitreuse. Lorsque la solution d'activation contient un ou plusieurs composant(s) silicaté(s), ce ou ces dernier(s) est(sont) présent(s) en une quantité comprise entre 100 mM et 10 M, notamment entre 500 mM et 8 M et, en particulier, entre 1 et 6 M dans la solution d'activation.
La ou les source(s) alumino-silicatée(s) est/sont ajoutée(s) à la solution d'activation en une fois ou en plusieurs fois. Une fois la ou les source(s) alumino-silicatée(s) ajoutée(s) à la solution d'activation, la solution ou dispersion obtenue est mélangée en utilisant un malaxeur, un agitateur magnétique, un barreau magnétique, un bain à ultrasons ou un homogénéisateur. Le mélange/malaxage lors de la sous-étape i) du procédé selon l'invention se fait à une vitesse soutenue. Par « vitesse soutenue », on entend, dans le cadre de la présente invention, une vitesse de rotation du rotor du malaxeur ou de l'agitateur magnétique, supérieure ou égale à 1000 tr/min, notamment supérieure ou égale à 1500 tr/min et, en particulier, supérieure ou égale à 2000 tr/min. Avantageusement, cette agitation est réalisée en utilisant un agitateur magnétique ou un malaxeur. Tout malaxeur connu de l'homme du métier est utilisable dans le cadre de la présente invention. A titre d'exemples non limitatifs, on peut citer un mélangeur NAUTA®, un malaxeur HOBART®, un malaxeur HENSCHEL® et un malaxeur HEIDOLPH®.
En tenant compte des éventuels composants silicatés que peut contenir la solution d'activation, la quantité de source(s) alumino-silicatée(s) est telle que le rapport molaire SiOz/A Os dans le géopolymère final est compris entre 3,2 et 4,2, notamment entre 3,4 et 4,0 et, en particulier, de l'ordre de 3,8 (i.e. 3,8 ± 0,1).
De plus, le rapport massique solution activation/MK avec solution d'activation représentant la masse de solution d'activation (exprimée en g) et MK représentant la masse de source alumino-silicatée (exprimée en g) utilisé est avantageusement compris entre 0,9 et 1,8 et notamment entre 1,2 et 1,5. Atitre d'exemple particulier, le rapport solution activation/MK est de l'ordre de 1,36 (i.e. 1,36 ± 0,10).
Il peut être nécessaire d'augmenter la viscosité du mélange géopolymérique mis en œuvre lors d'une impression 3D directe. A cet effet, un agent viscosant peut être ajouté à ce mélange. Tout agent viscosant, organique ou non, connu de l'homme du métier peut être utilisé. A titre d'exemples particuliers de tels agents viscosants, on peut citer des fines ou des tensioactifs.
Les fines également appelées « fillers » ou « fines d'addition » sont un produit sec, finement divisé, issu de la taille, du sciage ou du travail de roches naturelles, de granulats et des pierres ornementales. Avantageusement, les fines présentent une dimension moyenne des grains notamment comprise entre 5 et 200 pm.
Les tensioactifs utilisables pour augmenter la viscosité du mélange géopolymérique sont notamment choisis parmi les tensioactifs anioniques, les tensioactifs cationiques, les tensioactifs zwittérioniques, les tensioactifs amphotères, et les tensioactifs neutres (non-ioniques). Plus particulièrement, les tensioactifs utilisables pour augmenter la viscosité du mélange géopolymérique sont choisis parmi les tensioactifs cationiques comme, par exemple, le bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB).
La quantité d'agent(s) viscosant(s) utilisée dans le cadre de la présente invention dépendra grandement de la viscosité recherchée pour le mélange géopolymérique. L'homme du métier saura déterminer la quantité adéquate au moyen d'essais de routine. A titre d'exemple, l'agent ou les agents viscosant(s) est/sont présent(s) dans une proportion comprise entre 0,1 et 20%, notamment entre 0,5 et 15% et, en particulier, entre 1 et 10% en masse par rapport à la masse totale du mélange géopolymérique.
L'étape ai) du procédé selon l'invention est effectuée à une température comprise entre 10°C et 40°C, avantageusement entre 15°C et 30°C et, plus particulièrement, à température ambiante (i.e. 23°C ± 5°C) pendant une durée supérieure à 2 min, notamment comprise entre 4 min et 1 h et, en particulier, comprise entre 5 min et 15 min.
Dans un premier mode de réalisation particulier, le mélange géopolymérique préparé à l'étape ai) comprend un agent porogène tel que précédemment défini.
Dans un second mode de réalisation particulier, le mélange géopolymérique préparé à l'étape ai) ne comprend aucun agent porogène
Dans un troisième mode de réalisation particulier, le mélange géopolymérique préparé à l'étape ai) ne comprend pas de zéolithe.
Dans un quatrième mode de réalisation particulier, le mélange géopolymérique préparé à l'étape ai) ne comprend pas ni agent porogène, ni zéolithe.
L'étape bi) du procédé selon la présente invention consiste à soumettre le mélange géopolymérique obtenu à l'étape ai) à une impression 3D. Cette dernière permet de conférer une forme donnée au géopolymère et notamment d'avoir un géopolymère du type mousse de géopolymère et/ou se présentant sous forme d'un filtre.
Tout appareillage utilisable pour une impression 3D est utilisable dans le cadre de la présente invention. A titre d'exemples illustratifs, on peut citer les imprimantes 3D des fournisseurs suivants : VormVrij, StoneFlower, Lynxter, 3D Potter et WASP.
L'étape ci) du procédé selon l'invention consiste à soumettre le mélange géopolymérique imprimé suite à l'étape bi) à des conditions permettant son durcissement.
Toute technique connue de l'homme du métier pour faire durcir un mélange géopolymérique est utilisable lors de l'étape de durcissement du procédé. Les conditions permettant le durcissement lors de l'étape ci) comprennent avantageusement une étape de cure qui peut se faire à l'air libre ou sous eau. Cette étape de cure est avantageusement mise en œuvre à une température inférieure à 30°C et, notamment à température ambiante et peut durer entre 18 h et 20 jours et notamment entre 24 h et 16 jours et, en particulier, de l'ordre de 14 jours (i.e. 14 jours ± 1 jour).
Enfin, comme précédemment expliqué, aucun traitement thermique i.e. un traitement thermique à une température supérieure ou égale à 30°C ne doit être appliqué au matériau suite à cette étape de cure, pour libérer sa porosité.
Dans un mode de réalisation particulier, l'ensemble des étapes ai), bi) et ci) de la préparation du géopolymère sont réalisées à température ambiante.
Dans une seconde forme de mise en œuvre de la préparation du géopolymère, le mélange ou coulis géopolymérique est mis en contact avec un support sacrificiel obtenu par impression 3D. Ainsi, la préparation du géopolymère comprend les étapes consistant à : a?) préparer, par impression 3D, un support sacrificiel ; bz) mettre en contact ledit support sacrificiel préparé à l'étape a?) avec un mélange géopolymérique préalablement préparé ;
C2) laisser durcir ledit mélange géopolymérique en contact avec ledit support sacrificiel ; et dz) éliminer ledit support sacrificiel moyennant quoi un géopolymère est obtenu.
L'étape a?) de la préparation du géopolymère consiste à imprimer le support sacrificiel sur une imprimante 3D à dépôt de fil (type FDM), le filament choisi peut être de différentes natures chimiques. Toutefois, celui-ci doit pouvoir être dissout par simple immersion dans un solvant comme un solvant organique. Les paramètres d'impression telles que température de sortie de buse et du plateau sont choisis en fonction de la nature chimique du filament.
Il est clair que le support sacrificiel est de même nature chimique que le filament mis en œuvre. Avantageusement, ce dernier est en polymère organique. A titre d'exemples particuliers de filaments utilisables lors de l'étape a?) du procédé, on peut citer un filament en polystyrène comme du polystyrène à haut impact (ou HIPS pour « High Impact Polystyrene »), en oxyde de polyéthylène hydrosoluble, en nylon, en acide polylactique (PLA), en polycarbonate, en polyuréthane (PLU), en polyacrylonitrile ou en poly(acrylonitrile/butadiène/styrène) (ABS).
Tout ce qui a été précédemment décrit pour la préparation du mélange géopolymérique lors de l'étape ai) s'applique à la préparation préalable du mélange géopolymérique lors de l'étape b?).
A noter cependant que l'impression 3D inverse permet l'utilisation de mélange géopolymérique dont les valeurs de la viscosité peuvent être plus variables que celles de la viscosité du mélange géopolymérique utilisé pur l'impression 3D directe. Ainsi, la viscosité du mélange géopolymérique utilisé pour l'impression 3D inverse est comprise entre 1 Pa.s et 200 Pa.s, à un taux de cisaillement de 0,1 s-1, alors que celle du mélange géopolymérique utilisé pour l'impression 3D directe peut être supérieure à 1000 Pa.s, à un taux de cisaillement de 0,1 s-1.
L'étape b?) consiste donc à immerger ou plonger le support sacrificiel dans le mélange géopolymérique ou encore à faire couler ce mélange sur le support sacrificiel. Après cette immersion, il peut être nécessaire d'éliminer les bulles d'air résiduelles présentes dans le mélange géopolymérique en soumettant l'ensemble (mélange géopolymérique + support sacrificiel) à l'action d'ultrasons. Ce traitement peut être réalisé pendant une durée comprise entre 15 s et 1 min et, en particulier, de l'ordre de 30 s (30 s ± 5 s).
Tout ce qui a été précédemment décrit pour l'étape ci) s'applique mutatis mutandis à l'étape C2).
Enfin, l'étape d?) consiste à libérer la porosité du géopolymère par dissolution du support sacrificiel polymère présent dans le matériau obtenu à l'issue de l'étape C2). Pour cela, le matériau est immergé dans un solvant apte à dissoudre le support sacrificiel sous agitation et maintenu ainsi jusqu'à stabilisation de sa masse. Le géopolymère ainsi préparé possède alors une porosité contrôlée. A titre d'exemple de solvants utilisables lors de l'étape d?), on peut citer l'eau, l'acétate d'éthyle, l'acétone, l'éthanol, l'isopropanol, le tétrahydrofurane (THF), le dioxane ou le dichlorométhane.
L'élimination du support sacrificiel de l'étape d?) et la fonctionnalisation par un ou plusieurs groupements extractants du géopolymère lors de l'étape i) telle que définie ci-après peuvent être réalisées de façon concomittante. Les conditions mises en œuvre correspondent aux conditions de l'étape i) telles que définies ci-après.
Une fois le support sacrificiel éliminé, le géopolymère peut être séché sous air ou à l'étuve, notamment à une température inférieure à 30°C. A noter toutefois que cette étape de séchage est optionnelle.
Il peut être nécessaire, préalablement à l'étape d?), de préparer la surface du matériau obtenu à l'issue de l'étape C2) afin de mettre à nu la surface du support sacrificiel. En effet, le matériau obtenu à l'issue de l'étape C2) peut se trouver sous la forme d'un géopolymère à l'intérieur duquel le support sacrificiel est piégé. Cette préparation se fait typiquement par découpe mécanique en utilisant, par exemple, une scie circulaire ou à fil ou une tronçonneuse à disque diamanté.
Dans le procédé selon l'invention, quelle que soit la forme de mise en œuvre de la préparation du géopolymère, ce dernier est par la suite fonctionnalisé par un ou plusieurs groupements extractants, identiques ou différents, tels que précédemment définis.
Cette fonctionnalisation comprend avantageusement les étapes consistant à : i) mettre en contact le géopolymère avec une molécule comprenant au moins un groupement extractant et au moins une fonction réactive tels que précédemment définis dans des conditions permettant la formation d'au moins une liaison covalente entre ladite molécule et ledit géopolymère ; et ii) éliminer ladite molécule n'ayant pas réagi avec ledit géopolymère lors de l'étape i), moyennant quoi un géopolymère fonctionnalisé par au moins un groupement extractant est obtenu. La molécule mise en œuvre lors de l'étape i) peut comprendre au moins une fonction réactive directement liée au groupement extractant. Il s'agit du cas d'une fonctionnalisation directe.
En variante, dans le cas d'une fonctionnalisation indirecte, la molécule mise en œuvre lors de l'étape i) peut comprendre au moins une fonction réactive directement liée à un connecteur tel que précédemment défini, lui-même directement lié au groupement extractant.
La molécule mise en œuvre lors de l'étape i) peut être une molécule accessible dans le commerce ou une molécule à synthétiser, par des techniques chimiques de routine, préalablement à la mise en œuvre de l'étape de fonctionnalisation.
Le Tableau 1 ci-après fournit quelques exemples de molécule (« composé final ») utilisable pour la fonctionnalisation du géopolymère et précise les ions piégés par les groupements extractants de ces molécules.
Tableau 1
La molécule, lorsque mise en œuvre lors de l'étape i), est diluée dans un solvant dit « solvant de greffage ». Avantageusement, ce dernier est choisi dans le groupe constitué par les solvants organiques comme l'acétone, l'acétate d'éthyle, le THF et le dioxane ; les alcools comme le méthanol, l'éthanol et l'isopropanol ; les solvants chlorés comme le dichlorométhane et le chloroforme ; les solvants aliphatiques comme les alcanes ; les solvants aromatiques comme le toluène et le xylène ; les fluides supercritiques comme le CO2 supercritique et le butane supercritique et leurs mélanges. A titre d'exemple particulier de mélanges, on peut citer un mélange d'un fluide supercritique et d'un solvant organique tels que précédemment définis. Il sera facile, pour l'homme du métier, de choisir le solvant le mieux adapté en fonction de la molécule mise en œuvre ainsi que la quantité de cette dernière à utiliser lors de l'étape i).
Les conditions utilisées lors de l'étape i) permettant la fixation de la molécule à la surface du géopolymère dépendent de la fonction réactive portée par cette dernière. A titre d'exemples, ces conditions peuvent comprendre un traitement thermique et/ou une agitation. Ce traitement thermique peut être un traitement traditionnel ou par chauffage microondes ; la température lors de ce traitement est comprise entre 40°C à 150°C et notamment comprise entre 40°C et 120°C selon le point d'ébullition du solvant utilisé.
Typiquement, l'étape i) du procédé selon l'invention est comprise entre 1 h et 18 h.
Préalablement à l'étape i) du procédé selon l'invention, il est possible de soumettre le géopolymère à un pré-traitement et notamment à un pré-traitement acide. Ce dernier permet d'augmenter le nombre de fonctions « greffables » en surface du géopolymère. Une fois ce pré-traitement réalisé, le géopolymère peut être séché.
L'étape ii) selon l'invention vise à éliminer les molécules portant les groupements extractants n'ayant pas réagi avec la surface du géopolymère et notamment ne s'étant pas liées, de façon covalente, avec cette surface. Cette étape ii) correspond à une étape d'au moins un lavage.
Avantageusement, l'étape ii) du procédé selon l'invention comprend un (ou plusieurs) lavage(s) de la surface du géopolymère sur laquelle est(sont) immobilisée(s) un (ou plusieurs) groupement(s) extractant(s), aux moyens de solutions de lavage identiques ou différentes. En particulier, l'étape ii) du procédé selon l'invention comprend au moins deux lavages, au moins trois lavages, au moins quatre lavages ou au moins cinq lavages de ladite surface du géopolymère. L'homme du métier saura aisément définir le nombre de lavages nécessaire et suffisant en fonction de la molécule et de sa concentration utilisés lors de l'étape i) du procédé et en fonction de la (ou des) solution(s) de lavage employée(s). Les lavages peuvent être effectués avec une solution de lavage identique ou différente. En effet, on peut envisager d'utiliser, lors de l'étape ii), une solution de lavage identique à chaque lavage, des solutions de lavage différentes d'un lavage à l'autre ou des solutions de lavage identiques ou différentes d'un lavage à l'autre. Les lavages peuvent présenter des durées identiques ou différentes ; ces durées s'étendant de 1 h à 1 semaine et notamment de l'ordre de 48 h (48 h ± 2 h). L'étape ii) du procédé selon l'invention est avantageusement effectuée sous agitation et à température ambiante.
N'importe quelle solution de lavage connue de l'homme du métier est utilisable dans le cadre de l'étape ii) du procédé selon l'invention. A titre d'exemples et de façon non exhaustive, le solvant de la solution de lavage mise en œuvre lors de l'étape ii) du procédé est choisi dans le groupe constitué par les solvants organiques comme le tétrahydrofurane (THF) et le dioxane ; les alcools comme le méthanol, l'éthanol et l'isopropanol ; les solvants chlorés comme le dichlorométhane et le chloroforme ; les solvants aliphatiques comme les alcanes ; les solvants aromatiques comme le toluène et le xylène ; les fluides supercritiques comme le CO2 supercritique et le butane supercritique et leurs mélanges notamment tels que précédemment définis.
Après le dernier lavage de l'étape ii) du procédé selon l'invention, le géopolymère fonctionnalisé obtenu peut être séché avant toute utilisation ultérieure. Idéalement, ce séchage est réalisé à pression atmosphérique et température ambiante ou sous flux d'air, par exemple, sous une sorbonne.
Les principales étapes du procédé de préparation du géopolymère apte à piéger au moins un ion selon l'invention sont schématisées sur la Figure 1.
La présente invention concerne également un géopolymère apte à piéger au moins un ion préparé selon un procédé tel que précédemment défini. Tout ce qui a été précédemment décrit quant à ce géopolymère fonctionnalisé s'applique à cet aspect de l'invention.
Ainsi, le géopolymère selon l'invention se présente sous forme d'un géopolymère mésoporeux avec éventuellement des macropores non connectés ou sous forme d'une mousse et est fonctionnalisé, directement ou indirectement, par un groupement extractant spécifique d'au moins un ion, le groupement extractant ne comprenant pas de fonction amine -N Hz-
La présente invention concerne enfin l'utilisation d'un tel géopolymère fonctionnalisé pour séparer au moins un ion tel qu'un ion métallique ou métalloïde d'un flux contenant ledit au moins un ion tel qu'un ion métallique ou métalloïde.
Ainsi, la présente invention concerne un procédé pour séparer au moins un ion tel qu'un ion métallique ou métalloïde d'un flux contenant ledit au moins un ion tel qu'un ion métallique ou métalloïde consistant à mettre en contact le flux contenant ledit au moins un ion tel qu'un ion métallique ou métalloïde avec le géopolymère fonctionnalisé selon l'invention, moyennant quoi sont obtenus un flux appauvri en ions tels que des ions métalliques ou métalloïdes et un géopolymère à la surface duquel sont fixés des ions tels que des ions métalliques ou métalloïdes via les groupements extractants présents au niveau de cette surface.
En d'autres termes, le procédé selon l'invention peut être considéré comme un procédé de traitement d'un flux contenant au moins un ion tel qu'un ion métallique ou métalloïde. Par « traitement d'un flux contenant au moins un ion tel qu'un ion métallique ou métalloïde », on entend diminuer ou réduire la quantité d'ions tels que des ions métalliques ou métalloïdes, présents dans le flux avant la mise en œuvre du procédé selon l'invention i.e. avant la mise en contact avec le géopolymère fonctionnalisé. Cette diminution ou réduction peut impliquer l'élimination partielle ou totale de ces ions dans le flux. Cet aspect est également schématisé Figure 1.
En effet, les excellentes propriétés de tenue et de stabilité mécaniques du géopolymère fonctionnalisé préparé par le procédé selon l'invention, résultant de sa structure spécifique permettent son conditionnement en colonne et la mise en œuvre en continu du procédé de séparation/fixation, par exemple en lit fluidisé, qui peut ainsi être facilement intégré dans une installation existante, par exemple dans une chaîne ou ligne de traitement comprenant plusieurs étapes.
A l'issue du procédé de séparation selon l'invention, les éléments se trouvant dans le flux à traiter, tels que des anions ou des cations, sont immobilisés, dans le géopolymère fonctionnalisé selon l'invention, par adsorption, par chélation ou par complexation via les groupements extractants eux-mêmes liés à la surface du géopolymère, cette liaison étant avantageusement covalente.
Par « flux contenant au moins un ion tel qu'un ion métallique ou métalloïde », on entend un flux liquide ou gazeux dans lequel la présente invention vise à séparer, récupérer ou éliminer des ions tels que des ions métalliques ou métalloïdes non souhaités ou, au contraire, des ions tels que des ions métalliques ou métalloïdes d'intérêt. Ainsi, le flux mis en œuvre dans le cadre de la présente invention peut être tout flux liquide ou gazeux susceptible de contenir au moins un ion tel qu'un ion métallique ou métalloïde.
Avantageusement, le flux contenant au moins un ion tel qu'un ion métallique ou métalloïde mis en œuvre dans l'invention est un flux liquide. Ce dernier peut se présenter sous forme d'une solution monophasique, d'une micro-émulsion, d'une suspension et/ou d'une dispersion. Le flux liquide mis en œuvre peut être une solution aqueuse pouvant éventuellement contenir des acides, des bases ou des composés organiques. En variante, cette solution peut également être une solution dans un solvant organique tel que des composés aliphatiques comme des alcanes ou des alcènes, des alcools aliphatiques ou non, des molécules actives tels que, par exemple, des tensioactifs ou des extractants, dans un mélange de ces solvants organiques, ou dans un mélange d'eau et d'un ou de plusieurs de ces solvants organiques. Cette solution peut en outre comprendre des molécules actives comme des tensioactifs tels que, par exemple, de l'octanol, du sodium dodecylsulfate (SDS) ou du bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB) ou des extractants tels que, par exemple, des amines aliphatiques, des dérivés de phosphate organiques et des amides.
A titre d'exemples, le flux liquide ou gazeux mis en œuvre dans le cadre de la présente invention peut être choisi dans le groupe constitué par un prélèvement aérien extérieur, un prélèvement aérien provenant d'industries du domaine chimique, agro-alimentaire, pharmaceutique, cosmétique ou nucléaire, de l'eau de ville, de l'eau de rivière, de l'eau de mer, de l'eau de lac, un effluent issu d'une station d'épuration, une eau usée, un effluent liquide ménager, un effluent liquide médical ou hospitalier, un effluent liquide industriel, comme un effluent issu de l'industrie nucléaire ou de toute autre activité liée au nucléaire ou un effluent issu de l'industrie non nucléaire, et un de leurs mélanges. Parmi les liquides et effluents divers de l'industrie nucléaire, des installations nucléaires et des activités mettant en œuvre des radionucléides qui peuvent être traités par le géopolymère fonctionnalisé préparé par le procédé selon l'invention, on peut citer, par exemple, les eaux de refroidissement des centrales, et tous les effluents divers entrant en contact avec des radio-isotopes tels que toutes les eaux de lavage, les solutions de régénération de résines ou encore les effluents organiques issus des activités de recherche et développement.
Parmi les liquides et effluents divers de l'industrie non nucléaire, on peut citer les effluents de cimenterie contenant du thallium qui est un poison violent ou encore les effluents de l'industrie papetière.
Ainsi, les flux et solutions qui peuvent être traités avec le géopolymère fonctionnalisé fixant des ions tels que des ions métalliques ou métalloïdes, préparé par le procédé selon l'invention sont très variés, et peuvent même contenir, par exemple, des agents extractants compétiteurs, corrosifs, ou autres, du fait de l'excellente stabilité chimique du géopolymère selon l'invention. Le géopolymère fonctionnalisé préparé par le procédé selon l'invention est utilisable en particulier sur une très large gamme de pH allant, par exemple, d'un pH neutre jusqu'à un pH de 10.
Typiquement, par un choix approprié du ou des groupements extractants à sa surface, le géopolymère fonctionnalisé de l'invention peut être utilisé pour fixer, chélater, complexer ou encore piéger un quelconque ion. Par « ion », on entend aussi bien un cation qu'un anion, que ces derniers soient des impuretés, des contaminants ou des cations ou anions d'intérêt susceptibles d'être recyclés comme, par exemple, le lithium.
Dans un mode de réalisation particulier, l'ion fixé, chélaté, complexé ou encore piégé par un géopolymère fonctionnalisé selon l'invention est un ion métallique ou métalloïde.
Par « ion métallique ou métalloïde », on entend, dans le cadre de la présente, invention, un ion métallique ou métalloïde non souhaité tel qu'une impureté ou un contaminant ou, au contraire, un ion métallique ou métalloïde d'intérêt, susceptible d'être présent ou présent dans un flux tel que précédemment défini. Cet ion métallique ou métalloïde peut, en outre, être toxique, nocif et/ou radioactif. La présente invention peut être mise en œuvre avec tout ion métallique ou métalloïde connu de l'homme du métier. Avantageusement, l'ion métallique est un ion d'un métal pauvre, un ion d'un métal alcalino-terreux, un ion d'un métal de transition, un ion d'un actinide ou d'un ion d'un lanthanide. Parmi les ions métalliques ou métalloïdes concernés par la présente invention, on trouve également les ions d'un métal lourd ou d'un métalloïde lourd. Pour rappel, un métal ou métalloïde lourd est un élément métallique ou métalloïde dont la masse volumique dépasse 5 g/cm3 tel que le mercure, le plomb, le cadmium, le cuivre, l'arsenic, le nickel, le zinc, le cobalt et le manganèse.
Avantageusement, l'ion métallique ou métalloïde, dans le cadre de la présente invention, est un ion d'un métal ou d'un métalloïde tel que précédemment défini présentant un degré d'oxydation supérieur ou égal à 1, notamment supérieur ou égal à 2. L'ion métallique ou métalloïde peut notamment être un ion d'un radionucléide.
A titre d'exemples illustratifs, l'ion métallique ou métalloïde peut être, dans le cadre de la présente invention, un ion d'un élément choisi parmi le mercure, l'or, l'argent, le platine, le plomb, le fer, l'indium, le gallium, l'aluminium, le bismuth, l'étain, le cadmium, le cuivre, le lithium, l'arsenic, le nickel, le zinc, le titane, le cobalt, le manganèse, le palladium, le curium, l'américium, le radium, le ruthénium, le thorium, l'uranium, le plutonium, l'actinium, l'ytterbium, l'erbium, le terbium, le gadolinium, l'europium, le néodyme, le praséodyme, le cérium, le césium, le thallium, le strontium et le lanthane.
Dans le cadre de la présente invention, l'ion tel qu'un ion métallique ou métalloïde peut se présenter sous forme libre sous forme de colloïdes ou sous forme complexée. Dans le cadre d'un ion métallique ou métalloïde, ce dernier peut provenir d'un métal ou métalloïde stable ou d'un de ses isotopes radioactifs.
L'ion tel qu'un ion métallique ou métalloïde peut être présent dans le flux à traiter sous forme très diluée ou beaucoup plus concentrée. Ainsi, la quantité dudit ion dans un flux liquide à traiter peut être comprise entre 1 pg à 100 mg/l de flux liquide, notamment entre 1 pg à 10 mg/l de flux liquide et, en particulier, entre 10 pg à 1 mg/l de flux liquide.
Typiquement, le procédé de séparation qui met en œuvre le géopolymère fonctionnalisé objet de la présente invention est mis en œuvre en continu, notamment en utilisant ce géopolymère se présentant sous forme de particules et conditionné par exemple sous forme de colonne, le géopolymère formant ainsi un lit fluidisé dont la fluidisation est assurée par le flux à traiter. En variante, le procédé de séparation peut aussi être mis en œuvre en discontinu, en mode « batch », la mise en contact di géopolymère et du flux à traiter étant alors réalisée avantageusement sous agitation. Le conditionnement en colonne permet de traiter en continu des quantités importantes de flux, avec un fort débit de celles-ci.
Le temps de contact du flux à traiter avec le géopolymère fonctionnalisé objet de la présente invention est variable et peut aller, par exemple, de 1 min à 1 h pour un fonctionnement en continu et, par exemple de 10 min à 36 h et, par exemple, de 24 h pour un fonctionnement en « batch ».
Par ailleurs, comme le géopolymère fonctionnalisé peut se présenter sous forme de monolithes, ce dernier peut être utilisé comme un matériau de conditionnement piégeant les éléments contenus dans ce conditionnement et susceptibles de s'écouler en- dehors de ce dernier.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront encore à l'homme du métier à la lecture des exemples ci-dessous donnés à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La Figure 1 est une schématisation des étapes principales du procédé de préparation d'un géopolymère apte à piéger au moins un ion et de son utilisation dans la décontamination d'un effluent liquide contenant ledit au moins un ion.
La Figure 2 présente des photographies du matériau obtenu lors des différentes étapes permettant la création d'un géopolymère à porosité contrôlée. L'échantillon présenté possède une porosité théorique de l'ordre de 25% en volume.
La Figure 3 présente des photographies suivant, dans le temps, l'étape permettant la création d'un géopolymère à porosité contrôlée (L'échantillon présenté possède une porosité théorique de l'ordre de 25% en volume). EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
I. Procédé de préparation d'un géopolymère à porosité contrôlée.
1.1. Procédé par impression 3D directe.
Etape 0 : Modélisation du réseau percolant sur ordinateur, la géométrie de remplissage de la pièce est choisie pour correspondre à une géométrie complexe.
Etape 1 : Impression de la pièce sur une imprimante 3D à dépôt de fil (type FDM), le filament choisi est une formulation de géopolymère répondant à la formule exprimée en moles, suivante : 3.8 SiO? : 1.0 AI2O3 : 1.0 Na?O : 11.0 H2O. Les paramètres d'impression sont :
Hauteur de couche : 0.5 mm ;
Taille de la buse : 0.8 mm ;
Type de remplissage : Gyroïde ;
Taux de remplissage : 20 à 80% ;
Pas de chauffage du plateau, ni de la buse, la technique revenant à un dépôt de pâte de géopolymère à l'état frais.
1.2. Procédé par impression 3D inverse.
Le protocole suivi pour réaliser un géopolymère via une impression 3D inverse est le suivant :
Etape 0 : modélisation du squelette sacrificiel sur ordinateur, la géométrie de remplissage de la pièce est choisie pour correspondre à une géométrie complexe.
Etape 1 : Impression de la pièce sur une imprimante 3D à dépôt de fil (type FDM), le filament choisi est du HIPS. Les paramètres d'impression sont une température de 240°C pour la buse et de 110°C pour le plateau d'impression.
Etape 2 : i. Formulation d'un mélange géopolymérique, qui consiste au mélange d'une solution d'activation et de métakaolin dans les proportions correspondantes à la formulation exprimée en moles, suivantes : 3.8 SiÛ2 : 1.0 AI2O3 : 1.0
Tl Na?O : 11.0 H2O. Pour ce faire, sont utilisés 54,2 g de BETOL 52T (source alumino-silicatée), 0,5 g d'eau, 2 g de NaOH et 43,3 g de métakaolin IMERYS M1000.
Ensuite, l'ensemble est mis sous agitation afin de garantir l'homogénéité de la pâte géopolymérique. ii. Immersion de squelette sacrificiel polymérique dans celle-ci. L'échantillon est ensuite mis sous ultrasons pendant 30 secondes, afin d'enlever les bulles d'air résiduelles dans le géopolymère. D'autres techniques peuvent être utilisées comme le mise sous vide pour enlever les bulles d'air résiduelles, ou alors la mise en place d'un moule spécifique qui permettrait de pousser la pâte dans le squelette sacrificiel (i.e. une seringue adaptée).
Etape 3 : Cette étape consiste à laisser durcir le matériau composite (géopolymère comprenant le squelette sacrificiel) pendant 7 jours, ce qui permet au géopolymère de développer une résistance mécanique suffisante pour l'étape suivante. Une préparation de surface de l'échantillon est nécessaire afin de mettre à nu la surface du squelette sacrificiel : les deux extrémités du geofiltre sont tronçonnées à la scie circulaire ou à fil pour mettre à jour les canaux du squelette sacrificiel.
Etape 4 : Libération de la porosité par dissolution du polymère (HIPS) présent dans le matériau. Pour cela, le matériau est immergé dans du dichlorométhane sous agitation, celui-ci est laissé jusqu'à stabilisation de sa masse. Le matériau ainsi préparé possède alors une porosité contrôlée.
Une fois séché (étuve ou sous air, à une température comprise entre la température ambiante et 30°C, pendant une durée comprise entre 2 h et 4 h), le matériau est alors prêt pour l'étape suivante du procédé (greffage).
Les étapes 1 à 4 sont illustrées sur la Figure 2 dans le cas d'un géopolymère avec 25% en volume de porosité par rapport au volume total (75% de volume occupé par du géopolymère). La photographie de l'étape 1 correspond au squelette sacrificiel en HIPS obtenu par impression 3D. La photographie de l'étape 2 correspond au remplissage par de la matrice géopolymérique. La photographie de l'étape 3 réalisée après durcissement du géopolymère correspond à une coupe transversale du matériau obtenu, permettant de visualiser l'encapsulation du squelette sacrificiel dans ce dernier. La photographie de l'étape 4 réalisée après libération de la porosité suite à la dissolution du squelette sacrificiel en polymère correspond à une coupe transversale du géopolymère obtenu, permettant de visualiser la porosité de ce dernier correspondant à l'emplacement du squelette sacrificiel.
La Figure 3 s'intéresse à l'étape 4 de dissolution du squelette sacrifiel en HIPS, on peut remarquer une géométrie complexe et contrôlée à l'intérieur du matériau.
II. Procédé de fonctionnalisation de ce géopolymère à porosité contrôlée.
Les étapes de greffage sont réalisées à la suite de l'étape de libération de la porosité.
L'étape 0 de pré-traitement est optionnelle. Toutefois l'étape 4 « libération de la porosité » du processus « Préparation d'un géopolymère à porosité contrôlée » peut être effectuée de manière simultanée avec l'étape 2 du greffage en l'absence d'étape 0.
Etape 0 : Pré traitement acide du filtre geopolymère puis séchage
Immersion du filtre en suspension dans une solution d'acide nitrique 0.1 M à température ambiante sous faible agitation sans contact entre le mobile d'agitation et le filtre.
Immersion du filtre en suspension dans une solution de toluene à température ambiante sous faible agitation sans contact entre le mobile d'agitation et le filtre.
Etape 1 : Le réactif de greffage utilisé est le 3
(diéthylamino)propyntriméthoxysilane de CAS : 41051-80-3 et de formule :
Etape 2 : Greffage des groupements extractants sur le géopolymère par mise en contact et chauffage de ce dernier avec le réactif de greffage dans du dichlorométhane au reflux (40°C) pendant une nuit (1 mmol reactif de greffage /g de geofiltre/10 ml de solvant). Etape 3 : Lavage des impuretés résiduelles à l'aide de lavages répétés dans du dichlorométhane dans un appareillage Soxhlet (150 ml de solvant au reflux pendant une nuit sur un filtre placé dans une cartouche de cellulose).
Etape 4 : Séchage de l'échantillon en étuve (80°C, une nuit) le matériau est alors prêt pour être analysé.
III. Caractérisation du géopolymère fonctionnalisé obtenu.
Il est possible de caractériser le géopolymère obtenu par le procédé selon l'invention par différentes techniques. A titre d'exemples de telles techniques, on peut citer la gravimétrie, la porosimétrie (gaz, mercure), la résonance magnétique nucléaire comme la MAS-RMN (pour « Magic Angle Spinning »-RMN), la spectroscopie Infrarouge comme la spectroscopie infrarouge à Transformée de Fourier (ou FTIR pour « Fourier Transformed Infra-Red spectroscopy ») et l'analyse thermogravimétrique couplée DSC (pour « Calorimétrie Différentielle à Balayage »).
Le Tableau 2 ci-après présente les caractérisations après greffage dans le cas d'un géopolymère avec 25% en volume de porosité, fonctionnalisé par le réactif de greffage : 3-(diéthylamino)propyl]triméthoxysilane dont la fonction réactive est le triméthoxy silane et le groupement extractant avec connecteur est la diéthylpropyle amine.
Ce groupement extractant peut être destiné à l'extraction de actinides (Uranium) de solutions organiques, mais également être utilisé dans la dépollution des eaux de métaux de transition/métalloides (par exemple, arsénic, plomb, cuivre, cadmium.
La prise de masse globale, couplée avec l'apparition des signaux en MAS- RMN (analyse des signaux RMN obtenus directement par analyse du solide) sur les spectres 13C typiques des chaînes alkyles liées à l'amine ainsi que la diminution de surface spécifique mesurée (liée au recouvrement de la surface par les fonctions organiques) confirme la fonctionnalisation par greffage du géopolymère poreux fabriqué par 3D inverse.
Tableau 2 : Caractérisations prouvant la fonctionnalisation d'un géopolymère à porosité contrôlée
Références bibliographiques
[1] Steins et al, 2014, "Effect of aging and alkali activator on the porous structure of a geopolymer", Journal of Applied Crystallography, vol. 47, pages 316-324.
[2] Lee et al, 2017, "Adsorption characteristics of cesium onto mesoporous geopolymers containing nano-crystalline zeolites", Microporous and Mesoporous Materials, vol. 242, pages 238-244.
[3] Luukkonen et al, 2020, "Ag- or Cu-modified geopolymer filters for water treatment manufactured by 3D printing, direct foaming, or granulation", Scientific Reports, vol. 10, pages 1-14.
[4] Cepollaro et al, 2021, "Cu-exchanged 3D-printed geopolymer/ZSM-5 monolith for selective catalytic reduction of NOx", Chemical Engineering Transactions, vol. 84, pages 67-72.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour préparer un géopolymère apte à piéger au moins un ion, comprenant :
- la préparation d'un géopolymère, laquelle préparation comprend au moins une étape durant laquelle une impression 3D est utilisée ; et
- la fonctionnalisation du géopolymère ainsi préparé par au moins un groupement extractant spécifique dudit au moins un ion, ledit groupement extractant ne présentant pas de fonction amine -NHz.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit géopolymère est un géopolymère mésoporeux avec éventuellement des macropores non connectés.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit géopolymère est une mousse de géopolymère.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit au moins un groupement extractant est choisi dans le groupe constitué par :
- une fonction ammonium de formule -N+(RI)(R2)(R3) avec Ri, R? et R3, identiques ou différents, représentant un atome d'hydrogène, un radical alkyle ou un radical aryle ;
- une fonction amine de formule -N(R4)(Rs) avec R4 et Rs, identiques ou différents, représentant un atome d'hydrogène, un radical alkyle ou un radical aryle, à condition que, lorsque R4 représente un atome d'hydrogène, Rs ne représente pas un atome d'hydrogène ;
- une fonction amide de formule -C(=O)-N(R6)(R?) ou -N(Re)C(=O)-(R7) avec Re et R7, identiques ou différents, représentant un atome d'hydrogène, un radical alkyle ou un radical aryle , - une fonction phosphorée de formule -X2-P(=Xi)n(X3R8)(X4R9) avec n représentant 0 ou 1, Xi représentant un atome d'oxygène ou un atome de soufre, X2, X3 et X4, identiques ou différents, représentant une liaison chimique, un atome d'oxygène, un atome de soufre ou un groupe -CR10R11-, Rs et R9, identiques ou différents, représentant un atome d'hydrogène, un radical alkyle ou un radical aryle et Rio et Ru, identiques ou différents, représentant un atome d'hydrogène ou un radical alkyle ;
- une fonction diglycolamide de formule -N(Ri2)-C(=O)-CH2-O-CH2-C(=O)- N(RI3)(RI4) avec R12, R13 et R14, identiques ou différents, représentant un radical alkyle ou un radical aryle ;
- une fonction amine ou polyamine à groupements acide acétique de formule -[N(CH2COOH)-C2H4]m-N(CH2-COOH)2 avec m représentant 0 ou un nombre entier notamment choisi dans le groupe constitué par 1, 2, 3 et 4 ;
- une fonction acide sulfonique -(CH2)P(SO3H) avec p représentant 0 ou un nombre entier notamment choisi dans le groupe constitué par 1, 2, 3, 4 et 5 ;
- une fonction urée de formule -NRi5-C(=O)-N(Rie)(Ri7) avec Ris, Rie et R17, identiques ou différents, représentant un atome d'hydrogène, un radical alkyle ou un radical aryle ,
- une fonction de type macromoléculaire ou une fonction polydentée telle qu'un éther couronne, un thioéther-couronne, un calixarène, une porphyrine, une phtalocyanine, une pyrazoline, une phénantroline, un acide éthylènediaminetriacétique, un acide éthylènediaminetetracétique (EDTA), un 1,4,7,10-tétraazacyclododécane- 1,4,7, 10-tétraacétate (DOTA) et un diéthylène triamine pentaacétate (DTPA) ; et
- toute combinaison de ces dernières.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite fonctionnalisation du géopolymère par au moins un groupement extractant est directe.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite fonctionnalisation du géopolymère par au moins un groupement extractant est indirecte, un connecteur étant lié, d'une part, à la surface dudit géopolymère et, d'autre part, audit groupement extractant.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite préparation du géopolymère comprend les étapes consistant à : ai) préparer un mélange géopolymérique ; bi) soumettre ledit mélange géopolymérique préparé à l'étape ai) à une impression 3D ; et ci) laisser durcir ledit mélange géopolymérique imprimé à l'étape bi) moyennant quoi un géopolymère est obtenu.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite préparation du géopolymère comprend les étapes consistant à : a?) préparer, par impression 3D, un support sacrificiel ; b?) mettre en contact ledit support sacrificiel préparé à l'étape a?) avec un mélange géopolymérique préalablement préparé ;
C2) laisser durcir ledit mélange géopolymérique en contact avec ledit support sacrificiel ; et d?) éliminer ledit support sacrificiel moyennant quoi un géopolymère est obtenu.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la fonctionnalisation du géopolymère comprend les étapes consistant à : i) mettre en contact le géopolymère avec une molécule comprenant au moins un groupement extractant et au moins une fonction réactive dans des conditions permettant la formation d'au moins une liaison covalente entre ladite molécule et ledit géopolymère ; et ii) éliminer ladite molécule n'ayant pas réagi avec ledit géopolymère lors de l'étape i), moyennant quoi un géopolymère fonctionnalisé par au moins un groupement extractant est obtenu.
10. Géopolymère apte à piéger au moins un ion préparé selon un procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 9, ledit géopolymère se présentant sous forme d'un géopolymère mésoporeux avec éventuellement des macropores non connectés ou sous forme d'une mousse et étant fonctionnalisé, directement ou indirectement, par un groupement extractant spécifique d'au moins un ion, le groupement extractant ne comprenant pas de fonction amine -NHz.
11. Utilisation d'un géopolymère selon la revendication 10 pour séparer au moins un ion d'un flux contenant ledit au moins un ion.
12. Utilisation selon la revendication 11, caractérisée en ce que ledit flux contenant au moins un ion est choisi dans le groupe constitué par un prélèvement aérien extérieur, un prélèvement aérien provenant d'industries du domaine chimique, agroalimentaire, pharmaceutique, cosmétique ou nucléaire, de l'eau de ville, de l'eau de rivière, de l'eau de mer, de l'eau de lac, un effluent issu d'une station d'épuration, une eau usée, un effluent liquide ménager, un effluent liquide médical ou hospitalier, un effluent liquide industriel et un de leurs mélanges.
13. Utilisation selon la revendication 11 ou 12, caractérisée en ce que ledit ion est un ion métallique ou métalloïde.
14. Utilisation selon la revendication 13, caractérisée en ce que ledit ion métallique ou métalloïde est un ion d'un élément choisi parmi le mercure, l'or, l'argent, le platine, le plomb, le fer, l'indium, le gallium, l'aluminium, le bismuth, l'étain, le cadmium, le cuivre, le lithium, l'arsenic, le nickel, le zinc, le titane, le cobalt, le manganèse, le palladium, le curium, l'américium, le radium, le ruthénium, le thorium, l'uranium, le plutonium, l'actinium, l'ytterbium, l'erbium, le terbium, le gadolinium, l'europium, le néodyme, le praséodyme, le cérium, le césium, le thallium, le strontium et le lanthane.
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