Academic literature on the topic 'Échangeur d'ions minéral'

Les alumino, titano et zircono-silicates zéolithiques sont des matériaux présentant des propriétés intéressantes pour de nombreuses applications dans la pétrochimie, l'agriculture, le médical, le stockage d'énergie ainsi que la décontamination d'effluents. Dans le domaine du traitement des effluents radioactifs, leurs propriété d'échange d'ions font de ces matériaux des extractants de radionucléides efficaces avec de bonnes sélectivités (e.g. césium ou strontium). Leurs compositions (le ratio Al/Si, Ti/Si, Zr/Si… ; la nature et la charge des métaux ; la nature, la charge, la concentration et la taille de l'ion échangeable) ainsi que la structure cristalline (amorphe, 2D lamellaire, 3D cage ou tunnel) vont avoir des effets sur les mécanismes d'échange ionique (cinétique, spécificité, stabilité). Ces paramètres vont aussi influencer la capacité de sorption ainsi que la sélectivité que le matériau a pour un ion. Lors de cette thèse, les relations structure/propriété de différents silicates seront étudiées dans le but d'appréhender les mécanismes de sorption. A cette fin, les synthèses de plusieurs silicates seront menées et optimisées. Par la suite, différentes techniques de caractérisation seront misent en place afin d'analyser les propriétés structurales, morphologiques et la composition des silicates. Enfin, ces matériaux seront mis en œuvre pour le traitement d'effluents modèles et d'effluents réels simulés, afin d'évaluer leurs performances et les mettre en lien avec leurs caractéristiques structurales et texturales
Alumino, titano and zircono-silicates zeolitic materials exhibit good performances in applications such as catalysis, gas separation and confinement. In addition, these kind of materials has been successfully used in different fields like petrochemistry, agriculture, medical, energy storage and nuclear decontamination. Their ion exchange properties make them very selective for radionuclides extraction (e.g. cesium or strontium) from wastewater treatment. Their composition (Al/Si, Ti/Si, Zr/Si ratio; “metal” nature and charge; labile ion nature, charge, size and concentration) and their framework structure (amorphous, 3D cage or tunnel) affect the ion exchange mechanism (i.e. kinetics, specificity, stability). These parameters may also modify the sorption capacity and the ion selectivity. In the present PhD, the relationship between structure and properties of several silicates will be studied in order to better understand their sorption mechanisms. To this end, the synthesis of different silicates will be performed and optimized. Then, their structures, morphologies and compositions will be analyzed by the application of different characterization techniques. Finally, this materials will be implemented to effluent treatments (i.e. model effluent and simulate real effluent) to evaluate their performances and find the connection between the structural and textural properties

Ce mémoire porte sur l'étude de la réactivité d'apatites nanocristallines analogues au minéral osseux. Les apâtites nanocristallines obtenues par précipitation en milieu aqueux possèdent des caractéristiques physico-chimiques analogues à celles du minéral osseux. Elles présentent une couche hydratée d'environnements non apatitiques qui renferment des ions minéraux responsables de leur réactivité. Ces ions très facilement mobilisables leur permet de participer à bon nombre de réactions de substitution et leur confère une capacité de réservoir d'ions. Ils pourraient par ailleurs affecter les propriétés physico-chimiques de la surface et jouer un rôle important dans l'activité des cellules osseuses. Nous nous sommes plus particulièrement intéressé aux échanges cationiques au cours de la maturation de ces apatites. La quantité d'environnement non-apatitiques décroît diminuant ainsi la réactivité des cristaux. Le taux d'échange cationique apatitiques semble directement lié au cation considéré. Les échanges effectués avec des cations monovalents tels que le sodium ou le potassium, nous ont permis de mettre en évidence une très faible affinité de ces derniers pour les nanocristallites d'apatite. Nous nous sommes également intéressé aux substitutions davec des cations divalents connus pour leur activité biologiqu tels que le strontium ou le magnésium et aux modifications physico-chimiques induites par ce genre d'échange. Le traitement des apatites dans une solution de calcium nous a permis de mettre en évidence la réversibilité de ces échanges, le taux de cations introduits dans la structure apatitique au cours de l'échange semble lié à divers paramètres. Intérêt également pour le minéral osseux, nous avons étudié l'effet du strontium sur des os de guenons macaque en collaboration avec les laboratoires Servier. Ce traitement permettrait de compenser la perte osseuse entraînée par l'ostéoporose.

L'objet de ce travail est de mettre en evidence le phenomene de colmatage des membranes echangeuses d'ions lors de l'electrotransport d'ions organiques et mineraux dans le but d'optimiser le procede d'extraction et de separation des molecules organiques chargees par electrodialyse. Nous avons montre que les ions hydrophobes peuvent se fixer au cur des membranes et provoquer un accroissement de la resistance electrique et une perte de la permselectivite des membranes

Les problèmes de pollution chimique de l'eau sont devenus une source de préoccupation importante et un enjeu prioritaire pour les industriels du nucléaire. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier certains minéraux échangeurs ioniques utilisables pour une décontamination liquide en strontium (radioisotope toxique pour l'homme). Mais également de relier les propriétés physico-chimiques de ces matériaux avec leurs propriétés de rétention du radioisotope. Ce mémoire présente donc la synthèse de deux matériaux choisis pour leurs propriétés de sorption spécifique et quantitative du strontium : le nonatitanate de sodium et la zéolithe A. Une seconde partie du travail est dédiée à l'étude des capacités d'échange spécifique de ces matériaux vis-à-vis du strontium en présence d'autres éléments comme le sodium et le calcium. Le nonatitanate de sodium et la zéolithe A ont également été testés sur des effluents réels. Les performances d'un monolithe de zéolithe A ont été évaluées pour un procédé de traitement en colonne. Ce matériau semble prometteur pour la décontamination d'effluents car il permet de cumuler les avantages de la poudre de zéolithe A avec ceux d'un transfert de matière sans perte de charge du solide
The problems of chemical pollution of water have become a major concern and a priority for the nuclear industry.The aim of this work is to study some ion exchangers used for the removal of strontium ions because 90Sr is one of a major pollutant in nuclear liquid wastes. This study allows linking the physical and chemical properties of these materials and their sorption properties. This work presents therefore the synthesis of two materials - sodium nonatitanate and zeolite A - selected for their specific sorption properties of strontium: A second part of this work is dedicated to the study of specific exchange capacities of these materials for the strontium in presence of other elements such as sodium and calcium. Batch experiments were performed and kinetic and ion exchange models have been applied to understand the selectivity of the materials for strontium removal. Sodium nonatitanate and zeolite A are also studied in actual effluents.Monoliths of zeolite A have been also tested in dynamic ion exchange process. This material is promising for the treatment of radioactive effluents in continuous flow because it joins the sorption properties of the zeolite powder with the advantage of a solid with a macroporous network

Suite à la catastrophe nucléaire de Fukushima Dai-Ichi, des milliers de tonnes d’eau douce et d’eau de mer ont été utilisées pour le refroidissement des réacteurs ou contaminées du fait des infiltrations souterraines. La décontamination de ces eaux est rendue difficile par la présence d’autres cations (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) présents naturellement dans ces eaux. Un procédé de décontamination en colonne garnie de deux types adsorbants minéraux, le TERMOXID 35 et le SORBMATECH® 202, a été étudié dans ce contexte. Le premier est un adsorbant commercial constitué du ferrocyanure mixte K/Ni imprégnés sur une matrice solide Zr(OH)4. Le second, synthétisé au CEA, est composé de ferrocyanure K/Cu imprégnés sur une matrice solide SiO2. Ces deux matériaux se sont révélés extrêmement efficaces pour décontaminer le Cs dans l’eau de mer avec des Kd,Cs de l’ordre de 105 mL/g.Les études menées en batch dans différentes solutions (eau pure, eau douce et eau de mer) ont permis de mettre en évidence les cinétiques de sorption ainsi que les mécanismes d’échange d’ions responsables de la sorption du Cs+ en tenant compte des effets compétitifs des cations des eaux naturelles. La modélisation des batchs a été menée avec le code géochimique CHESS en prenant en compte ces effets compétitifs selon le formalisme de Vanselow et les coefficients de sélectivité en constituant une base de données thermodynamiques spécifique. Les performances de ces matériaux ont ensuite été testées en colonne. Les paramètres opératoires tels que la vitesse de Darcy et le ratio H/D ont été étudiés pour définir les conditions de bon fonctionnement de ce procédé. Le T35 s’est révélé être moins performant du fait notamment de la diffusion lente du Cs dans les pores de ce matériau. Le S202 s’est révélé être un bon candidat pour l’application de forts débits de traitement. Les courbes de percée ainsi obtenues dans l’eau douce ont par ailleurs fait l’objet de modélisation avec les codes de transport réactif HYTEC et OPTIPUR couplés à la base CHESS de données thermodynamiques. Cette démarche permettra de mieux dimensionner les unités de décontamination définies par l’exploitant
Following the nuclear disaster in Fukushima Dai-Ichi, thousands of tons of fresh water and seawater were used for cooling the reactors or contaminated as a result of groundwater seepage. Decontamination of these waters is complicated by the presence of other cations (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) naturally present in these waters. Decontamination process in columns packed was studied in this context with two types of mineral adsorbents: the TERMOXID 35 and the SORBMATECH® 202. The first one is a commercial adsorbent and consists of mixed ferrocyanide K/Ni impregnated over a solid matrix Zr(OH)4. The second one was synthesized in CEA and is composed of ferrocyanide K/Cu impregnated over a solid matrix SiO2. Both materials have shown a high efficiency for Cs decontamination in seawater with Kd,Cs of about 105 mL/g.Batch studies conducted in different solutions (pure water, fresh water and seawater) allowed determining sorption kinetics and ion exchange mechanisms responsible for the sorption of Cs+, taking into account competitive effects of the natural water cations (Na+, K+, Ca2+, Mg2+). Modelling of batchs was performed with the geochemical code CHESS considering competitive effects according to the Vanselow formalism and selectivity coefficients, developing a specific thermodynamic database. The performances of these materials were then tested in column. The operating parameters such as Darcy’s velocity and the H/D ratio were studied for a proper functioning of this process. The T35 has proven to be less efficient mainly because of the slow diffusion of Cs in the pores of the material. The S202 has proven to be a good candidate for the application of high flow rates. The breakthrough curves obtained in fresh water have been modelled with the reactive transport codes HYTEC and OPTIPUR using the CHESS thermodynamic database. This approach will eventually help to support the design of a decontamination unit by the operator

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la décontamination des effluents aqueux radioactifs, fortement salins et contenant plus spécifiquement du 90Sr.Deux échangeurs ioniques contenant des ions Ba2+, un titanate de baryum et une zéolithe LTA au baryum, ont été étudiés pour extraire le Sr de ce type d’effluents. L’originalité de ces extractants tient dans leur double mécanisme d’extraction du strontium : d’une part, le strontium en solution est extrait principalement par échange d’ions avec les ions Ba2+ du matériau ; et d’autre part, les ions Ba2+ libérés en solution précipitent à la surface de l’échangeur ionique avec les sulfates présents dans l’effluent et entraînent le Sr par un second mécanisme de coprécipitation. La coprécipitation du strontium avec le sulfate de baryum est cruciale au sens où elle conduit à une sélectivité élevée pour le strontium vis-à-vis du calcium. Cette étude mécanistique et comparative ouvre la voie au développement de nouveaux sorbants sélectifs du strontium.La zéolithe au baryum, qui s’avère plus performante (meilleures capacité et sélectivité) que le titanate de baryum pour le traitement d’effluents salins, a été évaluée pour une utilisation dans des procédés de types industriels (réacteur agité et colonne). Des expériences menées à sursaturation ou proportion des réactifs de précipitation [SO4]/[Ba] variables permettent d’identifier les conditions optimales d’utilisation des poudres de zéolithe au baryum en réacteur agité de type batch. Ces résultats montrent tout le potentiel de ce matériau en remplacement du procédé actuel de coprécipitation en réacteur agité mis en œuvre dans les STEL. Des billes de zéolithe au baryum ont également été évaluées pour le traitement des effluents en procédé continu de type colonne. La cinétique de diffusion des ions dans le matériau s’avère limitante pour ce procédé continu et la mise en forme du matériau reste à optimiser.Mots-clés : décontamination, strontium, sélectivité, échange d’ions, titanate, zéolithe LTA, coprécipitation, sulfate de baryum
This thesis concerns the treatment of radioactive wastewaters, specifically 90Sr containing highly saline effluents.Two types of Ba2+ containing ion exchange materials were examined as possible Sr sorbents: a barium titanate and a barium zeolite LTA. The extractants originality lies in its double extraction mechanism. Firstly, the majority of the Sr present in the solution is removed via ion exchange with the Ba present in the sorbent. A secondary process then sees the now free Ba precipitate onto the sorbents surface as BaSO4. The effluent itself is the sulfate source. This precipitation reaction initiates a second coprecipitation reaction with the remaining Sr. Strontium coprecipitation with barium sulfate is crucial to leading to a high strontium selectivity in the presence of calcium. This thesis outlines a mechanistic and comparative study which will hopefully open the way to the development of new strontium selective sorbents.The barium zeolite, which is more efficient (higher capacity and selectivity) than the barium titanate for treatment of saline effluents, was evaluated for use in industrial type processes (stirred reactor and column). Experiments conducted with variable supersaturation or molar ratio [SO4]/[Ba] allowed us to identify optimal conditions for the use of barium zeolite powders in batch type stirred reactor. These results demonstrate the potential of this material to replace the current coprecipitation process in stirred reactors, which is carried out in effluent treatment plants. Barium zeolite beads were also evaluated for effluent treatment in a column type continuous process. Ion diffusion kinetics in the material were shown to be limiting for this continuous process. The material shaping has still to be optimized.Keywords: decontamination, strontium, selectivity, ion exchange, titanate, zeolite LTA, coprecipitation, barium sulfate

La coquille de l’œuf est un biominéral qui protège l’embryon au cours de son développement. La coquille se forme dans l’utérus de poule et est constituée majoritairement de carbonate de calcium (CaCO3) et d’une faible proportion de matrice organique. La formation de la coquille requiert de grandes quantités de calcium et de bicarbonates, dont l’apport est le résultat de transports trans-épithéliaux importants dans l’endothélium utérin. La matrice organique joue un rôle fonctionnel important au niveau de la formation de la coquille et dans l’établissement de ses propriétés mécaniques remarquables. L’objectif de ce travail de thèse a été d’identifier les gènes et protéines de l’utérus impliqués dans le transfert minéral, la calcification de la coquille et la protection antimicrobienne de l’œuf de poule. Pour ce faire, nous avons utilisé des puces à ADNc pour une identification globale des gènes spécifiquement exprimés dans l’utérus, lors de la calcification de la coquille. Cette approche transcriptomique a été basée sur la séquence spatiale et temporelle de la synthèse et des secrétions des constituants de l’œuf le long de l’oviducte. L'expression des gènes de l'utérus pendant la minéralisation de la coquille a été comparée à celle du magnum et de l’isthme impliqués respectivement dans la synthèse du blanc et des membranes coquillières. Cette étude révèle 605 transcrits spécifiquement surexprimés dans l'utérus. Ces transcrits correspondent à 469 gènes et 437 protéines. L’analyse de la fonction des transcrits utérins met en évidence une surexpression importante des gènes codant des protéines impliquées dans le transport et/ou la liaison aux ions. L’approche transcriptomique identifie également 54 protéines avec un signal peptide, donc potentiellement sécrétées pour être déposées dans la coquille pour jouer un rôle biologique. L’analyse des fonctions potentielles de ces 54 protéines sécrétées, à l’aide des domaines protéiques et des données bibliographiques a permis un classement en quatre groupes. De nombreuses protéines présentent une capacité à lier les ions et notamment le calcium, et pourraient donc être impliquées dans le contrôle de la minéralisation de la coquille. Plusieurs protéines présentent également une activité antimicrobienne potentielle ou avérée. Un troisième groupe de protéines est constitué de protéases et anti-protéases qui pourraient jouer un rôle essentiel dans la régulation de l’activité des protéines impliquées dans la biominéralisation de la coquille. Enfin un ensemble de protéines joueraient un rôle dans le repliement protéique nécessaire à la minéralisation ordonnée. L’approche transcriptomique a également permis l’identification de nouvelles protéines impliquées dans les transports ioniques trans-épithéliaux. Leur implication dans l’apport des précurseurs minéraux de la coquille a été confirmée et testée en comparant leur expression à deux autres tissus (magnum et duodénum) où les transferts trans-épithéliaux en calcium et en bicarbonates sont respectivement faibles et forts. Cette approche a identifiée 33 gènes essentiels à l’apport du calcium et des ions bicarbonates. Ce travail constitué la base d’un schéma global et cohérent de l’apport des constituants minéraux nécessaires à la formation de la coquille dans l’utérus
The chicken eggshell is a biomineral which protects the embryo during its development. The eggshell formation takes place in the hen’s uterus. The eggshell mainly contains calcium carbonate (CaCO3) and a few amount of organic matrix. The eggshell formation required high calcium and bicarbonate ions, which are provided by important trans-epithelial transports through the uterine endothelium. The organic matrix plays an important role in the eggshell fabric and in the establishment of its remarkable mechanical properties.The aim of this PHD study was to identify the genes and proteins of the uterus, involved in the mineral transfer, the eggshell calcification and the antimicrobial protection of the egg. We have used cDNA microarrays to allow a global identification of genes specifically expressed in the uterus during the process of eggshell calcification. In this transcriptomic approach, we have used the spatial and temporal sequence of synthesis and secretions of the egg components along the oviduct. The expression of genes in the uterus was compared during the mineralization of the eggshell with magnum and isthmus tissues, which are involved in the egg white synthesis and the eggshell membranes deposit respectively. This study revealed 605 specifically over expressed transcripts in uterus, which are corresponding to 469 genes and 437 proteins. Uterine transcripts analysis highlighted an important over expression of genes coding ion transports and ion binding proteins. The transcriptomic approach also revealed 54 proteins with a signal peptide, potentially secreted to be deposited in the eggshell to play a biological role. These 54 secreted proteins were classified according to their putative biological functions using protein databases and bibliographic data. Among these proteins, many exhibited calcium and ion binding properties, and consequently could be implied in the control of the eggshell mineralization. Several proteins also present antimicrobial activities. A third group of proteins consists of proteases and anti-protease, which could play a crucial role in the control of the biomineralization of the eggshell. Finally, a group of proteins might be involved in proper folding of the eggshell matrix proteins, which is important to ordered mineralization. The transcriptomic approach also allowed the identification of new proteins involved in uterine trans-epithelial ion transports. Their involvement in supplying eggshell precursors was confirmed by comparing their expression with two other tissues (magnum and duodenum), in which calcium and bicarbonate trans-epithelial transfers are weak and strong respectively. This approach allowed the identification of 33 important genes involved in calcium and bicarbonate ions supplies, a prerequisite needed for the eggshell calcification. This work produced a global and coherent description of the mechanisms supplying the mineral for uterine eggshell formation

Cette étude est consacrée à l'effet des échanges cationiques sur la stabilité des milieux poreux argileux. Elle allie résultats expérimentaux et modélisation. Le milieu poreux étudié est un grès argileux naturel riche en illite, originaire des Vosges. Les expériences, menées en réacteur fermé et en écoulement sur des carottes de grès naturellement consolidées, ont permis de relier les réductions de perméabilité du milieu poreux aux compositions transitoires, engendrées par échange cationique, lors du remplacement de la solution en place par une solution de salinité plus faible. Pour des solutions aqueuses de chlorure de cation alcalin, à pH neutre ou basique, la diminution de la salinité injectée provoque un échange cationique entre les cations alcalins et les protons de l'eau. Il en résulte une composition transitoire déstabilisante, caractérisée par une salinité faible et un pH élevé. Les variations transitoires de pH sont modélisées en tenant compte d'une capacité d'échange cationique variable avec le pH et de l'échange cationique avec les protons. Pour les mélanges de chlorure de cation alcalin et de chlorure de calcium, à pH neutre, la stabilité du milieu poreux dépend du niveau global de la salinité et de la fraction ionique de cations divalents calcium en solution. En écoulement, l'échange cationique entre les cations monovalents alcalins et les cations divalents calcium peut conduire à une diminution transitoire de la concentration de calcium en solution, et donc à un endommagement du milieu

Le projet de thèse s’inscrit dans le Projet Investissement d’Avenir (PIA) DEMETERRES, dont l’objectif est le développement de méthodes et de technologies pour la décontamination et la remédiation des sols et effluents contaminés après un accident nucléaire. L’objectif de cette thèse est de mieux appréhender les interactions de 137Cs et 90Sr avec les différentes composantes des terres agricoles et ainsi être capable de prédire l’état chimique dans lequel ces éléments se trouveraient dans les sols en cas d’accident nucléaire. Une base de données dans le formalisme des échangeurs d’ions multi-sites a été mise en place, représentant les comportements d’adsorption de Cs+ et Sr2+ dans les illites et smectites (deux des principaux minéraux argileux) vis-à-vis des cations majeurs environnementaux H+, Na+ et Ca2+. Cette base de données a par la suite été utilisée pour tenter de prédire le comportement d’adsorption de Cs+ et Sr2+ dans des échantillons de sols agricoles français (Pusignan, Etoile-sur-Rhône et Herqueville). De bonnes simulations du comportement d’adsorption de Cs+ et Sr2+ ont été obtenues sur Pusignan et Etoile-sur-Rhône. Dans le cas d’Herqueville, la suppression de la MON n’a pas amélioré l’accord entre les simulations et les expériences, tandis que l’élimination de l’aluminium échangeable a lui permis une meilleure simulation de l’adsorption de Sr2+, mais pas de Cs+. Ces travaux permettent de simuler efficacement le comportement d’adsorption de Cs et Sr dans des sols et ainsi d’appuyer les stratégies de décontamination et remédiation après un accident nucléaire
This study is part of the DEMETERRES project, which aims to develop new methods and technologies in the field of decontamination and remediation of contaminated soils and effluents after a nuclear accident. The objective of this PhD is to obtain a better knowledge of 137Cs and 90Sr interactions onto agricultural soils and to better predict the chemical state of these elements in soils after a nuclear accident. A database in the multi-sites ion exchanger formalism has been built, reflecting the adsorption behaviours of Cs+ and Sr2+ onto illite and smectite (two major clay minerals) with regards to major environmental cations: i.e. H+, Na+, and Ca2+. It was used to predict the adsorption of Cs+ and Sr2+ onto French agricultural soil samples (Pusignan, Etoile-sur-Rhône and Herqueville). Good simulations of the adsorption of Cs+ and Sr2+ onto Pusignan and Etoile-sur-Rhône are obtained. In the case of Herqueville, the removal of NOM does not improve the agreement between experimental results and simulations, but the removal of exchangeable aluminum allows a better representation of the adsorption results of Sr2+ onto Herqueville, but not for Cs+. This work allows efficiently simulating the adsorption of Cs and Sr onto soils and support decontamination and remediation strategies after a nuclear accident

Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la modélisation et à la simulation numérique de l'échange et du transfert de matière entre fluide aqueux et minéraux dans un processus qui associe réactions chimiques et transport. Notre application porte sur les skarns constitués de grenat ou de pyroxènes. Nous situons d'abord le problème dans son cadre thermodynamique et nous présentons un modèle de solution pour chaque phase et deux modèles de construction de la fonction isotherme obtenus à partir des potentiels chimiques ou en utilisant les constantes d'équilibre. Le modèle quantitatif a été obtenu en exprimant un bilan total isovolumique de matière ou en se restreignant à un bilan sur la phase fluide. En se plaçant sous l'hypothèse de la roche et les paramètres hydrogéologiques, nous obtenons un système hyperbolique de type 'modèle de la chromatographie'. Nous avons également étudié le problème d'interaction fluide-minéral dans un cas général et aussi quand la température devient assez grande. L'isotherme s'exprime sous la forme d'une isotherme de Langmuir. L'étude du modèle à un constituant nous permet de retrouver la condition de stabilité thermodynamique du système et d'envisager les conditions permettant de simplifier le modèle de la chromatographie à plusieurs constituantes. La partie numérique de ce travail consiste à tester l'influence des paramètres thermodynamiques sur la stabilité du système et sur le processus de la transformation et de valider le modèle en procédant à une confrontation aux observations géologiques sur divers cas tests.