Étude de la dispersion de particules d’oxyde de cérium en milieu CO2 dense en présence de copolymères amphiphiles siloxanés : Application à la décontamination en milieu nucléaire

Study of the dispersion of cerium dioxide particles in compressed CO2 in presence of siloxylated amphiphilic copolymers : application to nuclear decontamination

• Auteur / Autrice : Ivan Stoychev
• Direction : Patrick Lacroix-Desmazes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Montpellier 2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décontamination radioactive

Thermodynamique

Copolymères

Mots clés libres

Copolymères commerciaux siloxanés

CO2 dense

Point de trouble

Modélisation thermodynamique PC-SAFT

Stabilisation stérique

Décontamination de matrices polymères

Résumé

Dans le cadre du développement durable, le CO2 dense est devenu particulièrement intéressant pour la décontamination de déchets technologiques produits par l'industrie nucléaire car son utilisation génère peu d'effluents liquides secondaires contaminés. L'objectif de ce travail est d'extraire le contaminant radioactif dans un système anhydre par le couplage d'une action (mécanique ou ultrasonore) et d'une action physico-chimique (tensioactif). Initialement, la solubilité de tensioactifs commerciaux de type PEO-b-PDMS-b-PEO et PDMS-g-PEO dans le CO2 pur a été étudiée via des mesures expérimentales (point de trouble) et une modélisation thermodynamique PC-SAFT. Puis, l'effet de l'agitation et du tensioactif sur le comportement de nano-particules de CeO2 dans le CO2 a été étudié en détails. Cette étude a mis en œuvre un dispositif expérimental original permettant de suivre la turbidité de la suspension et son évolution au cours du temps. L'agitation mécanique a permis de réduite la taille des agglomérats jusqu'à 0,6 µm. Leur seuil de rupture a été quantifié en se basant sur le calcul de l'énergie dissipée par l'agitation à partir de modèles hydrodynamiques classiques. L'agitation ultrasonore a permis la destruction quasi complète des agglomérats. Ceci a permis d'étudier l'apport des tensioactifs sur la réduction de la cinétique de réagglomération des particules. Des suspensions ont été stériquement stabilisées sur une durée supérieure à trois jours. Une interprétation parallèle des phénomènes de sédimentation et de floculation via des modèles simples est proposée. Finalement, des efficacités d'extraction supérieures à 95 % ont été observées dans le cas de décontamination de matrices modèles.

In the frame of sustainable development, compressed CO2 has gained considerable attention for the decontamination of technological wastes generated by the nuclear industry because of the low generation of secondary liquid radioactive effluents. The objective of this work is to remove the radioactive contaminant in water free environment via the coupling of mechanical (stirring) and physicochemical (surfactants) forces. In a first step, the solubility of commercially available siloxylated block (PEO-b-PDMS-b-PEO) and graft (PDMS-g-PEO) copolymers in CO2 has been studied by experimental measurements (cloud point) and thermodynamic modelling (Perturbed-Chain Statistical Association Fluid Theory). Then, the effect of hydrodynamic and physicochemical contributions due respectively to the stirring (mechanical or by ultrasound) and to the surfactant on the behaviour of metal oxide nano-particles (CeO2) in CO2 has been studied in details. An original experimental setup has been proposed to study the evolution of the suspension turbidity in compressed CO2. In the case of mechanical stirring, the particle size of the agglomerate was estimated equal to 0. 6 µm and the kernel breakage was quantified on the basis of the dissipated stirring energy from classical hydrodynamical approaches. In the case of ultrasound stirring, an almost complete agglomerate destruction was observed which gave the possibility to study the effect of the surfactant on the re-agglomeration kinetics of the particles. In practice, solid suspensions have been sterically stabilised for several tens of hours. Finally, the decontamination of model matrixes was studied. Extraction efficiencies higher than 95 % have been observed.