Étude théorique de la décomposition thermique du nitrate d'ammonium en présence d'additifs et de contaminants

Theoretical study of the thermal decomposition of ammonium nitrate in presence of additives and contaminants

• Auteur / Autrice : Eleonora Menicacci
• Direction : Carlo Adamo, Patricia Rotureau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institute of Chemistry for Life and Health Sciences (i-CLeHS) (2017-....) - Institute of Chemistry for Life and Health Sciences (i-CLeHS) (2017-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Chimie Théorique et Modélisation (TCM)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure de chimie (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Alexis Markovits
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dorothée Berthomieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Joubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrate d'ammonium

Propriétés physico-chimiques

Mots clés libres

Propriétés physico-Chimiques dangereuses

Dft

Nitrate d’ammonium

Modélisation moléculaire

Ammonium nitrate

Dangerous physicochemical properties

Dft

Molecular modeling

Résumé

De nombreuses substances chimiques sont susceptibles de mener à des phénomènes d’incompatibilité, lors de leur mise en contact volontaire ou accidentelle avec d’autres substances ou matériaux. Pour maîtriser ces risques chimiques, notamment dans l’environnement industriel, une identification rapide et précise de ces incompatibilités est nécessaire. Cette identification s’effectue, jusqu’à présent, par des essais de laboratoire (DSC) et les résultats sont collectés, par exemple, dans les fiches de données de sécurité de chaque produit et dans des tables d’incompatibilité existant dans la littérature. Cependant, les informations fournies sont limitées et ne permettent pas d’identifier et de comprendre la relation cause-effet de l’incompatibilité entre deux substances concernées, ni le mécanisme chimique par lequel cette incompatibilité se produit. Dans ce contexte, la prédiction a priori de la réactivité entre deux molécules, ou plus, par modélisation moléculaire devient un outil complémentaire aux essais expérimentaux pour pouvoir comprendre et prédire de manière fiable les chemins réactionnels et les produits qui se forment lorsque des substances chimiques sont en contact. En vue d’améliorer la compréhension des mécanismes d’incompatibilités chimiques entre substances chimiques pour accroître la sécurité liée aux substances pendant leur utilisation, stockage et transport, une première thèse (S. Cagnina, 2011-2014), en collaboration avec Chimie ParisTech, s’est intéressée à comprendre à l’échelle moléculaire quelques mécanismes d’incompatibilités chimiques mettant en jeu le nitrate d'ammonium (NA) en utilisant les outils de chimie quantique, telle que la DFT . La thèse proposée vise à accumuler des cas d’études d’incompatibilités de contaminants avec le NA pour développer des méthodes de prédiction (en se focalisant sur les étapes clés des mécanismes réactionnels) de la présence ou non d’incompatibilité et ainsi aller vers le développement d’un outil informatique de prédiction. Un autre enjeu scientifique est d’associer aux considérations thermodynamiques, la dimension cinétique, pour prévoir notamment la cinétique de formation de produits dangereux. Les résultats seront confrontés à des essais réalisés à l’INERIS ou au CERL (Canadian Explosive Research Laboratory).

Many chemicals are likely to lead to incompatibility when they are brought into voluntary or accidental contact with other substances or materials. To control these chemical risks, particularly in the industrial environment, a rapid and precise identification of these incompatibilities is necessary. This identification is carried out so far by laboratory tests (DSC) and the results are collected, for example, in the safety data sheets of each product and in tables of incompatibility existing in the literature. However, the information provided is limited and does not make it possible to identify and understand the cause-effect relationship of the incompatibility between two substances concerned, nor the chemical mechanism by which this incompatibility occurs. In this context, a priori prediction of the reactivity between two molecules or more by molecular modeling becomes a complementary tool to the experimental tests in order to be able to reliably understand and predict the reaction paths and the products that form when chemical substances are in touch. A first thesis (S. Cagnina, 2011-2014), in collaboration with Chimie ParisTech, aims to improve the understanding of the mechanisms of chemical incompatibilities between chemical substances to increase the safety of substances during their use, storage and transport. Was interested in understanding at the molecular level some mechanisms of chemical incompatibilities involving ammonium nitrate (NA) using the tools of quantum chemistry, such as DFT. The proposed thesis aims to accumulate cases of incompatibility studies of contaminants with the NA to develop prediction methods (focusing on the key steps of the reaction mechanisms) of the presence or absence of incompatibility and thus go towards the Development of a prediction computer tool. Another scientific challenge is to associate with thermodynamic considerations, the kinetic dimension, to predict in particular the kinetics of formation of dangerous products. The results will be tested at INERIS or CERL (Canadian Explosive Research Laboratory).