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Transferts, Réactivité, Matériaux pour les procédés propres

Objectifs scientifiques

Développement de procédés innovants de synthèse de composés lamellaires de type argile : modulation des conditions de synthèses en fonction de l’application visée.
Formulation de matériaux composites pour la séparation, le relargage contrôlé de principes actifs et l’adsorption de polluants en phase gaz et liquide
Valorisation matière et énergie de produits bio-sourcés : élaboration de chars pour des applications agronomiques, environnementales et énergétiques
Stockage et production de l’énergie : récupération et stockage de la chaleur (fatale et issue de ressources renouvelables) et valorisation du CO2 (production de méthane)
Développement et utilisation de méthodes de caractérisation spécifiques pour la mesure de la chaleur d’adsorption (par calorimétrie), de la conductivité thermique (par les méthodes du fil-chaud et de la plaque chaude gardée…), du potentiel redox des biochars (utilisation de médiateurs), de l’acidité/basicité de surface (par XPS), des phénomènes de transferts de masse et de chaleur adaptées au procédé (modèle de connaissance…)

Les membres

Jocelyne BRENDLÉ
Professeure
➜ CV

Patrick DUTOURNIÉ
Professeur

➜ CV

Liva DZENE
Maîtresse de conférences

Animatrice
➜ CV

Mejdi JEGUIRIM
Maître de conférences
➜ CV

Lionel LIMOUSY
Professeur
➜ CV

Cyril Vaulot
Ingénieur de recherche
➜ CV

Thèmes de recherche

Matériaux hybrides organique-inorganique de structure de type talc ou saponite

J. Brendlé*, L. Dzene, L. Limousy, S. Bennici

*Contact : jocelyne.brendle@uha.fr

Les composés lamellaires de type argile sont abondants dans la nature, cependant, ils sont très rarement purs, peuvent comporter des phases annexes (quartz, carbonate de calcium), des éléments traces comme l’arsenic ou encore des hétéroéléments tel que le fer conférant une coloration, l’ensemble pouvant être gênant selon l’application visée. Les procédés de synthèse par voie hydrothermale permettent d’obtenir des composés lamellaires de compositions chimiques bien définies via un contrôle judicieux des paramètres gouvernant la leur formation.

Une autre approche originale et très peu explorée pour la synthèse de composés lamellaires est la voie sol-gel, dans laquelle un organoalcoxysilane (de formule RSi(OR’)3,R étant un groupement organique et R’ un groupement méthoxy ou éthoxy) est employé comme source de silicium. Les avantages de ce procédé sont nombreux dans la mesure où les matériaux sont obtenus à température ambiante, en des temps courts et sont directement fonctionnalisés via le groupement organique lié par liaison covalente au silicium.

Méthode de préparation d’hybrides organique-inorganique de structure de type talc

Les recherches menées actuellement dans ce domaine visent à mettre au point des procédés respectueux de l’environnement, en utilisant notamment des solvants moins ou peu impactant et en quantités moins importantes, à rendre les composés multifonctionnels et à élargir leurs champs d’applications. Une attention particulière est portée à l’élucidation des mécanismes de formation, à la caractérisation des composés par une approche multi-techniques en employant en particulier la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire du solide et enfin à l’étude des relations structures-propriétés. Les champs d’applications actuellement étudiés sont le piégeage de polluants, le relargage contrôlé de principes actifs ainsi que celui de la préparation de nanocomposites à base polymère, des polymèresilanisés pouvant être employés comme source de silicium pour former des hybrides organique-inorganique de structure de type talc.

Publications

Layered Double Hydroxides and LDH-derived materials in chosen environmental applications : a review D. Chaillot, S. Bennici*, J. Brendle, Environmental Science and Pollution Research, 2021 28, 24375 DOI 10.1007/s11356-020-08498-6

Talc-like hybrids : influence of the synthesis, M. Bruneau ; J. Brendle* ; S. Bennici* ; L. Limousy, S. Pluchon, New journal of chemistry 2020, 44, 10326 DOI 10.1039/C9NJ06298J

Insights on the influence of the precursors on the sol-gel synthesis of hybrid organic-inorganic saponite-like materials, D. Chaillot, J. Brendle*, S. Bennici, C.R. Chimie 2019, 22,9, 258 DOI 10.1016/j.crci.2019.01.005

Development of a new cathode for the Electro Fenton Process combining carbon felt and organic-inorganic hybrid containing iron, S. M. Miron, J. Brendlé, L. Josien, F. Fourcade, F. Rojas, A. Amrane, L. Limousy, , C.R.Chimie 2019, 22, 238 DOI 10.1016/j.crci.2018.11.012

Etude des surfaces réactives des minéraux argileux

L. Dzene*, J. Brendlé, S. Bennici, C. Vaulot, S. Hajjar-Garreau, P. Dutournié

*Contact : liva.dzene@uha.fr

Les phyllosilicates sont une classe particulière de matériaux poreux ayant une forte anisotropie et, par conséquent, différents types de surfaces réactives. On distingue trois principaux types de surfaces : une surface interfoliaire d’une épaisseur de quelques angströms, une surface basale des siloxanes et une surface de bords similaire à celle des oxydes métalliques. Cette particularité et leur large disponibilité font des minéraux argileux un matériau de choix pour la dépollution de l’eau, comme un additif dans les polymères et ciments, l’agent d’encapsulation et le support en catalyse hétérogène.

Représentation schématique des structures de minéraux argileux.

Nos recherches portent sur l’identification et la quantification de sites actifs et de différents types de surfaces sur des phyllosilicates naturels et synthétiques, ainsi que sur la compréhension des réactions de condensation afin de contrôler la synthèse de nouveaux matériaux aux propriétés ciblées. Nous utilisons la méthode de plan d’expériences pour la synthèse de nouveaux matériaux et de multiples méthodes analytiques telles que la diffraction des rayons X et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire pour éclaircir la complexité de la structure des minéraux argileux. Les sites actifs sont sondés utilisant la méthode de désorption thermique, et la surface est caractérisée à l’aide d’isothermes d’adsorption de gaz. Le domaine de la minéralogie des argiles offre des opportunités de collaborations multidisciplinaires et l’avancement est un fruit d’un effort collaboratif entre telles disciplines scientifiques comme la physique, la chimie, la géologie, les sciences du sol, les sciences des matériaux et l’ingénierie.

Publications

Encapsulation of butylimidazole in smectite and slow release for enhanced copper corrosion inhibition B. Matangouo, G. K. Dedzo*, L. Dzene, C. P. Nanseu-Njiki, E. Ngameni,, Applied Clay Science 2021 213, 106266 DOI 10.1016/j.clay.2021.106266

Review : Clay-Modified Electrodes in Heterogeneous Electro-Fenton Process for Degradation of Organic Compounds : The Potential of Structural Fe(III) as Catalytic Sites L. Cipriano Crapina, L. Dzene, J. Brendlé, F. Fourcade, A. Amrane, L. Limousy, . Materials, Applied Clay Science 2021 14, 7742 DOI 10.3390/ma14247742

Iron-Rich Clay Mineral Synthesis Using Design of Experiments Approach, H. Boumaiza, P. Dutournié, J-M. Le Meins, L. Limousy, J. Brendlé, C. Martin, N. Michau, L. Dzene,. Appl. Clay Sci. 2020 199, 105876. DOI : 10.1016/j.clay.2020.105876

Influence of the Precursor and the Temperature of Synthesis on the Structure of Saponite S. Meyer, S. Bennici, C. Vaulot, S. Rigolet, L.Dzene,. Clays Clay Miner. 2020 68 , 544. DOI 10.1007/s42860-020-00099-1

Effect of synthetic beidellite structural characteristics on the properties of beidellite/Fe oxides magnetic composites as Sr and Cs adsorbent materials M. L. Montes, F. Barraque, A.L. Bursztyn Fuentes, M.A. Taylor, R.C. Mercader, J. Miehé-Brendlé, R.M. Torres Sanchez, Materials Chemistry and Physics 2020 245, 122760 DOI 10.1016/j.matchemphys.2020.122760

Formulation de matériaux composites pour la séparation, le relargage contrôlé de principes actifs et l’adsorption de polluants en phase gaz et liquide

L. Limousy*, J. Brendlé, M. Jeguirim, L. Dzene, C. Vaulot, P. Dutournié, S. Bennici

*Contact : lionel.limousy@uha.fr

Divers matériaux et composites à base d’argile et de (bio-)char sont étudiés pour la libération contrôlée de molécules d’intérêt et l’adsorption de polluants. Les compétences de tous les membres de TRM2P contribuent à ces études.

Les propriétés d’échange cationique des argiles en font des réseaux hôtes intéressants pour piéger des polluants, relarguer de manière contrôlée des principes actifs ou encore modifier les propriétés photochimiques de colorants. La nature des interactions entre la charpente minérale et les principes actifs peut être déterminée. Le potentiel de tels composés en tant que dispositif thérapeutiques ou de diagnostic pour la libération contrôlée et ciblée de molécules biologiquement actives est aussi étudié. Un autre volet de ces recherches concerne le confinement in situ de composés dans des structures hybrides organique-inorganique et l’impact du confinement sur les propriétés des composites ainsi formés.

L’utilisation des carbones et des biochars issus de sous-produits pour produire des matériaux adsorbants pour le traitement des eaux usées est également une option prometteuse. Les chars sont produits par pyrolyse de différents entrants (biomasses, pneus usagés, …). L’effet des paramètres de fonctionnement (vitesse de chauffage, température de pyrolyse, temps de contact) sur les rendements du procédé est étudié. La pyrolyse lente est ensuite réalisée dans des réacteurs à lit fixe ou travaillant en continu à grande échelle (10 kg/h). Les bio(chars) obtenus sont éventuellement activés, puis testés pour l’adsorption de différents polluants (ibuprofène, atrazine, colorants…)

Publications

Potential Valorization of Waste Tires as Activated Carbon-Based Adsorbent for Organic contaminants Removal, Materials, K. Frikha, L. Limousy, J. Pons Claret, C. Vaulot, K. Florencio Pérez, B. Corzo Garcia, S. Bennici, 2022, 15, 2915 DOI 10.3390/ma15082915

Facile Elaboration of Wet Cellulose Film as Catalyst Support of MnOx Nanoparticles for the Catalytic Oxidation of Dyes in Absence of Light L. V. F. Oliveira, L. Limousy, S. Bennici, L. Josien, S. Hajjar-Garreau, M.-L. Goddard, M. A. Bizeto and F. F. Camilo, , Clean Technologies 2021 3, 288 DOI 10.3390/cleantechnol3020016

Cleaner Synthesis of Silylated Clay Minerals for the Durable Recovery of Ions (Co2+ and Sr2+) from Aqueous Solutions,T. Thiebault, J. Brendlé, G. Augé, L. Limousy, Industrial & Engineering Chemistry Research 2020 59, 2104 DOI 10.1021/acs.iecr.9b06118

Nutrient retention and release from raw exhausted grape marc biochars and an amended agricultural soil : Static and dynamic investigation A. Ibn Ferjani, S. Jellali, H. Akrout, L. Limousy, H. Hamdi, N. Thevenin, M. Jeguirim, , Environmental Technology & Innovation 2020, 19, 100885 DOI 10.1016/j.eti.2020.100885

Zwitterionic-surfactant modified LAPONITE®s for removal of ions (Cs+, Sr2+ and Co2+) from aqueous solutions as a sustainable recovery method for radionuclides from aqueous wastes, T. Thiebault, J. Brendlé, G. Augé and L. Limousy,Green Chemistry 2019 21, 5118 DOI 10.1039/C9GC02243K

Systems for stimuli-controlled release : materials and applications, M. Bruneau ; S. Bennici* ; J. Brendle ; P. Dutournié ; L. Limousy ; S. Pluchon, , Journal of Controlled Release 2019, 294, 355 DOI 10.1016/j.jconrel.2018.12.038

Mass transfer modelling in clay-based material : Estimation of apparent diffusivity of a molecule of interest P. Dutournié*, M. Bruneau, J. Brendlé, L. Limousy and S. Pluchon,, Comptes Rendus Chimie 2019 22, 250 DOI 10.1016/j.crci.2018.10.008

Valorisation matière et énergie de produits biosourcés : élaboration de chars

M. Jeguirim*, L Limousy, S. Bennici, C. Vaulot

*Contact : mejdi.jeguirim@uha.fr

Le développement des énergies renouvelables est devenu un enjeu majeur pour pallier à la raréfaction des ressources fossiles et l’augmentation des émissions des gaz à effet serre. Parmi les stratégies envisagées, la conversion thermochimique des matériaux biosourcés peut concilier à la fois la production d’énergie et séquestration du carbone. En particulier, la pyrolyse a l’avantage de produire 2 fractions liquide et gazeuse qui peuvent être valorisées comme biocombustible et une fraction solide appelée char qui peut être valorisé par différentes voies. Ainsi, le char peut être utilisé directement pour l’amendement des sols, gazéifié sous vapeur d’eau et/ou CO₂ pour la production de gaz de synthèse, transformé en adsorbant pour l’élimination de polluants en phases gazeuse et aqueuse.

Reprinted with permission from [The two‐dimensional pore and polarization transport model to describe mixtures separation by nanofiltration: Model validation, S. Déon, P. Dutournié, L. Limousy, P. Bourseau, AIChE Journal 2011, 57, (4), 985–995 DOI: 10.1002/aic.12330 ]. Jun 16, 2010 , John Wiley and Sons, Copyright © 2010 American Institute of Chemical Engineers (AIChE)

Une stratégie pour la valorisation des effluents aqueux de l’industrie agroalimentaire a été développée. Ces effluents riches en matières organiques et minérales sont imprégnés sur des matériaux biosourcés. Ensuite le mélange obtenu est séché pour la récupération de l’eau et pyrolysé pour la production de biohuiles et de biochar. Ce dernier riche en éléments nutritifs tels que le potassium (K), phosphore (P) et azote (N) est utilisé comme biofertilisant pour l’amendement des sols.

Plus récemment, le passage d’échelle du procédé a été étudiée grâce à l’acquisition d’un pyrolyseur semi-industriel continu capable de transformer 10 kg/h de biomasse en biochar. Le pyrolyseur est entièrement instrumenté et permet de varier le temps de séjour, la température et le débit gazeux pour obtenir des biochars aux propriétés physico-chimiques et morphologiques différentes. Les conditions de procédé dans les trois pyrolyseurs à disposition de l’axe TRM2P (échelle laboratoire, moyenne échelle en discontinu et échelle semi-industrielle en continu) sont corrélées aux caractéristiques du biochar afin d’identifier et de prédire les conditions de pyrolyse permettant d’obtenir des matériaux finaux aux caractéristiques ciblées.

Publications

Optimization of hybrid treatment of olive mill wastewaters through impregnation onto raw cypress sawdust and electrocoagulation, M. Bargaoui, S. Jellali, A. A. Azzaz, M. Jeguirim, H. Akrout,, Environmental Science and Pollution Research 2021 28, 24470 DOI 10.1007/s11356-020-08907-w

Exhausted Grape Marc Derived Biochars : Effect of Pyrolysis Temperature on the Yield and Quality of Biochar for Soil Amendment, K. Frikha, L. Limousy, M. B. Arif, N. Thevenin, L. Ruidavets, M. Zbair and S. Bennici , Sustainability 2021, 13, 11187 DOI 10.3390/su132011187

Production of a biofertilizer from exhausted grape marc waste : agronomic and environmental impact on plant growth, . El-Bassi, A. Ibn Ferjani, M. Jeguirim, S. Bennici, S. Jellali, H. Akrout, N. Thevenin, L. Ruidavets, A. Muller, L. Limousy, Biomass Conversion and Biorefinery, 2020 DOI 10.1007/s13399-020-00991-9L

Biomass derived chars for energy applications B. Khiari, M. Jeguirim, L. Limousy, S. Bennici , Renewable & Sustainable Energy Reviews 2019, 108, 253 DOI 10.1016/j.rser.2019.03.057

The use of exhausted grape marc to produce biofuels and biofertilizers : Effect of pyrolysis temperatures on biochars properties, A. Ibn Ferjani, M. Jeguirim ; S. Jellali ; L. Limousy ; C. Courson ; H. Akrout ; N. Thevenin ; L. Ruidavets ; A. Muller ; S. Bennici, , Renewable & Sustainable Energy Reviews 2019, 107425 DOI 10.1016/j.rser.2019.03.034

Stockage thermochimique de la chaleur

S. Bennici*, P. Dutournié, C.Vaulot

*Contact : simona.bennici@uha.fr

La substitution de l’utilisation des sources d’énergie conventionnelles par des sources d’énergies propres et renouvelables est le moyen le plus efficace, non seulement pour économiser l’énergie, et donc réduire le recours aux énergies fossiles, mais aussi pour réduire la pollution associée. En revanche, le caractère intermittent de cette énergie, ainsi que le déphasage possible de la ressource par rapport aux périodes de demandes énergétiques quotidiennes ou saisonnières présente un inconvénient important. La disparité entre l’offre d’énergie disponible et l’énergie consommée nécessite donc la présence d’un système qui stocke l’énergie excédentaire lorsque la ressource est abondante, dans le but de la réutiliser pour réduire l’inadéquation entre l’offre et la demande d’énergie.

La recherche de nouveaux systèmes de stockage reposant sur l’utilisation de matériaux de stockage innovants est nécessaire. Des composites à base de sels hydrates sont développés afin de permettre l’augmentation de la densité énergétique et la puissance volumique d’un système de stockage de chaleur de type ‘thermochimique’. L’intégralité du procédé de stockage de la chaleur est prise en compte, en partant de la préparation et caractérisation du matériau composite jusqu’à son application dans un démonstrateur (pour l’étude des transferts de masse et chaleur) et dans un pilote industriel (dans le cadre de la récupération de la chaleur fatale).

Publications

Heat Storage : Hydration investigation of MgSO4/active carbon composites, from material development to domestic applications scenarios, S. Bennici*, P. Dutournié, J. Cathalan, M. Zbair, M. H. Nguyen, E. Scuiller, C. Vaulot, , Renewable & Sustainable Energy Reviews 2022, 158, 11297 DOI 10.1016/j.rser.2022.112197

Towards industrial-scale thermochemical storage systems : from state-of-the-art selected examples to preliminary conception guidelines, E. Scuiller, S. Bennici*, P. Dutournié, F. Principaud, , Journal of Energy Storage 2022, 53, 105103 DOI 10.1016/j.est.2022.105103

Toward New Low-Temperature Thermochemical Heat Storage Materials : Investigation of Hydration/Dehydration Behaviors of MgSO4/Hydroxyapatite Composite, M.H. Nguyen, M. Zbair, P. Dutournié, A. Gervasini, C. Vaulot, S. Bennici, , Solar Energy Materials and Solar Cells 2022, 240, 111696 DOI 10.1016/j.solmat.2022.111696

Long-term impact of air pollutants on thermochemical heat storage materials, S. Bennici, T. Polimann, M. Ondarts, E. Gonze, C. Vaulot, N. Le Pierrès, Renewable & Sustainable Energy Reviews 2020, 117, 109473 DOI doi.org/10.1016/j.rser.2019.109473

Filtration membranaire

P. Dutournié*, L. Limousy

*Contact : patrick.dutournie@uha.fr

Les activités de recherche actuelles portent sur l’étude expérimentale et numérique des transferts de matière dans des membranes de nanofiltration, voire d’ultrafiltration à bas seuil de coupure. Cette activité est axée sur l’étude des interactions soluté / solvant / surface dans les pores et à la surface du matériau poreux. En effet, la communauté scientifique s’accorde à modéliser les transferts de solutés ioniques à travers les pores de la membrane par la somme de trois contributions ; des effets stériques, électriques et diélectriques. Cependant, ces contributions sont actuellement mal connues et difficilement estimables. Dans ce contexte, une triple approche a été développée conciliant l’expérimental (synthèse, réalisation de membranes inorganiques et filtration expérimentale), la caractérisation (propriétés texturales, structurales, énergies d’interaction…) et le développement d’outils théoriques et numériques (pour la simulation, l’estimation de propriétés par techniques inverses,…). Ces activités ont conduit à la réalisation d’objets nouveaux aux propriétés hydrauliques et de sélectivité spécifiques, à la réalisation d’un outil de simulation 2D original (intégrant la couche limite) et à l’estimation des interactions entre le solvant, la surface et le soluté.

Reprinted with permission from [The two‐dimensional pore and polarization transport model to describe mixtures separation by nanofiltration: Model validation, S. Déon, P. Dutournié, L. Limousy, P. Bourseau, AIChE Journal 2011, 57, (4), 985–995 DOI: 10.1002/aic.12330 ]. Jun 16, 2010 , John Wiley and Sons, Copyright © 2010 American Institute of Chemical Engineers (AIChE)

Publications

Experimental and numerical investigation of specific behaviour of fluoride ions during filtration of pure salt water solutions with titania membrane, P. Dutournié*, L. Dzene, A. Ponche, T. J. Daou, S. Déon, , Desalination 2022, 537,115870 DOI 10.1016/j.desal.2022.115870

A Novel Numerical Procedure to Estimate the Electric Charge in the Pore from Filtration of Single-Salt Solutions, P. Dutournié, T. J. Daou and S. Déon,, Membranes 2021 11, 726 DOI 10.3390/membranes11100726

Study of the relationship between applied transmembrane pressure and antimicrobial activity of lysozyme, S. M. Miron, A. de Espindola, P. Dutournié*, A. Ponche, , Scientific Reports 2021 11, 12086 DOI 10.1038/s41598-021-91564-x

Filtration of Uncharged Solutes : An Assessment of Steric Effect by Transport and Adsorption Modelling S. M. Miron, P. Dutournié, A. Ponche, , Water 2019 11, 2173 DOI 10.3390/w11102173