Matériaux mésoporeux fonctionnalisés pour l'extraction sélective des terres rares

Les matériaux mésoporeux à base de silice sont des plateformes polyvalentes qui offrent une réponse aux besoins de domaines variés comme l’environnement, la santé et les énergies. La fonctionnalisation avec des groupements organiques en fait des matériaux hybrides qu’il est aisé d’orienter vers une application spécifique. Ainsi, afin de fournir une alternative aux procédés industriels, dommageables pour l’environnement actuellement utilisés pour l’extraction et la purification des terres rares, à savoir l’extraction liquide-liquide (ELL) majoritairement, les silices mésoporeuses ont été sollicitées à titre d’adsorbant dans l’extraction sur phase solide. Cette dernière, en opposition à l’ELL, présente de nombreux avantages dont, la suppression des solvants organiques, le contrôle de la sélectivité envers et parmi le groupe des éléments de terres rares (ÉTR) à travers l’ancrage du ligand sur un support solide et la possibilité de réutiliser plusieurs fois l’adsorbant. Les ÉTR sont des métaux qui participent à la transition vers des technologies moins coûteuses en énergie, il est donc primordial de rendre leurs procédés d’extraction plus verts. Dans le cadre de ce travail, différents types de silices ordonnées mésoporeuses, MCM-41, SBA-15 et SBA-16, ont été synthétisées, fonctionnalisées avec un ligand approprié, et leurs comportements vis à vis de ces éléments, comparés. Ces matériaux ont de nombreux points communs mais certaines caractéristiques les différencient néanmoins : la taille et la géométrie des pores, la connexion entre les pores, l’épaisseur des parois, l’accessibilité aux pores ou encore la diffusion des liquides ou gaz dans la matrice. C’est pourquoi, le but de cette étude est d’élucider l’impact de ces diverses propriétés sur l’adsorption sélective des ÉTR en condition statique et dynamique.

Ordered mesoporous silica materials are versatile platforms that can offer answers in different areas: environment, healthcare and energy. Furthermore, the possibility of functionalization with a variety of organic molecules permits to dedicate them to a specific application. Thus, in order to address alternatives to the industrial extraction processes of Rare Earth Elements (REEs) which are often environmentally hazardous, functionalized silica materials appear to be well suited as adsorbent for the solid-phase extraction (SPE). Indeed, oppositely to liquid-liquid extraction (LLE), SPE is more advantageous in terms of organic solvent consumption, fine-tuning of the selectivity for and among REEs and lastly, the possibility to regenerate the sorbents after each extraction procedure. REEs became important and critical metals as they are participating in the transition to new technologies with low energy cost, therefore, any greener extraction process is required. In this work, different ordered silica materials such as MCM-41, SBA-15 and SBA-16, have been synthesized, functionalized with an appropriate ligand and their behavior towards REEs have been studied and compared. Despite their similarities, these materials have some disparities in their textural properties, their pore size, geometry and connection, their wall thickness, the accessibility to the pore and the diffusion of gases and liquid through the porous matrix, for example. Therefore, this study wishes to investigate the role of these various properties on the REEs adsorption in both static and dynamic conditions.