FR3067949A1 - Procede de preparation de nanoparticules d'un compose du fer et/ou du cerium - Google Patents
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J13/00—Colloid chemistry, e.g. the production of colloidal materials or their solutions, not otherwise provided for; Making microcapsules or microballoons
- B01J13/0004—Preparation of sols
- B01J13/0047—Preparation of sols containing a metal oxide
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de préparation d'une dispersion colloïdale de nanoparticules de fer et/ou de cérium comprenant une phase organique, des nanoparticules d'un composé du fer et/ou de cérium et au moins un agent amphiphile, à l'aide d'un réacteur à flux oscillatoire dans le conduit duquel circule une phase liquide mobile, soumise à un mouvement oscillant.
Description
PROCEDE DE PREPARATION DE NANOPARTICULES D'UN COMPOSE DU FER ET/OU DU CERIUM
L’invention est relative à un procédé de préparation d'une dispersion colloïdale de nanoparticules d’un composé du fer et/ou du cérium dans une phase organique en utilisant un réacteur à flux oscillatoire.
Problème technique
Les dispersions colloïdales de nanoparticules d’oxyde de fer et/ou de cérium dans une phase organique sont utilisées comme additifs pour carburants pour moteurs à combustion interne. Les procédés de préparation connus sont des procédés discontinus. Un procédé continu ou semi-continu est recherché afin d’améliorer la productivité. La présente invention vise à résoudre ce problème technique.
Arrière plan technique
Les dispersions colloïdales considérées dans la présente demande sont décrites dans WO 03/053560. Le procédé de préparation décrit dans cette demande est un procédé discontinu qui repose sur une préparation en réacteur fermé et non un réacteur ouvert comme dans la présente demande.
EP 1960093 décrit un réacteur à flux oscillatoire. Le réacteur à flux oscillatoire (appelé aussi oscillatory baffled reactor) et son principe de fonctionnement sont décrits dans Chem. Eng. Sci. 2002, 57, 2101-2114, ainsi que dans Chem. Eng. Sci. 2015, 259, 505-518.
Le RFO a déjà été décrit dans des applications autres que la préparation de nanoparticules, par exemple dans la cristallisation contrôlée de principes pharmaceutiquement actifs, mais aucun document ne décrit la préparation de nanoparticules d'un composé du fer et/ou de cérium.
Brève description de l’invention
L’invention est relative à un procédé de préparation d'une dispersion colloïdale de nanoparticules d’oxyde de fer et/ou de cérium dans une phase organique en utilisant un réacteur à flux oscillatoire (désigné par la suite par RFO). L'avantage de ce procédé est de pouvoir opérer en continu ou en semi-continu. Plus précisément, l'invention est relative à un procédé de préparation d’une dispersion colloïdale de nanoparticules de fer et/ou de cérium comprenant :
- une phase organique ;
- des nanoparticules d'un composé du fer et/ou de cérium ;
- au moins un agent amphiphile ;
à l’aide d’un réacteur à flux oscillatoire (10 ; 100) dans le conduit (12) duquel circule une phase liquide mobile soumise à un mouvement oscillant et comprenant des restrictions de passage disposées à l'intérieur du conduit (12), telles que le volume intérieur du conduit (12) entre deux restrictions de passage (14) successives délimite une chambre (20), consistant à :
faire précipiter des nanoparticules d'un composé à base de fer et/ou de cérium dans au moins une des chambres (20) du réacteur à flux oscillatoire (10 ; 100) en mettant en contact dans le réacteur, une base et o une solution aqueuse d’un sel de fer et/ou de cérium comprenant éventuellement un complexant du fer et/ou du cérium et une émulsion constituée d'une phase organique, d'eau et d'un agent amphiphile ; ou bien o une émulsion constituée d'une phase organique, d'eau, d'un agent amphiphile, d'un sel de fer et/ou de cérium dissous dans l'eau et éventuellement d'un complexant du fer et/ou du cérium ;
et à laisser les nanoparticules se transférer dans la phase organique ;
à récupérer la dispersion colloïdale.
Figures
Les Fig. 1 et 2 représentent schématiquement en coupe des exemples de réacteur à flux oscillatoire. La Fig. 3 représente un exemple de relief (16) sous forme d'un disque annulaire. La Fig. 4 représente une photographie illustrant une partie des chambres du RFO utilisé dans les exemples 1 à 4. La Fig. 5 représente un cliché cryo-met de la dispersion obtenue à l'exemple 1.
Description détaillée de l’invention
Le procédé selon l’invention se caractérise par l’utilisation d’un réacteur à flux oscillatoire. Un tel réacteur est connu de l'hommer du métier. Il se caractérise par une phase liquide mobile qui circule d’amont en aval dans un conduit du RFO et qui est soumise également à un mouvement oscillant. On désigne par amont la toute première chambre du RFO et par aval la dernière des chambres du RFO.
En fonctionnement, la vitesse instantanée U(t) à un instant t de la phase liquide mobile comprend ainsi deux composantes vectorielles notées Uo et Up(t) :
U(t) = Uo + Up(t) (1)
Uo: vitesse de circulation de la phase liquide mobile d'amont en aval. Cette vitesse peut être déterminée simplement en arrêtant les oscillations ;
Up(t) : vitesse due aux oscillations calculée par Up(t) = πΑί cos(2%f t)
A : amplitude des oscillations f : fréquence des oscillations.
La vitesse moyenne Um de la phase liquide mobile s'obtient en intégrant la relation (1) :
Um = Uo + Upm (2)
Upm : vitesse moyenne due aux oscillations qui après intégration est égale à 2Af, de sorte qu'en moyenne,
Um = Uo + 2Af (3)
Le rapport Uo / Upm peut être supérieur à 1,0 ou inférieur à 1,0.
La phase liquide mobile est constituée des composés liquides introduits dans le RFO. Elle comprend notamment l’eau provenant à la fois de l’eau qui est introduite en amont du RFO ainsi que l'eau de la solution de précurseur ou bien de l'émulsion de précurseur ainsi que l'eau de la solution aqueuse basique (définies plus loin). Elle comprend également la phase organique qui est introduite dans le RFO.
Le RFO s'étend selon une direction principale notée A. La phase liquide mobile circule d'amont en aval du RFO. Tel qu’illustré à la Fig. 1, le réacteur (10) est de forme générale tubulaire. Plus précisément, le réacteur (10) présente ici une forme cylindrique s’étendant selon A. La section transversale du réacteur peut notamment être circulaire. Le réacteur (10) forme un conduit interne (12) dans lequel circule la phase liquide mobile.
La section transversale du conduit (12) est variable le long de la direction principale A car des restrictions de passage (14) sont disposées à l'intérieur du conduit (12) du réacteur (10). Ces restrictions de passage (14) constituent des obstacles pour la phase liquide mobile qui circule dans le conduit. Les restrictions (14) peuvent être formées par des reliefs (16) disposés à l'intérieur du conduit (12) du réacteur (10). Tels qu’illustrés sur la Fig. 1, les reliefs (16) peuvent être réalisés de manière monobloc avec la paroi externe (18) du réacteur (10). En variante, les restrictions de passage (14) peuvent être formées au moyen d'éléments internes, insérés et/ou fixés dans le conduit (12) du réacteur (10). Les éléments internes peuvent être sous la forme de disques annulaires plats ou bien de disques plats perforés. Les anneaux sont de préférence disposés transversalement dans le conduit (12) c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe A dans le conduit (12) du réacteur (10). La Fig. 3 représente un exemple de relief (16) sous forme d'un disque annulaire.
Les restrictions de passage (14) peuvent être régulièrement espacées selon la direction principale A. Pour un conduit (12) présentant un diamètre interne D, deux restrictions de passage successives ou plus peuvent être espacées d'une longueur L supérieure ou égale à D, voire à 1,3 xD. La longueur L peut être inférieure ou égale à 2,0 xD, voire inférieure à 1,7 xD. Le diamètre Do d’une section de passage de la phase liquide mobile au niveau d'une restriction de passage (14) peut être supérieure à 0,4xD, de préférence supérieure à 0,45 x D et/ou inférieure à 0,6 x D, de préférence inférieure à 0,5 x D. Le facteur a défini par a = section de passage de la phase liquide mobile au niveau d'une restriction de passage (en m2) / section interne du conduit (en m2) peut être compris entre 20 et 30%.
Le diamètre interne D du conduit (12) peut être compris entre 5 et 500 mm, voire entre 10 et 200 mm. Dans le cas où le conduit ne serait pas de géométrie cylindrique, le diamètre D s'entend d'un diamètre équivalent en prenant en compte la section interne S du conduit :
D = (4 x S / π)1/2
Dans le cas d'un disque annulaire, Do représente le diamètre de l'orifice du disque à travers lequel circule le fluide. Dans le cas d'un disque perforé, Do s'entend d'un diamètre équivalent en prenant en compte la section de passage So à travers lequel circule le fluide :
Do = (4 x So / π)1/2
Entre deux restrictions de passage (14) successives (le long de A), le volume intérieur du conduit (12) délimite une chambre (20). Une chambre peut donc se définir comme le volume intérieur du conduit (12) entre deux restrictions de passage (14) successives. Les chambres (20) du RFO sont de préférence toutes identiques, notamment les chambres ont des géométries identiques.
Un nombre minimum de chambres est requis pour réaliser la précipitation des nanoparticules et le transfert dans la phase organique. Ce nombre minimum de chambres du RFO dépend des composés liquides introduits dans le RFO, des conditions opératoires de fonctionnement du RFO et de la quantité de fer et/ou de cérium transférée dans la phase organique qui est recherchée. Ce nombre peut être déterminé en II n'est cependant pas critique à ce que le nombre de chambres soit supérieur à ce nombre minimum.
Le RFO peut comprendre au moins 700 chambres. Le nombre total de chambres peut être généralement compris entre 700 et 1500.
Le RFO peut être par exemple en verre ou bien en métal.
Le RFO peut comporter plusieurs entrées (22) d'introduction des composés liquides dans le réacteur et au moins une sortie (24) pour récupérer les produits de la réaction. Entrée (22) et sortie (24) sont représentées schématiquement sur la Fig. 1 par des flèches pleines. Les entrées (22) permettent d'introduire les liquides dans des chambres (20) différentes. Ainsi, le RFO peut comporter quatre entrées (22) distinctes :
- une première entrée d’alimentation en eau ;
- une seconde entrée d’alimentation :
• du mélange de la phase organique et de l'agent amphiphile ; ou • de l'émulsion constituée de la phase organique, d'eau et de l'agent amphiphile ;
- une troisième entrée d’alimentation de la solution aqueuse d’un sel de fer et/ou de cérium comprenant éventuellement un complexant du fer et/ou du cérium ;
- une quatrième entrée d'alimentation de la base.
Le RFO peut aussi comporter trois entrées (22) distinctes :
- une première entrée d’alimentation en eau ;
- une deuxième entrée d’alimentation de l'émulsion constituée de la phase organique, d'eau, de l'agent amphiphile, d'un sel de fer et/ou de cérium dissous dans l'eau et éventuellement d'un complexant du fer et/ou du cérium ;
- et une troisième entrée d’alimentation de la base.
L'eau qui est introduite dans la 1er® entrée d'alimentation est introduite en amont du RFO et constitue une fraction importante de la phase liquide mobile.
Le RFO est associé à au moins un moyen de pompage (26) permettant d'assurer la circulation de la phase liquide mobile d’amont en aval du conduit (12). Ce moyen de pompage (26) peut être disposé en amont ou en aval du conduit (12). Le moyen de pompage peut être par exemple une pompe. Sur les Fig. 1 et 2, le moyen de pompage (26) est disposé en aval du RFO. Cependant, il est possible aussi de disposer le moyen de pompage en amont du RFO. Le moyen de pompage peut également être disposé en tout point situé entre l'entrée (22) du conduit (12) et la sortie (24) du conduit (12).
Le RFO est également associé à au moins un moyen (28) permettant d’imprimer un mouvement oscillant à la phase liquide mobile. Ce moyen peut être par exemple un piston mû d'un mouvement de translations oscillatoires, qui se répercute à la phase liquide mobile dans chacune des chambres (20). Comme sur les Fig. 1 et 2, le piston (28) peut être localisé dans une chambre (20) du réacteur (10) située en amont. De préférence cependant, le piston (28) est intégré dans un système mécanique localisé en-dehors du réacteur (10), ce qui permet une meilleure maintenance du système mécanique ainsi qu’un remplacement facilité du système mécanique si cela s'avère nécessaire. Un autre exemple de moyen permettant d’imprimer un mouvement oscillant à la phase liquide mobile dans le conduit (12) du RFO est décrit sur la Figure 4 de Trans IChemE, Vol 77, Part A, November 1999 dont le titre est The effects of oscillatory flow and bulk flow components on résidence time distribution in baffled tube reactors.
Les oscillations viennent perturber la phase liquide mobile depuis l’entrée (22) jusqu'à la sortie (24). Elles permettent ainsi de multiplier le nombre des passages de la phase liquide mobile à travers chacune des restrictions de passages (14), des courants de cisaillement des réactifs étant créés à chaque passage. II est ainsi possible d’obtenir une meilleure efficacité du mélange pour une même longueur de réacteur. Toutefois, les mouvements oscillants sont de préférence dimensionnés pour que le flux de produits de la réaction à travers la sortie (24) du réacteur (10) reste continu.
Le RFO peut également comprendre au moins un moyen de chauffage et/ou au moins un moyen de refroidissement, permettant de réguler la température de la phase liquide mobile dans une ou plusieurs zones du RFO. Un moyen de chauffage peut être par exemple un collier chauffant. Un moyen de chauffage ou de refroidissement peut être une double enveloppe dans laquelle circule un fluide caloporteur. Le chauffage et/ou le refroidissement peut(vent) être localisé(s) à une ou plusieurs zones du RFO de façon à contrôler la température dans la zone concernée. Un moyen de mesure de la température et/ou de régulation peut être associé au moyen de chauffage ou de refroidissement.
Le principe de fonctionnement du RFO est le suivant. Sous l’effet des oscillations qui sont imprimées à la phase liquide mobile, les restrictions de passage créent localement de la turbulence dans la phase liquide mobile. Les courants de cisaillement qui sont induits favorisent le mélange des réactifs et des phases dans chacune des chambres (20). Chaque chambre (20) se comportant ainsi comme un réacteur continu agité, le RFO peut être assimilé à une série de réacteurs continus agités. Il s'en suit une distribution des temps de séjour qui se rapproche de celle d'un réacteur piston idéal.
La Fig. 2 illustre un autre mode de réalisation d’un RFO (100). Tout ce qui a été dit précédemment reste bien entendu valable pour le RFO (100). Les éléments identiques ou de fonction identique sur les Figs. 1 et 2, portent le même signe de référence. Ces éléments ne sont pas décrits en détails en regard de la Fig. 2 à fin de concision de la présente description. Seules les différences entre le réacteur (100) de la Fig. 2 et le réacteur (10) de la Fig. 1 sont décrites ci-après. Le réacteur (100) se distingue du réacteur (10) de la Fig. 1 essentiellement en ce qu’il s’étend en serpentant. Pour ce faire, le réacteur (100) comporte une pluralité de tronçons cylindriques (102a), (102b), (102c), (102d), reliés deux à deux par des coudes (104a), (104b), (104c) pour former un conduit (12) continu. Les coudes (104a), (104b), (104c) présentent de préférence une forme de demitore, en particulier à section circulaire. Tel qu’illustré, le réacteur (100) comporte quatre tronçons cylindriques (102a), (102b), (102c) et (102d) reliés par trois coudes (104a), (104b), (104c), sans que ces valeurs ne soient limitatives. Par exemple, le réacteur peut comporter onze tronçons cylindriques. La réalisation du réacteur (100), s’étendant en serpentant, permet de réaliser un réacteur présentant un encombrement plus réduit pour une même longueur de réacteur. Il est à noter ici que les coudes (104a), (104b), (104c), tels qu’illustrés comportent également des restrictions de passage (14) définissant entre elles des chambres (20). Les chambres (20) dans les coudes présentent de préférence une longueur sensiblement égale à la longueur des chambres dans les tronçons cylindriques (notée L sur la Fig. 1). En variante, les coudes peuvent être dépourvus de restrictions de passage. Avantageusement, un tel réacteur (100) peut comporter plusieurs entrées de liquides (22a), (22b), (22c), définissant ainsi des zones distinctes dans le réacteur (100).
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples décrits précédemment.
S’agissant du procédé de préparation de la dispersion colloïdale, celui-ci consiste à :
faire précipiter des nanoparticules d'un composé à base de fer et/ou de cérium dans au moins une des chambres d’un réacteur à flux oscillatoire (RFO) en mettant en contact dans le RFO, une base et o une solution aqueuse d’un sel de fer et/ou de cérium comprenant éventuellement un complexant du fer et/ou du cérium et une émulsion constituée d'une phase organique, d'eau et d'un agent amphiphile ; ou bien o une émulsion constituée d'une phase organique, d'eau, d'un agent amphiphile, d'un sel de fer et/ou de cérium dissous dans l'eau et éventuellement d'un complexant du fer et/ou du cérium ;
et à laisser les nanoparticules se transférer dans la phase organique ;
à récupérer la dispersion colloïdale.
Le procédé peut être mis en oeuvre selon deux modes de réalisation qui se distinguent par la nature du milieu liquide comprenant le sel de fer et/ou de cérium qui est introduit dans le RFO.
Selon un premier mode de réalisation, on peut utiliser une solution aqueuse d'un sel de fer et/ou de cérium comprenant éventuellement un complexant respectivement du fer et/ou du cérium (désignée dans la suite par solution de précurseur). Selon ce mode de réalisation, une émulsion décrite plus loin est également utilisée.
Selon un second mode de réalisation, on peut utiliser une émulsion constituée d'une phase organique, d'eau, d'un agent amphiphile, d'un sel de fer et/ou de cérium dissous dans l'eau et éventuellement d'un complexant du fer et/ou du cérium (désignée dans la suite par émulsion de précurseur).
Le fer peut être le Fe, le Fe' ou un mélange de Fe et de Fe'. Le cérium peut être le Ce', le Celv ou un mélange de Ce' et de Celv. Le sel utilisé peut être par exemple un acétate, un nitrate ou un chlorure. La concentration du sel de fer ou de cérium dissous dans l'eau peut varier de 0,5 à 3,0 mol/L. La solution de précurseur ou l'émulsion de précurseur comprend un sel de fer ou bien un sel de cérium, dissous dans l'eau.
Dans le cas des nanoparticules d'un composé de fer et de cérium, la proportion de fer peut varier de 0,1 à 99,9% en poids et celle en cérium de 99,9% à 0,1%, ces deux proportions étant exprimées en poids d'oxyde (on retient dans ce cas, pour le fer, l'oxyde Fe2O3 et pour le cérium CeO2). Pour la préparation des nanoparticules, on peut utiliser selon les deux modes de réalisation, la combinaison d'un sel de fer et d'un sel de cérium. Par exemple, il peut s'agir d'un mélange de deux acétates de fer et de cérium.
Lorsque le Fe ou le Ce' est utilisé, la solution de précurseur ou l'émulsion de précurseur peut comprendre également un agent oxydant dont la fonction est de convertir tout ou partie du Fe ou du Ce' en respectivement Fe' ou Celv. Cet agent oxydant peut être de l’eau oxygénée ou bien de l’oxygène dissous. L’oxygène dissous peut être introduit dans la solution de précurseur ou dans l'émulsion de précurseur sous forme d’air ou d’oxygène pur par un bullage ou en maintenant au-dessus de la solution de précurseur une atmosphère gazeuse renfermant de l’oxygène.
La solution de précurseur ou l'émulsion de précurseur peut comprendre éventuellement un complexant du fer et/ou du cérium (L) selon la nature du métal employé. Il peut être choisi parmi les acides carboxyliques hydrosolubles présentant dans l’eau, une constante de complexation du fer et du cérium K telle que le pK soit d’au moins 3. La constante K est définie par exemple dans le cas du fer par la formule :
K= FeLx 3'x/[ Fe3+].[L']X pour la réaction de complexation suivante :
Fe3+ + xL - FeLx 3'x
Le complexant peut être choisi parmi les acides carboxyliques aliphatiques comme l’acide formique et l’acide acétique, les acides-alcools ou les polyacidesalcools. Comme exemple d'acide-alcool, on peut citer l'acide glycolique ou l'acide lactique. Comme polyacide-alcool, on peut mentionner l'acide malique, l’acide tartrique et l'acide citrique. Comme autres acides qui conviennent on peut aussi citer les amino-acides comme la lysine, l’alanine, la sérine, le glycocolle, l’acide aspartique ou l’arginine. On peut aussi mentionner l'acide éthylènediamino-tétracétique ou l'acide nitrilo-tri-acétique ou encore l'acide glutamique Ν,Ν-diacétique de formule (HCOO)CH2CH2-CH(COOH)N(CH2COOH)2 ou son sel de sodium (NaCOO)CH2CH2-CH(COONa)N(CH2COONa)2.
Comme autres complexants convenables, on peut utiliser les acides polyacryliques et leurs sels comme par exemple le polyacrylate de sodium, et plus particulièrement ceux dont la masse moléculaire en poids Mw est comprise entre 2000 et 5000 g/mol (Mw déterminée à l'aide de la chromatographie d'exclusion stérique dans l'eau).
On notera enfin que plusieurs complexants peuvent être utilisés conjointement. La quantité de complexant(s) exprimée en rapport molaire complexant(s)/Fe ou Ce est de préférence comprise entre 0,5 et 4, plus particulièrement entre 0,5 et 1,5, encore plus particulièrement entre 0,8 et 1,2.
La précipitation des nanoparticules est amorcée en faisant réagir une base et le sel de fer et/ou de cérium dissous dans l'eau de la solution de précurseur ou dans l'eau de l'émulsion de précurseur. La base se présente avantageusement sous forme d'une solution aqueuse basique. La base peut être du type hydroxyde. II peut s’agir d’un hydroxyde d’un métal alcalin ou alcalino terreux. II peut s'agir aussi d'une amine ou bien d’ammoniaque. L’ammoniaque est la base préférée. On peut utiliser une solution aqueuse d’ammoniaque dont la concentration est supérieure à 2 N.
L’émulsion utilisée selon le premier ou le second mode de réalisation est quant à elle obtenue en mettant en contact sous agitation une phase organique, l'agent amphiphile, soit l’eau soit le sel de fer et/ou de cérium préalablement dissous dans de l'eau. Le rapport massique eau/phase organique dans l'émulsion est généralement supérieur à 1,0. Il peut être compris entre 3,0 et 20,0. L’émulsion peut être une émulsion du phase organique dans l’eau ou de l'eau dans la phase organique. On peut obtenir l’une ou l’autre en modifiant le rapport massique eau/phase organique et/ou la nature des ingrédients phase et agent amphiphile. Ainsi, par exemple dans le cas du mélange eau / isopar® L ou Isane® IP 175 / acide isostéarique tel qu'utilisé dans les exemples, lorsque ce rapport est compris entre 1,0 et 5,0, on peut obtenir une émulsion constituée d'eau dispersée dans la phase organique. Lorsque ce rapport est compris entre 5,0 et 20,0, on peut obtenir une émulsion constituée de la phase organique dispersé dans l'eau. L’agitation qui est nécessaire pour l’obtention de l’émulsion est caractérisée par des forces de cisaillement suffisamment élevées pour qu’il se forme des gouttelettes de petites tailles. La taille des gouttelettes est généralement supérieure à 100 pm et inférieure à 1 mm.
L’émulsion doit être telle qu'il puisse y avoir d’une part, un transfert des nanoparticules dans la phase organique et d’autre part, après la ou les chambre(s) dans lesquelles a lieu la précipitation, une séparation de la phase aqueuse et de la phase organique. Selon un mode préféré, on vise à ce que le transfert dans la phase organique soit tel qu’après le transfert, la quantité de fer et/ou de cérium présent dans l’eau soit inférieure à 20%, voire inférieure à 10%, voire inférieure à 5%, de la quantité totale de fer et/ou de cérium engagée (ces % étant donnés en poids en équivalent oxyde) ; autrement dit, en opérant un bilan massique sur le RFO en fonctionnement, on vise à ce que le rapport masse de fer et/ou de cérium présent dans la phase organique récupéré au cours du fonctionnement du RFO / masse de fer et/ou de cérium engagée pendant le fonctionnement du RFO soit supérieur à 80% en poids d’oxyde, voire supérieur à 90 % en poids d’oxyde, voire supérieure à 95% en poids d’oxyde. Ce rapport est un rapport global moyen calculé lorsque le RFO est en fonctionnement sur une durée assez longue pour que l'influence d'un éventuel régime transitoire soit minimisée.
La phase organique est choisie en fonction de l'utilisation finale de la dispersion. Ainsi, dans le cas de l'utilisation de la dispersion en tant qu'additif pour carburant, la phase organique est de préférence liquide dans les conditions d'utilisation de celui-ci. Il s'agit de préférence d’une phase organique apolaire. La phase organique peut être constituée essentiellement de molécules composées uniquement de carbone et d'hydrogène. La phase organique peut être plus particulièrement choisie parmi les alcanes tels que par exemple l'hexane, l'heptane, l'octane, le nonane ; les cycloalcanes tels que le cyclohexane, le cyclopentane, le cycloheptane; les hydrocarbures aromatiques tels que le benzène, le toluène, l'éthylbenzène, les xylènes, les naphtènes liquides. La phase organique peut également être choisie parmi les coupes pétrolières. La phase organique peut être aussi un mélange d'au moins un (cyclo)alcane et d'au moins un hydrocarbure aromatique. La phase organique peut être aussi une coupe pétrolière constituée d'hydrocarbures aliphatiques et/ou cycloaliphatiques. A titre d'exemple de coupes pétrolières utilisables, on peut citer les coupes de marque Isopar®, Solvesso® ou Isane®. Le Solvesso® 100 contient un mélange de méthyléthyl- et triméthyl-benzène. Le Solvesso® 150 contient un mélange d'alcoylbenzènes en particulier de diméthylbenzène et de tétraméthylbenzène. L'Isopar® qui contient essentiellement des hydrocarbures iso- et cycloparraffiniques en Cn et C12. L'Isane® IP 175 commercialisé par Total comprend des paraffines comprenant de 7 à 14 atomes de carbone et se caractérisant par une température de distillation allant de 160°C à 210°C.
L’émulsion utilisée pour le premier mode de réalisation peut être préparée directement dans le RFO en fonctionnement. Pour ce faire, le mélange de la phase organique et de l’agent amphiphile est introduit dans au moins une des chambres du RFO. L’eau qui est un autre ingrédient de l’émulsion est par ailleurs introduite au début du RFO, par exemple dans la toute première chambre du RFO. Les vitesses de cisaillement élevées sont obtenues en adaptant l’amplitude A et/ou la fréquence f des oscillations de la phase liquide mobile. Il a été en effet constaté que les tailles des gouttelettes dépendent à la fois de A et de f (voir Chem. Eng. Sci. 2015, 259, 505-518 Liquid-liquid dispersion in a COBR - application to suspension polymerization). La géométrie interne du RFO et la forme géométrique des restrictions de passage (14) influent également dans la détermination des paramètres A et f adéquats. On peut introduire le mélange de la phase organique et de l’agent amphiphile dans une seule chambre du RFO. L’émulsion commence à se former dans cette chambre et peut aussi continuer à se former et à se structurer dans les chambres situées après cette chambre dans le sens de circulation de la phase liquide mobile. On peut considérer qu’après un nombre de chambres compris entre 2 et 5 après la chambre dans laquelle on a introduit la phase organique comprenant l'agent amphiphile, l’émulsion s'est formée. Selon une variante, il est également possible d'introduire le mélange de la phase organique et de l’agent amphiphile dans plus d’une chambre du RFO. On désigne par zone d’émulsion la chambre ou les chambres du RFO où est introduit la phase organique et l'agent amphiphile et où se forme l’émulsion.
L’émulsion utilisée que ce soit pour le premier ou le second mode de réalisation peut être préparée en-dehors du RFO (c'est-à-dire ex situ). Par exemple, on peut mettre en contact les ingrédients de l’émulsion dans une cuve agitée à l’aide d’un agitateur mécanique de géométrie adaptée, par exemple de type ultraturax. Ceci est illustré à l’exemple 5 où on utilise un agitateur à pâles inclinées. Cette émulsion peut aussi être préparée en continu à l'aide d'un mélangeur statique ou dynamique comme par exemple un réacteur à impact de jet libre, un mélangeur tangentiel ou à vortex, un mélangeur mécanique comme un rotor-stator. De préférence, dans le cas du second mode de réalisation, le sel de fer et/ou de cérium aura été prélablement dissous dans l'eau et la solution aqueuse ainsi obtenue est mise en contact avec la phase organique et l'agent amphiphile.
La précipitation des nanoparticules a lieu en mettant en contact la solution de précurseur ou l'émulsion de précurseur et la base, notamment sous la forme d'une solution aqueuse basique. Dans le cas du premier mode de réalisation, on introduit dans au moins une des chambres du RFO, la solution de précurseur en présence de la base et de l’émulsion. Dans le cas du second mode de réalisation, on introduit dans au moins une des chambres du RFO, l'émulsion de précurseur en présence de la base. Pour un meilleur contrôle de la réaction, la solution de précurseur ou l'émulsion de précurseur n'est de préférence introduite que dans une seule des chambres du RFO.
Dans la ou les chambre(s) où a lieu la précipitation, la quantité de base doit être suffisante pour assurer une précipitation la plus complète possible des nanoparticules. Le rapport molaire base/Fe et/ou Ce dans la ou les chambre(s) est de préférence compris entre 2,5 et 4,5. Ce rapport peut varier de 2,5 à 3,0 dans le cas où le métal est le fer. On contrôle ce rapport par les débits de la solution de précurseur ou le cas échéant, de l'émulsion de précurseur, et de la base. Pour assurer la précipitation la plus complète possible, tous les paramètres étant fixés, on peut augmenter la quantité de base introduite et à l'aide d'un bilan massique, vérifier en sortie du RFO que la quantité du fer et/ou le cérium resté en solution est acceptable.
La base peut être introduite dans la chambre du RFO dans laquelle est introduite la solution de précurseur ou l'émulsion de précurseur. Ceci présente l'avantage de ne pas trop diluer la base et d'obtenir ainsi un rapport base/métal élevé dans la chambre dans laquelle est introduite la base. La base peut aussi être introduite dans une autre chambre du RFO que celle dans laquelle est injectée la solution de précurseur ou l'émulsion de précurseur, et disposée après celle-ci dans le sens de circulation de la phase liquide mobile.
De même pour l’émulsion, dans le cas du premier mode de réalisation, l’émulsion peut être injectée dans la chambre du RFO dans laquelle est injectée la solution de précurseur. Selon le mode opératoire déjà décrit précédemment, l’émulsion est préparée directement dans le RFO dans au moins une des chambres du RFO, disposée avant celle dans laquelle est injectée la solution de précurseur dans le sens de la circulation.
Un mode opératoire particulier, illustré dans les exemples 1 à 4 et relatif au 1er mode de réalisation, est celui pour lequel :
- l’émulsion constituée de la phase organique, d'eau et de l'agent amphiphile est préparée dans au moins une chambre du RFO en fonctionnement ;
- la solution aqueuse de fer et/ou de cérium comprenant éventuellement un complexant du fer et/ou du cérium est introduite dans une chambre du RFO située en aval de la ou des chambres dans lesquelles est préparée l'émulsion ;
- la base est introduite dans la chambre du RFO dans laquelle est introduite la solution aqueuse de fer et/ou de cérium comprenant éventuellement un complexant du fer et/ou du cérium.
Un autre mode opératoire particulier et relatif au 1er mode de réalisation, est celui pour lequel :
- l’émulsion constituée de la phase organique, d'eau et de l'agent amphiphile est introduite dans au moins une des chambres du RFO ;
- la solution aqueuse de fer et/ou de cérium comprenant éventuellement un complexant du fer et/ou du cérium est introduite dans une chambre du RFO située en aval de la ou des chambres dans lesquelles est introduite l'émulsion ; et
- la base est introduite dans la chambre du RFO dans laquelle est introduite la solution aqueuse de fer et/ou de cérium comprenant éventuellement un complexant du fer et/ou du cérium.
Un autre mode opératoire particulier et relatif au 2nd mode de réalisation, est celui pour lequel la base est introduite dans la chambre du RFO dans laquelle est introduite l'émulsion constituée de la phase organique, d'eau, de l'agent amphiphile, du sel de fer et/ou de cérium dissous dans l'eau et éventuellement d'un complexant du fer et/ou du cérium.
Dans la ou les chambres où a lieu la précipitation, la température du mélange liquide peut être comprise entre la température ambiante et 150°C, plus particulièrement entre la température ambiante et 95°C. La pression dans le RFO peut être supérieure à la pression atmosphérique.
La fréquence f peut être comprise entre 0,2 et 10,0 Hz. Des essais conduits avec une fréquence comprise entre 0,35 et 1,00 Hz ont conduit à de bons résultats.
Après la précipitation, on laisse les nanoparticules ayant précipité, se transférer dans la phase organique (transfert de phase). L’intérêt du RFO apparaît ici, car le transfert nécessite que le mélange continue d’être agité pendant un certain temps pour favoriser le contact entre la phase organique et les nanoparticules. En effet, le transfert a lieu dans les chambres du RFO situées après la ou les chambres où s'est produite la précipitation. Pour illustrer une façon d’opérer, on peut donc utiliser les premières chambres du RFO pour d’une part, le cas échéant, préparer l’émulsion, d’autre part, opérer la précipitation dans le RFO, et utiliser les autres chambres après les précédentes pour opérer le transfert des nanoparticules dans la phase organique. La quantité de nanoparticules transférées dans la phase organique augmente avec le nombre de chambres utilisées pour le transfert jusqu'à atteindre un plateau.
Dans la ou les chambres où a lieu le transfert dans la phase organique, la température du milieu liquide est de préférence supérieure à 50°C pour déstabiliser l'émulsion et favoriser le transfert. La température du milieu liquide est de préférence inférieure ou égale à 100°C. Elle peut être par exemple comprise entre 60°C et 100°C.
Le temps de séjour moyen dans l'ensemble du RFO peut être compris entre 1 min et 120 min Le temps de séjour moyen est défini comme le moment d'ordre 1 d'une distribution de temps de séjour notée E(t) qui est déterminée en injectant un traceur dans la 1er® chambre du RFO (injection très brève sous forme d'un puise) et en déterminant la concentration du traceur en sortie du RFO (voir à ce propos, J. Villermaux, Génie de la réaction chimique, Tec Doc, 1995). Le traceur peut être par exemple NaCI et le détecteur peut être un conductimètre.
Avant toute expérimentation sur le RFO, il peut être judicieux de réaliser des essais de préparation de la dispersion de nanoparticules dans une cuve agitée fonctionnant en réacteur fermé. Ces essais permettent d'une part de choisir pour une phase organique donnée l'agent amphiphile le plus adapté, ainsi que la quantité de cet agent amphiphile. Les essais permettent également d'autre part d'optimiser les autres paramètres du procédé comme par exemple la température à laquelle a lieu la précipitation, la nature et la quantité de base, la température à laquelle a lieu le transfert de phases,... Ces essais préalables peuvent être conduits comme selon l'enseignement de la demande WO 03053560 et notamment de son unique exemple. Ces paramètres ayant été préalablement définis, il peut être nécessaire d'optimiser pour un RFO donné fonctionnant en régime continu, les paramètres de fonctionnement du RFO que sont par exemple les débits d'injection, les paramètres f et A, les températures des zones, etc afin d'obtenir la dispersion recherchée.
En sortie de RFO, le mélange qui est récupéré est laissé décanter, ce qui permet de séparer une phase aqueuse et la dispersion colloïdale. Pour opérer la décantation, on peut par exemple récupérer le mélange dans une cuve non agitée ou bien faiblement agitée. On peut également utiliser une cuve de décantation lorsqu'on opère en régime continu. La décantation a lieu de préférence en laissant le mélange refroidir à la température ambiante. On peut aussi au préalable avant la sortie du RFO, refroidir le mélange liquide. Pour cela, on peut utiliser une double enveloppe dans laquelle circule un fluide réfrigérant.
Il est possible après la précipitation de laver la dispersion colloïdale avec de l’eau. Pour cela, on agite ensemble la dispersion colloïdale avec de l’eau et on sépare l’eau et la dispersion colloïdale, par exemple à nouveau par décantation.
Le procédé décrit permet de préparer la dispersion colloïdale de nanoparticules, les ingrédients nécessaires à la préparation étant introduits en continu. Avant d'atteindre un régime continu ou stable, il est préférable au démarrage lorsque l'émulsion s'est formée dans le RFO ou lorsque l'émulsion a été introduite dans le RFO, d'introduire d'abord la solution de précurseur et ensuite la base.
S’agissant de la dispersion colloïdale qui est préparée par le procédé décrit ci-dessus, celle-ci comprend :
- une phase organique ;
- des nanoparticules d'un composé du fer et/ou de cérium ;
- au moins un agent amphiphile.
La dispersion peut comprendre également un ou plusieurs additifs. Par exemple, la dispersion colloïdale peut comprendre au moins un détergent comme cela est enseigné dans les demandes internationales WO 2012/084906 et WO 2012/097937. Dans le cas où la dispersion comprend un ou plusieurs additifs, le ou les additif(s) peut/peuvent être ajouté(s) à la dispersion colloïdale en sortie du RFO.
Les particules de la dispersion sont des particules d’un composé du fer et/ou du cérium dont la composition correspond essentiellement à un oxyde et/ou un hydroxyde et/ou oxyhydroxyde, plus particulièrement un oxyde
Les propriétés physicochimiques des nanoparticules dépendent de la nature du fer et/ou du cérium utilisée au départ (nature du sel, degré d’oxydation du métal), ainsi que des concentrations du sel de fer et/ou de cérium dans la solution de précurseur ou dans l'émulsion de précurseur. Dans les nanoparticules, le fer et le cérium sont généralement présents respectivement à l’état d’oxydation +III et +IV. Les particules peuvent être amorphes ou bien cristallisées. Le caractère amorphe ou cristallisé peut être mis en évidence par la technique de diffraction des rayons X. Les formes cristallisées de l’oxyde de fer constituant les particules sont typiquement les oxydes de Fe' de type maghémite (Y-Fe2O3) ou hématite (a-Fe2O3) et/ou des oxydes de Fe et Fe' de type magnétite (Fe3O4).
Les particules sont de taille nanométrique. Elles peuvent présenter un diamètre hydrodynamique moyen (médiane), déterminé par diffusion dynamique de la lumière sur une distribution en volume, inférieur ou égal à 100 nm, voire inférieur à 30 nm. Pour cette mesure, on peut utiliser l'appareil de diffusion dynamique de la lumière ALV-CGS-3 de la société allemande ALV en suivant les recommandations du constructeur. La mesure peut être conduite après dilution de la dispersion dans la phase organique à une concentration en fer et/ou en cérium exprimée en équivalent oxyde qui peut être comprise entre 1 et 4 g/L.
Par ailleurs, elles peuvent présenter aussi un diamètre moyen dMET déterminé par microscopie électronique en transmission (MET) inférieur ou égal à 10 nm, voire inférieur à 8 nm. dMET est calculé par comptage en nombre à partir d’une distribution des diamètres des particules déterminés à l’aide de la microscopie électronique par transmission (MET). La méthode pour obtenir la distribution consiste à mesurer le diamètre d’au moins 300 particules sur un ou plusieurs cliché(s) de microscopie électronique. L’agrandissement du microscope qui est retenu doit permettre de distinguer nettement les images des particules sur un cliché. L’agrandissement peut être par exemple compris entre 50 000 et 500 000. Le diamètre d’une particule qui est retenu est celui du cercle minimum permettant de circonscrire l’intégralité de l’image de la particule telle qu’elle est visible sur un cliché MET. Le terme cercle minimum (en Anglais, minimal enclosing circle) a le sens qui lui est donné en mathématique et représente le cercle de diamètre minimum permettant de contenir un ensemble de points d'un plan. Ne sont retenues que les particules dont au moins la moitié du périmètre est définie. On peut utiliser le logiciel ImageJ pour réaliser plus simplement le traitement ; ce logiciel en libre accès a été développé initialement par l’institut américain NIH et est disponible à l’adresse suivante : http://rsb.info.nih.gov ou http://rsb. info. nih. gov/ii/download. htm I.
Après avoir déterminé les diamètres des particules retenus par la méthode cidessus, on regroupe lesdits diamètres en plusieurs classes granulométriques allant de 0 à 500 nm, la largeur de chaque classe étant de 1 nm. Le nombre de particules dans chaque classe est la donnée de base pour représenter la distribution en nombre (cumulée). A partir de la distribution, on détermine le diamètre moyen dMET qui correspond au diamètre médian tel qu'il est entendu classiquement en statistique. dMET est tel que 50% des particules (en nombre) prises en compte sur le ou les cliché(s) MET ont un diamètre plus petit que cette valeur.
Le procédé selon l’invention permet d’obtenir une dispersion stable des nanoparticules. Il est possible également d’obtenir une dispersion ne présentant pas ou peu d’agrégats. Les agrégats sont visibles par la technique de cryo-met laquelle consiste à observer par microscopie électronique par transmission (MET) un échantillon de la dispersion colloïdale congelée. Ainsi, on ne détecte pas plus de 10 agrégats sur un cliché de MET de taille 200 x 200 nm.
La dispersion comprend également au moins un agent amphiphile qui a pour fonction de stabiliser l'émulsion et la dispersion. L’agent amphiphile a aussi pour fonction de faciliter le transfert des nanoparticules dans la phase organique. L’agent amphiphile peut être choisi parmi les acides carboxyliques comportant entre 10 et 50 atomes de carbone, de préférence de 15 à 25 atomes de carbone. L’acide peut être linéaire ou ramifié. Il peut être choisi parmi les acides aryliques, aliphatiques ou arylaliphatiques, portant éventuellement d’autres fonctions à condition que ces fonctions soient stables dans les milieux où l’on désire utiliser les dispersions. Ainsi, il peut s’agir par exemple des acides carboxyliques aliphatiques, des acides sulfoniques aliphatiques, des acides phosphoniques aliphatiques, des acides alcoylarylsulfoniques et des acides alcoylarylphosphoniques, qu’ils soient naturels ou synthétiques.
A titre d’exemple, on peut citer les acides gras de tallol, d’huile de soja, de suif, d’huile de lin, l’acide oléique, l’acide linoléique, l’acide stéarique et ses isomères, notamment l’acide isostéarique, l’acide pélargonique, l’acide caprique, l’acide laurique, l’acide myristique, l’acide dodécylbenzènesulfonique, l’acide éthyl-2 hexanoïque, l’acide naphténique, l’acide hexoïque, l’acide toluène sulfonique, l’acide toluène phosphonique, l’acide lauryl sulfonique, l’acide lauryl phosphonique, l’acide palmityl sulfonique, et l’acide palmityl phosphonique. L'acide isostéarique peut être utilisé efficacement notamment dans le cas où la phase organique est un alcane, un cycloalcane ou une coupe pétrolière.
L’agent amphiphile peut également être choisi parmi les alkyl éthers phosphates polyoxyéthylénés. On entend ici les phosphates de formule :
Ri-O-(CH2-CH2-O)n-P(=O)(OM)2 ou encore les phosphates de dialcoyle polyoxyéthylénés de formule :
R3-O-(CH2CH2O)n-P(X)(=O)(OM) avecX= R2-O-(CH2CH2O)nformules dans lesquelles :
Ri, R2, R3i identiques ou différents représentent un groupe alkyle linéaire ou ramifié, pouvant comprendre de 2 à 20 atomes de carbone; un radical phényle; un radical alkylaryl, plus particulièrement un radical alkylphényl, ayant notamment un groupe chaîne alkyle de 8 à 12 atomes de carbone; un groupe arylalkyle, plus particulièrement un radical phénylaryl ;
n est un nombre entier représentant le nombre d'oxyde d'éthylène compris entre pouvant aller de 0 et 12;
M représente un atome d'hydrogène, de sodium ou de potassium.
Le radical Ri peut être notamment un radical hexyle, octyle, décyle, dodécyle, oléyle, nonylphényle.
On peut citer comme exemple de ce type de composés amphiphiles ceux commercialisés sous les marques Lubrophos® et Rhodafac® commercialisés par Rhodia et notamment les produits ci-dessous :
- les poly-oxy-éthylène alkyl (C3-Cio) éthers phosphates Rhodafac® RA 600 ;
- le poly-oxyéthylène tridécyl éther phosphate Rhodafac® RS 710 ou RS 410 ;
- le poly-oxy-éthylène oléocétyl éther phosphate Rhodafac® PA 35 ;
- le poly-oxy-éthylène nonylphenyl éther phosphate Rhodafac® PA 17 ;
- le poly-oxy-éthylène nonyl(ramifié) éther phosphate Rhodafac® RE 610.
L’agent amphiphile peut également être choisi parmi les alkyl éther carboxylates polyoxyéthylénés de formule : R4-(OC2H4)n-O-R5 dans laquelle R4 est un groupe alkyl linéaire ou ramifié pouvant comprendre notamment 4 à 20 atomes de carbone, n est un nombre entier pouvant aller par exemple jusqu'à 12 et R5 est un reste d'acide carboxylique comme par exemple -CH2COOH. A titre d'exemple, on peut mentionner pour ce type de composé amphiphile ceux commercialisé sous la marque AKIPO® par Kao Chemicals.
Le rapport molaire agent amphiphile / Fe et/ou Ce peut être compris entre 0,2 et 1,0, de préférence entre 0,4 et 0,8.
Exemples
On donne ci-après des exemples illustrant le procédé selon l’invention. Le RFO utilisé est constitué de 17 rangées de tubes en verre à double enveloppe reliés par des coudes eux-aussi en verre permettant de disposer les tubes les uns audessus des autres. Les tubes sont tels que schématisés sur la Fig. 1 et représentés sur la photographie de la Fig. 4. Ainsi que cela est visible sur cette photographie, les restrictions de passage correspondent à des resserements du tube en verre conduisant à une réduction du diamètre de passage du fluide. La longueur totale des tubes est de 51 m et le volume interne des tubes est de 9080 mL.
Dans la double enveloppe, circule un fluide caloporteur permettant de chauffer la phase liquide mobile dans les zones du RFO dédiées à la préparation de l’émulsion et à la précipitation. Compte tenu des pertes thermiques pour ce dispositif, il est nécessaire de porter la température du fluide caloporteur à une température bien supérieure à celle de la phase liquide mobile pour obtenir la température de consigne dans le fluide interne.
exemple 1 (selon l’invention)
On prépare une solution aqueuse de Fe' en mélangeant une solution aqueuse de nitrate de Fe' de concentration 2,5 M à une solution d’acide acétique glacial de sorte que le rapport molaire CH3COOH/Fe est égal à 1,0. La concentration finale du précurseur ferrique est de 0,75 M.
On mélange la phase organique (coupe pétrolière de référence Isane® IP 175 commercialisée par Total) et de l’acide isostéarique (AIS) dans un rapport massique Isane® IP 175/AIS = 73/27. L'Isane® IP 175 présente les caractéristiques suivantes : densité (ISO 12185) : 762 kg/m3 ; point d'ébullition (ASTM D86) = 184-197 ; teneur en aromatiques : < 20 mg/kg (méthode UV) ; teneur en benzène : < 1 mg/kg (ASTM D6229) ; viscosité à 20°C (ASTM D445) : 1,6 mm2/s ; numéro CAS : 90662-58-5 ; numéro EC : 918-167-1.
Le piston du réacteur de volume 5,8 L est mis en marche en fixant la fréquence des oscillations à 0,75 Hz et l’amplitude des oscillations à 30 mm. L’eau déminéralisée est introduite en amont du réacteur (1er® chambre) avec un débit de 357 g/min. Le liquide caloporteur est chauffé de façon à atteindre une température du fluide interne de 70°C.
Une fois la température cible atteinte, la phase organique comprenant l'agent amphiphile est introduite avec un débit de 22 g/min, une émulsion liquide-liquide se forme. Au démarrage, on commence par introduire la solution de Fe' (solution de précurseur) avec un débit de 65 g/min, puis on introduit la solution aqueuse d’ammoniaque de concentration 3 N avec un débit de 53 g/min. Les deux solutions sont introduites à deux endroits opposés dans une même chambre du RFO (au niveau de la 300eme). Les débits ci-dessus sont ensuite maintenus une fois le démarrage terminé. Une précipitation dans l’émulsion a donc lieu lors de la mise en contact du nitrate de fer et de l’ammoniaque. Le débit de la phase organique est telle que le rapport molaire AIS/Fe est estimé à 0,45.
Grâce à un cryostat, la phase liquide mobile est refroidie sur la dernière rangée de tubes du réacteur en aval de la chambre dans laquelle a eu lieu la précipitation. On laisse le réacteur se stabiliser et on élimine le produit en sortie du RFO pendant environ 11 fois le temps de séjour moyen après le début de l’introduction de la solution aqueuse basique. Le temps de séjour moyen qui est retenu ici correspond au volume interne du RFO divisé par le débit volumique total de la phase liquide mobile. On récupère alors 1 L d’un mélange liquide qui est laissé décanter à température ambiante. Les deux phases sont séparées (la phase aqueuse est éliminée par sous-tirage) et la dispersion ainsi obtenue est lavée à iso-volume d’eau à 95°C. L’eau de lavage et la dispersion sont séparées comme décrit précédemment. On obtient alors une dispersion colloïdale d’oxyde de fer dans l’ISANE.
caractérisation des particules d’oxyde de fer :
diamètre hydrodynamique moyen (distribution en volume) : 17,2 nm ;
indice de polydispersité : 0,3 ;
par cryo-MET, on congèle une goutte de la dispersion à l’azote liquide et on observe la dispersion par MET : comme cela est visible sur le cliché de la Fig. 3, la dispersion apparaît homogène et sans agrégat.
exemple 2 (selon l’invention)
On reprend les conditions de l’exemple 1 sauf que les conditions suivantes sont appliquées :
- on prélève le produit à un niveau intermédiaire, au niveau de la 4eme rangée des tubes ;
- le temps de séjour moyen dans le RFO est de 3 min.
On laisse le réacteur se stabiliser et on élimine le produit en sortie du RFO pendant environ 40 fois le temps de séjour moyen après le début de l’injection de la solution aqueuse basique.
caractérisation des particules d’oxyde de fer :
diamètre hydrodynamique moyen (distribution en volume) : 14,0 nm ;
indice de polydispersité : 0,3 exemple 3 (selon l’invention)
On reprend les conditions de l’exemple 1 sauf que les conditions suivantes sont appliquées :
- le débit d’eau est de 120 g/min (débit d’eau plus faible que pour l’exemple 1);
- le débit de la phase organique est de 21 g/min ;
- le débit de la solution de fer est de 64 g/min ;
- le débit de la solution d’ammoniaque est de 52 g/min.
On laisse le réacteur se stabiliser et on élimine le produit en sortie du RFO pendant environ 24 fois le temps de séjour moyen (7,8 min) après le début de l’injection de la solution basique.
caractérisation des particules d’oxyde de fer :
diamètre hydrodynamique moyen (distribution en volume) : 72,0 nm ;
indice de polydispersité : 0,4.
exemple 4 (selon l’invention)
On reprend les conditions de l’exemple 1 sauf que les conditions suivantes sont appliquées :
- le débit d’eau est de 316 g/min ;
- la fréquence des oscillations est de 0,5 Hz ;
- l’amplitude des oscillations est de 40 mm.
On laisse le réacteur se stabiliser et on élimine le produit en sortie du RFO pendant environ 8 fois le temps de séjour moyen (12,8 min) après le début de l’injection de la solution aqueuse basique.
caractérisation des particules d’oxyde de fer :
diamètre hydrodynamique moyen (distribution en volume) : 18,3 nm ;
indice de polydispersité : 0,3 observation en cryo-met : pas d’agrégat
Il est possible d’estimer la productivité pour l’exemple 4 à 38,5 kg Fe2O3/h/m3 exemple 5 (comparatif)
On prépare une solution aqueuse de Fe' en mélangeant une solution aqueuse de nitrate de Fe' de concentration 2,5 M à une solution d’acide acétique glacial de sorte que le rapport molaire CH3COOH/Fe est égal à 1,0. La concentration finale du précurseur ferrique est de 0,75 M.
On mélange la phase organique(ISANE® IP 175) avec l’acide isostéarique (AIS) dans un rapport massique de 73/27.
On prépare l’émulsion en mélangeant dans une cuve de diamètre D agitée par un mobile d'agitation de diamètre d à 4 pales inclinées à 45° (rapport d/D= 0,5 ; vitesse 400 tr/min), 632,4 g d’eau déminéralisée et 41,5 g du mélange Isane/AIS. Le liquide caloporteur est chauffé de sorte à atteindre une température de 95°C dans le réacteur.
Une fois la température cible atteinte, la solution de fer (132 g) et une solution d’ammoniaque de concentration 3 N (108 g) sont introduites simultanément dans le réacteur à l’aide de deux cannes d’injection avec des débits respectifs de 3,3 g/min et 2,7 g/min. Il se produit une précipitation dans l’émulsion.
Le milieu réactionnel est maintenu à 95°C sous agitation pendant 105 min. Ensuite, il est refroidi à température ambiante en arrêtant l’agitation. Lorsque les deux phases sont séparées, la phase aqueuse est éliminée par sous-tirage. La phase organique contenant les particules de fer ainsi obtenue est lavée à iso10 volume d’eau à 95°C. L’eau de lavage et la dispersion sont séparées comme décrit précédemment.
caractérisation des particules d’oxyde de fer :
diamètre hydrodynamique moyen (distribution en volume) : 24,0 nm ;
indice de polydispersité : 0,4 ;
observation en cryo-met : pas d’agrégat.
Il est possible d’estimer la productivité pour l’exemple 5 à 2,15 kg Fe2O3/h/m3 Elle est très inférieure à celle estimée pour l’exemple 4.
Claims (18)
1. Procédé de préparation d’une dispersion colloïdale de nanoparticules de fer et/ou de cérium comprenant :
- une phase organique ;
- des nanoparticules d'un composé du fer et/ou de cérium ;
- au moins un agent amphiphile ;
à l’aide d’un réacteur à flux oscillatoire (10 ; 100) dans le conduit (12) duquel circule une phase liquide mobile soumise à un mouvement oscillant et comprenant des restrictions de passage disposées à l'intérieur du conduit (12), telles que le volume intérieur du conduit (12) entre deux restrictions de passage (14) successives délimite une chambre (20), consistant à :
faire précipiter des nanoparticules d'un composé à base de fer et/ou de cérium dans au moins une des chambres (20) du réacteur à flux oscillatoire (10 ; 100) en mettant en contact dans le réacteur, une base et o une solution aqueuse d’un sel de fer et/ou de cérium comprenant éventuellement un complexant du fer et/ou du cérium et une émulsion constituée d'une phase organique, d'eau et d'un agent amphiphile ; ou bien o une émulsion constituée d'une phase organique, d'eau, d'un agent amphiphile, d'un sel de fer et/ou de cérium dissous dans l'eau et éventuellement d'un complexant du fer et/ou du cérium ;
et à laisser les nanoparticules se transférer dans la phase organique ;
à récupérer la dispersion colloïdale.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le réacteur à flux oscillatoire (10 ; 100) comporte un conduit (12) destiné à être traversé par une phase liquide mobile depuis une entrée du réacteur (22) vers une sortie du réacteur (24), et des restrictions de passage (14) dans le conduit (12) permettant de générer des courants de cisaillement dans la phase liquide mobile lorsque la phase liquide mobile est soumise à un mouvement oscillant.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la phase liquide mobile est constituée des composés liquides introduits dans le réacteur à flux oscillatoire (10 ; 100).
4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel les restrictions de passage (14) sont formées par des reliefs (16) disposés à l'intérieur du conduit (12) du réacteur (10).
5. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel les restrictions de passage (14) sont formées au moyen d'éléments internes, insérés et/ou fixés dans le conduit (12) du réacteur (10).
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel pour un conduit (12) présentant un diamètre interne D, les restrictions de passage sont espacées d'une longueur L supérieure ou égale à D, voire à 1,3 x D.
7. Procédé selon la revendication 1 à 6, dans lequel pour un conduit (12) présentant un diamètre interne D, les restrictions de passage successives sont espacées d'une longueur L inférieure ou égale à 2,0 x D, voire inférieure à 1,7xD.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins un moyen de pompage (26) permettant d'assurer la circulation de la phase liquide mobile d’amont en aval du conduit (12) est associé au réacteur à flux oscillatoire (10 ; 100).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réacteur à flux oscillatoire (10; 100) comporte au moins un moyen (28) permettant d’imprimer un mouvement oscillant à la phase liquide mobile.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réacteur à flux oscillatoire (100) présente une pluralité de tronçons cylindriques (102a, 102b, 102c, 102d) successifs, s’étendant de préférence parallèlement, reliés le cas échéant deux à deux au moyen de coudes (104a, 104b, 104c), les coudes (104a, 104b, 104c) présentant de préférence une forme de demi-tore.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réacteur à flux oscillatoire (10 ; 100) comporte plusieurs entrées (22) d'introduction de liquides dans le réacteur et au moins une sortie (24) pour récupérer les produits de la réaction.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le réacteur à flux oscillatoire (10 ; 100) présente quatre entrées (22) distinctes :
une première entrée d’alimentation en eau ; une seconde entrée d’alimentation :
• du mélange de la phase organique et de l'agent amphiphile ; ou • de l'émulsion constituée de la phase organique, d'eau et de l'agent amphiphile ;
une troisième entrée d’alimentation de la solution aqueuse d’un sel de fer et/ou de cérium comprenant éventuellement un complexant du fer et/ou du cérium ;
- une quatrième entrée d'alimentation de la base.
13. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le réacteur à flux oscillatoire (10 ; 100) présente trois entrées (22) distinctes :
- une première entrée d’alimentation en eau ;
- une deuxième entrée d’alimentation de l'émulsion constituée d'une phase organique, d'eau, d'un agent amphiphile, d'un sel de fer et/ou de cérium dissous dans l'eau et éventuellement d'un complexant du fer et/ou du cérium ;
- et une troisième entrée d’alimentation de la base.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réacteur à flux oscillatoire (10 ; 100) comprend au moins un moyen de chauffage et/ou au moins un moyen de refroidissement, permettant de réguler la température de la phase liquide mobile dans une ou plusieurs zones du réacteur à flux oscillatoire.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'émulsion constituée de la phase organique, d'eau et de l'agent amphiphile est préparée dans au moins une chambre du réacteur à flux oscillatoire en fonctionnement.
16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12 et 14 à 15 dans lequel :
- l’émulsion constituée de la phase organique, d'eau et de l'agent amphiphile est préparée dans au moins une chambre du RFO en fonctionnement ;
- la solution aqueuse de fer et/ou de cérium comprenant éventuellement un complexant du fer et/ou du cérium est introduite dans une chambre du RFO située en aval de la ou des chambres dans lesquelles est préparée l'émulsion ;
- la base est introduite dans la chambre du RFO dans laquelle est introduite la solution aqueuse de fer et/ou de cérium comprenant éventuellement un complexant du fer et/ou du cérium.
17. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12 et 14 à 15 dans lequel :
- l’émulsion constituée de la phase organique, d'eau et de l'agent amphiphile est introduite dans au moins une des chambres du RFO ;
- la solution aqueuse de fer et/ou de cérium comprenant un complexant du fer et/ou du cérium est introduite dans une chambre du RFO située en aval de la ou des chambres dans lesquelles est introduite l'émulsion ; et
- la base est introduite dans la chambre du RFO dans laquelle est introduite la solution aqueuse de fer et/ou de cérium comprenant éventuellement un complexant du fer et/ou du cérium.
18. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11 et 13 à 15 dans lequel la base est introduite dans la chambre du RFO dans laquelle est introduite l'émulsion constituée de la phase organique, d'eau, d'un agent amphiphile, d'un sel de fer et/ou de cérium dissous dans l'eau et éventuellement d'un complexant du fer et/ou du cérium.
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|---|---|---|---|---|
| US12559383B2 (en) | 2020-08-27 | 2026-02-24 | 3M Innovative Properties Company | Surface-modified transition metal oxide nanoparticles, method of making the same, and curable composition and article including the same |
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| WO2003053560A1 (fr) * | 2001-12-21 | 2003-07-03 | Rhodia Electronics And Catalysis | Dispersion colloidale organique de particules de fer, son procede de preparation et son utilisation comme adjuvant de carburant pour moteurs a combustion interne |
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| WO2013116647A2 (fr) * | 2012-02-01 | 2013-08-08 | Cerion Enterprises Llc | Procédé rapide pour la production de colloïdes organiques d'oxydes contenant du cérium |
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