Multi-scale characterization of concentrated organic solutions
Description
In the framework of development of new processes for spent nuclear fuel reprocessing, new extractant molecules are studied.The goals of this thesis are to study the molecular and supramolecular speciation of representative organic solutions. The speciation was determined by coupling experimental and theoretical study. After solute extraction, the composition of the organic solutions is experimentally determined. Simulations boxes with the same composition than experimental solutions are build. After simulation, trajectories are used to calculate small angle scattered intensities. The representativeness of the simulations is checked by comparison of experimental and calculated scattered intensities. The use of the simulation, ESI-MS spectrometry and IR spectroscopy provides the description of the structures in organic solution at the molecular and supramolecular scale. This methodology was applied on water and uranyl nitrate extraction by the monoamide DEHBA and MOEHA and by the malonamide DMDOHEMA as well as the extraction of water and neodymium nitrate by TODGA solutions.The extraction of water is dependent of the organization of the solution: monoamide solution made of monomer and dimer solubilise few amount of water in comparison with DMDOHEMA or TODGA solutions.The extraction of uranyl nitrate showed different behavior. UO2(NO3)2L2 complexes are observed at low uranium concentration after extraction by the mono-amides. Polymetallic species are observed with the increase of uranium concentration. In the case of DMDOHEMA, mono-metallic complexes are majority but without a unique stoichiometry. The uranyl can be linked to 1 o 2 malonamides, 2 nitrates and sometimes to a water molecule. Neodymium is extracted by TODGA within small aggregates made of 2 or 3 cations liked by bridging nitrates. The increase of the concentration of neodymium leads to a phase separation. The presence of octanol provides the extraction of higher concentration of neodymium nitrate. Simulations showed the replacement of water and TODGA molecules and the first coordination sphere of the cation with octanol molecule. This increases the solubility of the aggregates. The presence of DMDOHEMA prevents also the phase separation by structuring the solution. With malonamide, smaller aggregates are observed. For both systems, phases after de-mixing (third phase formation) were characterized.This work provides the study of the molecular and supramolecular organization of organic solutions by combining experimental studies and molecular dynamic simulations. (author)
Abstract (French)
Dans le cadre du developpement de nouveaux procedes par extraction liquide-liquide pour le recyclage du combustible nucleaire use, de nouvelles molecules extractantes sont a l'etude. Les molecules a fonction amide (monoamide, malonamide ou diglycolamide) sont particulierement etudiees. Les objectifs de cette these sont d'etudier la speciation moleculaire et supramoleculaire de solutions organiques representatives des differents procedes en cours de developpement. Cette speciation a ete realisee en couplant des etudes experimentales et theoriques. Apres extraction de solutes, la composition des solutions organiques est determinee experimentalement. Des boites de simulation par dynamique moleculaire ayant la meme composition que les solutions experimentales sont ensuite construites. Apres simulation, les trajectoires de dynamique moleculaire permettent de calculer les masses volumiques et les intensites diffusees aux petits angles theoriques des solutions simulees. Des lors que les donnees calculees et les donnees experimentales sont en accord, on estime que les simulations sont representatives des solutions reelles. Ces simulations couplees a des caracterisations experimentales supplementaires (spectroscopie infra-rouge - IR - et spectrometrie de masse a ionisation par electrospray - ESI-MS) permettent de decrire les structures en solution a la fois a l'echelle moleculaire et supramoleculaire. Cette methodologie a ete appliquee a l'extraction d'eau et de nitrate d'uranyle par les monoamides DEHBA et par le malonamide DMDOHEMA ainsi qu'a l'extraction d'eau et de nitrate de neodyme par des solutions a base de TODGA. L'extraction d'eau en phase organique est dependante de l'organisation de la solution: les solutions de monoamides essentiellement constituees de monomeres et dimeres solubilisent peu d'eau contrairement aux solutions de DMDOHEMA ou de TODGA majoritairement constituees d'agregats. L'extraction de nitrate d'uranyle a mis en evidence differents comportements dependant de la structure de la molecule ou de la concentration d'uranyle. Des complexes UO2(NO3)2L2 sont observes a faible concentration d'uranium apres extraction par les monoamides. Lorsque la concentration d'uranium augmente, des especes polymetalliques sont observees et deviennent majoritaire en solution. Dans le cas du DMDOHEMA, des complexes monometalliques sont majoritaires mais n'ont pas une stoechiometrie unique. L'uranyle peut etre coordine a 1 ou 2 malonamides (monodente ou bidente), 2 nitrates et parfois une molecule d'eau. Le neodyme est extrait par le TODGA dans l'heptane sous forme de petits agregats contenant 2 ou 3 cations lies par des nitrates pontants. Une augmentation de la concentration de neodyme entraine une augmentation de l'agregation jusqu'a l'apparition d'une demixtion de phase. La presence d'octanol (0,3 mol/L) permet d'extraire une plus forte concentration de Nd sans separation de phase. Les simulations ont montre que l'octanol se place dans la 1ere sphere de coordination du neodyme a la place des molecules d'eau ou de TODGA ameliorant ainsi la solubilite des complexes et agregats dans la phase organique. L'ajout de 0,5 mol/L de DMDOHEMA a une solution de TODGA permet egalement d'eviter la demixtion en structurant la solution. En presence de malonamide des agregats plus petits sont observes.Pour les deux systemes etudies (mono et diamides), les phases obtenues apres demixtion de la phase organique (phenomene de formation de 3eme phase) ont egalement ete caracterisees. Ces travaux ont permis de determiner l'organisation moleculaire et supramoleculaire dans des solutions d'extraction par l'utilisation d'une methode couplant etudes experimentales et simulations par dynamique moleculaire. (auteur)
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Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Caracterisation multi-echelle de phases organiques concentrees
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 240 p.
- Report number
- FRCEA-TH--12179
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 51119930
- Subject category
- S37: INORGANIC, ORGANIC, PHYSICAL AND ANALYTICAL CHEMISTRY; S11: NUCLEAR FUEL CYCLE AND FUEL MATERIALS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- AMIDES; CHEMICAL STATE; MOLECULAR DYNAMICS METHOD; RECYCLING; REPROCESSING; SOLVENT EXTRACTION; SPENT FUELS; URANYL COMPLEXES; URANYL NITRATES
- Descriptors DEC
- ACTINIDE COMPLEXES; ACTINIDE COMPOUNDS; CALCULATION METHODS; COMPLEXES; ENERGY SOURCES; EXTRACTION; FUELS; MATERIALS; NITRATES; NITROGEN COMPOUNDS; NUCLEAR FUELS; ORGANIC COMPOUNDS; ORGANIC NITROGEN COMPOUNDS; OXYGEN COMPOUNDS; REACTOR MATERIALS; SEPARATION PROCESSES; URANIUM COMPLEXES; URANIUM COMPOUNDS; URANYL COMPOUNDS
Optional Information
- Notes
- 179 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses