Etude des effets osmotiques lors d’une extraction par membrane liquide émulsionnée : Application sur des solutés neutres et chargés - Djaber Selma (My University, 2024)
Abstract The aim of this work is firstly to produce a stable W/O primary emulsion capable of extracting a wide variety of heavy metals (charged solutes), namely Cu2+, Zn2+, Pb2+, Ni2+, Co2+ et Hg2+. The appropriate conditions through which a better extraction was obtained are: concentration of Span 80 (4 wt%); concentration of TEA (10 wt%); diluent (kerosene); internal phase (HCl 0.5 M); emulsification time (4 min); Vmemb/Vint (2.08); Vemul/Vext (0.1); pH of the external solution (4.7) and stirring speed (150 rpm). A second recycling of the emulsion resulted in a drop in extraction about 40%. The morphological study confirmed a good dispersion of internal globules and a good stability of emulsion for up to 60 days. The extraction of metal cations showed very high extraction (> 90%) with very fast kinetics. However, it has been shown that the type of anion to which the metal cation is bound, only affects the extraction efficiency above 100 mg/L. Results extraction of heavy metals are in good analogy with evolution of the osmotic pressure difference between the internal and external phases, leading to a significant swelling of emulsion, while de-extraction also appears to be in accord with extraction with a slightly slower rate. The second part of the work aimed to evaluate the extraction efficiency of neutral solutes, namely glucose and PEG 2000 contained in aqueous solutions, using the emulsified liquid membrane (ELM) technique. The W/O emulsion was formulated using Span 80 as the surfactant (3 wt %), kerosene as the diluent, di-2-ethylhexyl phosphoric acid (D2EHPA) (6 wt %) as the extractant, a sulphuric acid solution (0.5 M) as the internal phase, an emulsification time equal to 3 min, a stirring speed of 200 rpm, a volume ratio of the organic phase to the internal phase: (1:1) and a volume ratio of emulsion to external phase: (1:5). The difference in molecular weight between the two solutes, glucose and PEG, significantly affected the extraction yield and the osmotic pressure gradient, whereas the emulsion swelling rate did not seem to be influenced by the type of neutral solute. The de-extraction of glucose (Rdes = 29.29%) is very slow compared to its extraction (Rext = 73.13%) while that of PEG 2000 (Rdes = 33.43%) is in agreement with its extraction (Rext = 38.89%). The transfer of these solutes from the external phase to the internal phase was confirmed by IR and UV-Visible spectroscopic analyses and by COD measurement, while the thermodynamic study proved that the extraction of glucose is an exothermic, feasible and spontaneous reaction inducing less disorder in the solution. ---------- ملخص الهدف من هذا العمل هو أولاً إنتاج مستحلب (ماء- في- زيت) أساسي مستقر قادر على استخلاص مجموعة واسعة من المعادن الثقيلة (المذابات المشحونة)، وهي + Cu2، و+ Zn2، و+ Pb2، و+ Ni2، و+ Co2، و + Hg2. الظروف المناسبة لتحقيق استخلاص أفضل هي: تركيز المادة الخافضة للتوتر السطحي Span 80 (4% بالوزن)؛ تركيز المستخلص ثلاثي إيثيل أمينTEA (10% بالوزن)؛ مخفف (الكيروسين) ؛ الطور الداخلي (حمض الهيدروكلوريك 0.5 مول/لتر)؛ وقت الاستحلاب (4 دقائق)؛ ، نسبة حجم الطور العضوي على الطور الداخلي (2.08)؛ نسبة حجم المستحلب على الطور الخارجي (0.1)؛ درجة الحموضة في المحلول الخارجي (4.7) وسرعة التحريك (150 دورة/ الدقيقة). أدت عملية إعادة التدوير الثانية للمستحلب إلى انخفاض في الاستخلاص بنسبة 40% تقريبًا. أكدت الدراسة المورفولوجية تشتت جيد للكريات الداخلية وثبات جيد للمستحلب لمدة تصل إلى 60 يوما. أظهر استخلاص الكاتيونات المعدنية استخلاصًا عاليًا جدًا (> 90٪) مع حركية سريعة جدًا. ومع ذلك، فقد تبين أن نوع الأنيون الذي يرتبط به الكاتيون المعدني يؤثر فقط على كفاءة الاستخلاص التي تزيد عن 100 مغ/لتر. تتشابه نتائج استخلاص المعادن الثقيلة بشكل جيد مع تطور فرق الضغط الاسموزي بين الطور الداخلي والخارجي، مما يؤدي إلى انتفاخ كبير للمستحلب، في حين يبدو أن عملية نزع الاستخلاص تتوافق أيضًا مع الاستخلاص باستخدام وتيرة أبطأ قليلا. أما الجزء الثاني من العمل فيهدف إلى تقييم كفاءة استخلاص المواد المذابة المحايدة وهي الجلوكوز و PEG 2000 الموجودة في المحاليل المائية باستخدام تقنية الغشاء السائل المستحلب (MLE). تمت صياغة مستحلب (ماء- في- زيت) على أساس Span 80 كمادة خافضة للتوتر السطحي (3% بالوزن)، الكيروسين كمخفف، حمض ثنائي-2-إيثيلهيكسيل-فوسفوريك () (D2EHPAن 6% بالوزن) كمستخلص، محلول حمض الكبريتيك (0.5 مول/لتر) كطور داخلي، زمن الاستحلاب يساوي 3 دقائق، سرعة التحريك 200 دورة/ الدقيقة ، نسبة حجم الطور العضوي على الطور الداخلي: (1:1) ونسبة حجم المستحلب على الطور الخارجي : (1:5). الفرق في الوزن الجزيئي بين المذابين؛ الجلوكوز وPEG؛ يؤثر بشكل كبير على ناتج الاستخلاص وتدرج الضغط الاسموزي في حين يبدو أن معدل انتفاخ المستحلب لا يتأثر بنوع المذاب المحايد. يعد استخلاص الجلوكوز (%Rdes= 29.29) بطيئًا جدًا مقارنة باستخراجه (%Rext = 73.13) بينما يتوافق استخلاص 2000 PEG (% (Rdes=33.43 مع استخلاصه (%Rext = 38.89). تم تأكيد انتقال هذه المواد المذابة من الطور الخارجي إلى الطور الداخلي عن طريق التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء و الأشعة فوق البنفسجية المرئية وقياس مطلوبية الأكسجين الكيميائية (DCO)، في حين أثبتت الدراسة الديناميكية الحرارية أن استخلاص الجلوكوز هو تفاعل طارد للحرارة ، ممكن و تلقائي يسبب اضطرابًا أقل في المحلول . -------- Résumé L'objectif de ce travail est de produire en premier lieu une émulsion primaire E/H stable capable d'extraire une grande variété de métaux lourds (solutés chargés), à savoir Cu2+, Zn2+, Pb2+, Ni2+, Co2+ et Hg2+. Les conditions appropriées permettant d'obtenir une meilleure extraction sont les suivantes : concentration de Span 80 (4% en poids) ; concentration de TEA (10% en poids) ; diluant (le kérosène) ; phase interne (HCl 0,5 M) ; temps d'émulsification (4 min) ; Vmemb/Vint (2,08) ; Vémul/Vext (0,1) ; pH de la solution externe (4,7) et vitesse d'agitation (150 tr/min). Un second recyclage de l'émulsion a entraîné une baisse de l'extraction d'environ 40 %. L'étude morphologique a confirmé une bonne dispersion des globules internes et une bonne stabilité de l'émulsion jusqu'à 60 jours. L'extraction des cations métalliques a montré une extraction très élevée (> 90%) avec une cinétique très rapide. Cependant, il a été démontré que le type d'anion auquel le cation métallique est lié n'affecte l'efficacité de l'extraction qu'au-delà de 100 mg/L. Les résultats de l'extraction des métaux lourds sont en bonne analogie avec l'évolution de la différence de pression osmotique entre les phases interne et externe, conduisant à un gonflement significatif de l'émulsion, tandis que la désextraction semble également être en accord avec l'extraction avec un rythme légèrement plus lent. Quant à la deuxième partie du travail vise à évaluer l'efficacité d’extraction des solutés neutres à savoir le glucose et le PEG 2000 contenus en solutions aqueuses en utilisant la technique des membranes liquides émulsionnées (MLE). L’émulsion E/H a été formulée à base de Span 80 comme surfactant (3% en poids), le kérosène comme diluant, l’acide di-2-éthylhexyl-phosphorique (D2EHPA) (6% en poids) comme extractant, une solution d'acide sulfurique (0,5 M) comme phase interne, un temps d'émulsification égal à 3 min, une vitesse d’agitation de 200 tr/min, un rapport volumique de la phase organique sur la phase interne: (1:1) et un rapport volumique de l'émulsion sur la phase externe : (1:5). La différence de poids moléculaire entre les deux solutés ; glucose et PEG ; affecte significativement le rendement d’extraction et le gradient de la pression osmotique alors que le taux de gonflement de l’émulsion semble ne pas être influencé par le type de soluté neutre. La désextraction du glucose (Rdes = 29,29%) est très lente par rapport à son extraction (Rext = 73,13%) tandis que celle du PEG 2000 (Rdes = 33,43%) est en concordance avec son extraction (Rext = 38,89%). Le transfert de ces solutés de la phase externe vers la phase interne a été confirmé par des analyses spectroscopiques IR et UV-Visible et par la mesure de la DCO, tandis que l’étude thermodynamique a prouvé que l’extraction du glucose est une réaction exothermique, faisable et spontanée induisant moins de désordre dans la solution.