Shaping and conditioning of high percolating alginate-polyethylenimine membranes for the design of sorbents and supported catalysts
Elaboration et mise en oeuvre de membranes alginate, polyethylenimine à haut pouvoir de percolation : application en tant que matériaux adsorbants ou catalyseurs supportés
Résumé
Alginate is a hydrophilic and biocompatible polymer with abundant free carboxyl and hydroxyl groups. This work developed and optimized the process for the fabrication of highly-percolating membranes based on alginate. The simple process has been designed by mixing alginate and polyethyleneimine (PEI) to obtain a structured hydrogel and subsequently improved stability by crosslinking between glutaraldehyde (GA) and amine groups of PEI. This double interaction (PEI/alginate, PEI/GA) makes it possible to produce macroporous membranes, after air-drying (without energy-consuming and sophisticated drying procedure), allowing natural drainage. The prepared membranes have been used for two applications: (a) sorption of metal ions (cationic and anionic), and (b) hydrogenation of nitrophenolic compounds by heterogeneous catalysis. The membranes and their interactions with metal ions were analyzed by FTIR, SEM, and XPS. The adsorbent was characterized by the presence of carboxylic groups and amino functions, which offers numerous possibilities for interacting with metal ions by complexation (i.e., carboxylates, free amines) and ion exchange/electrostatic attraction (i.e., protonated amine groups) depending on the pH of solution and metal speciation. These different possibilities have been illustrated by a series of experiments on metal ions such as Hg(II), Cu(II), Se(VI), Cr(VI), As(V). These various studies illustrate the particular affinity of membranes for metal anions (preferentially to cations) due in particular to the greater availability of protonated amino functions. Furthermore, an additional study was conducted on PEI crosslinked with GA (as a powder) for exploring the effect of the crosslinking of PEI on the binding of metal ions. The study demonstrated that the crosslinking rate has a moderate effect on the sorption of Se(VI) ions. At last, after briefly studying the sorption of Pd(II) on the membranes, a reduction was made of Pd(II) loaded on the support (partially converted to Pd(0)) in order to synthesize catalysis for the hydrogenation of 3-NP to 3-AP. This demonstrates the feasibility of applying these supports for heterogeneous catalysis.
L'alginate est un polymère hydrophile et biocompatible portant de nombreuses fonctions carboxyliques et de nombreux groupes hydroxyles. Ce travail a développé et optimisé le procédé de fabrication de membranes à haute pouvoir de percolation à base d'alginate. Ce procédé simple permet, par mélange de deux solutions d’alginate et de polyethyleneimine (PEI), d’obtenir un hydrogel structuré dont la stabilité est améliorée par réticulation (des fonctions aminées de la PEI par le glutaraldéhyde (GA)). Cette double interaction (PEI/alginate, PEI/GA) permet d’obtenir après séchage à l’air libre (donc peu énergivore et sans moyen sophistiqué contrairement aux procédés conventionnels) de produire des membranes macroporeuses autorisant la percolation par drainage simple de solutions. Ce matériau a été développé et utilisé pour deux types d’applications : (a) l’adsorption d’ions métalliques (cationiques et anioniques), et (b) l’hydrogénation de composés nitrophénoliques par catalyse hétérogène. Les membranes et leur interaction avec les ions métalliques ont été analysées par spectroscopie infrarouge et par FTIR, MEB, et XPS. L'adsorbant est caractérisé par la présence de groupements carboxyliques et de fonctions aminées qui offre de nombreuses possibilités d’interaction avec les ions métalliques en jouant tant sur des propriétés de chélation (carboxylates, amines libres) que sur des propriétés d’échange ionique/attraction électrostatique (amines protonés) en fonction de la typologie du métal, de sa spéciation et du pH de la solution. Ces différentes possibilités ont été illustrées par une série d’expérimentations portant sur des ions métalliques tels que : Hg(II), Cu(II), Se(VI), Cr(VI), As(V). Ces différentes études ont permis d’illustrer : l’affinité particulière des membranes pour les anions métalliques (préférentiellement aux cations) en raison notamment de la plus grande disponibilité des fonctions aminées protonées. Par ailleurs, une étude complémentaire a été menée sur de la PEI réticulée par le GA (conditionnée sous forme de poudre) pour explorer l’effet de réticulation de la PEI sur la fixation des ions métalliques. L’étude a permis de démontrer que le taux de réticulation a un effet modéré sur l’adsorption des ions Se(VI). Enfin, après avoir brièvement étudié l’adsorption du Pd(II) sur les membranes, il a été procédé à une réduction du Pd(II) fixé sur le support (partiellement converti en Pd(0)) afin de synthétiser des membranes Pd/PEI/Alginate pour étudier une réaction simple d’hydrogénation du 3-NP en 3-AP. Ceci démontre la faisabilité d’application de ces supports pour une application en catalyse hétérogène.
Origine : Version validée par le jury (STAR)