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Page 1 sur 12 Approche documentaire LES FLUIDES SUPERCRITIQUES TRAVAIL DEMANDÉ

Page 1 sur 12 Approche documentaire LES FLUIDES SUPERCRITIQUES TRAVAIL DEMANDÉ 1) Compléter le document 2, en indiquant dans quel état physique se trouve CO# dans chaque zone, numérotée de 1 à 4. Comment nomme-t-on les points b et c ? Quelles sont leurs particularités ? 2) Proposer des conditions expérimentales d’utilisation du dioxyde de carbone pour réaliser une extraction efficace du naphtalène. Positionner ces conditions sur le document 2. 3) L’application la plus importante aujourd’hui du CO# supercritique est l’extraction de la caféine du café. Expliquer en quoi consiste cette technique. Symboliser les constituants physico- chimiques qui interviennent, ainsi que les diverses transformations physiques ou chimiques qu’ils subissent. Quels sont les critères de la chimie verte, énoncés dans le document 6, qui sont satisfaits par cette technique ? 4) Choisir deux autres applications des fluides supercritiques citées dans les documents, l’une avec CO#, l’une avec l’eau, et donner brièvement leur problématique. DOCUMENTS Merci à Mme Jeanneau (La Roche sur Yon) et à M. Haurat (Nantes) pour la mise à disposition de ces documents. Document 1 : Fluides supercritiques, innovation et développement durable Dossier réalisé en collaboration avec l’association Innovation Fluides Supercritiques (IFS) Les procédés mettant en œuvre les « fluides supercritiques » consistent à utiliser certains composés (principalement le CO2 ou l’eau) à l’état supercritique, état dans lequel ces composés présentent des propriétés particulières de solvant qui permettent de développer des procédés innovants respectueux de l’environnement. L’utilisation du CO2 supercritique comme solvant d’extraction ou de fractionnement fut d’abord développée en Allemagne dans les années 70 dans l’industrie alimentaire (décaféination du café et du thé, extraction des résines du houblon). Depuis lors, environ 200 installations industrielles ont été construites en Europe, en Asie et aux États-Unis pour des applications dans l’agro-alimentaire (café, thé, arômes, colorants, produits diététiques), la pharmacie et la nutraceutique (principes actifs à partir Page 2 sur 12 de plantes, lipides spéciaux, élimination de pesticides et de composés indésirables, etc.), et à la cosmétique (parfums, actifs dermo-cosmétiques, désodorisation de produits naturels). Actuellement, les fluides supercritiques (CO2 et eau) sont largement étudiés en vue d’élaborer des matériaux innovants : • fabrication de poudres par micronisation ou synthèse hydrothermale : formulation pharmaceutique ; • céramiques et réfractaires, nanomatériaux divers ; • élaboration de biomatériaux : prothèses et substituts osseux, purification et décontamination ; • fabrication de matériaux poreux organiques et inorganiques : aérogels, mousses ; • fractionnement de polymères spéciaux et de composites ; • nettoyage et traitement de surface de pièces mécaniques et électroniques. Enfin, l’eau supercritique est un bon milieu de traitement et valorisation des déchets organiques. Après un bref rappel des propriétés des fluides supercritiques et du principe de fonctionnement des procédés, nous présentons plus en détail quelques applications relatives aux matériaux tels que le nettoyage, le traitement de surface et la mise en forme de polymères, la destruction de déchets industriels… Qu’est-ce qu’un fluide supercritique ? Tout corps pur possède un point critique, déterminé par une pression et une température dites critiques, au-delà duquel le composé est dans l’état « supercritique ». Il présente alors un comportement intermédiaire entre l’état liquide et l’état gazeux, avec des propriétés particulières : une masse volumique élevée comme celle des liquides, un fort coefficient de diffusivité intermédiaire entre celui des liquides et des gaz, et une faible viscosité comme celle des gaz. Le dioxyde de carbone (CO2) est le fluide supercritique le plus utilisé : il présente l’avantage d’être un solvant « vert », non toxique, non polluant, non inflammable ; de plus, il est largement disponible à haute pureté et à bas prix. L’eau qui présente des coordonnées critiques très élevées est néanmoins beaucoup étudiée pour des applications particulières (milieu de réactions hydrothermales et d’oxydation). Approche documentaire MmeJEANNEAU la Roche sur Yon PCSI (1ère semestre) peut être faite après avoir revu les transformations physiques et les diagrammes d état des corps purs. Elle permet aussi d’introduire le thème de la Chimie verte, fil conducteur du programme qui sera revu dans l’étude des « molécules et solvants » et des «stratégies de synthèse ». TRAVAIL A EFFECTUER ¾ Compléter le document 2 en donnant le nom de l’état physique dans chacune des quatre zones 1, 2, 3 et 4 puis donner les particularités des points b et c. ¾ Quel est l’état physique du dioxyde de carbone à 40 °C sous 800 bar (On rappelle que T(K) = T (°C) + 273 et P(bar) = 10-5uP(Pa)) ? Comment revenir à l’état gazeux ? ¾ Proposer des conditions expérimentales d’utilisation du CO2 supercritique pour réaliser une extraction efficace d’espèces chimiques. On prendra l’exemple de l’extraction du naphtalène pour argumenter la réponse. ¾ Justifier que le solvant CO2 supercritique réponde au cahier des charges d’une Chimie verte. Document 1 : Fluides supercritiques Lorsqu’un fluide est placé dans des conditions de température et de pression supérieures au point critique, il entre dans un état dit supercritique. C’est un état qui n’existe pas dans la nature : il faut placer le fluide dans ces conditions de température et de pression pour qu’il apparaisse. Les changements d’état gaz/fluide supercritique et liquide/fluide supercritique se font de manière continue. Les fluides supercritiques ont des propriétés différentes de celles d’un gaz ou d’un liquide mais qui sont comprises entre les deux. Ils ont une viscosité proche de celle d’un gaz, une densité proche de celle du liquide avec un pouvoir de diffusivité très élevé par rapport au fluide liquide. Ce qui facilite leur pénétration dans des milieux poreux. Masse volumique (g.cm-3) Viscosité (µPa.s) Diffusivité (cm². s-1) GAZ 0,6.10-3 à 2.10-3 10 à 30 1.10-1 à 4.10-1 Fluide supercritique 0,2 à 0,5 10 à 30 0,1.10-3 à 1.10-3 Liquide 0,6 à 1,6 200 à 3000 0,2.10-5 à 2.10-5 Tableau 1: Comparaison des propriétés d'un gaz, fluide supercritique et liquide Nota : ces données n’indiquent qu’un ordre de grandeur Page 3 sur 12 Les propriétés du CO2 supercritique La plupart des procédés mettant en œuvre un fluide supercritique repose sur la variation importante de son pouvoir solvant en fonction de la température et/ou de la pression. Ainsi, le CO2 est un bon solvant de nombreuses molécules non polaires ou faiblement polaires, dans les conditions supercritiques, mais possède un pouvoir solvant très faible à l’état gazeux. En outre, il présente une forte sélectivité selon la nature chimique des composés à extraire : il est donc ainsi possible d’extraire un composé spécifique d’un mélange (par exemple lors du fractionnement de lipides, d’arômes de boissons alcoolisées, de polymères, etc.). Il est à noter que l’on récupère ainsi un extrait pur à la fin du traitement sans qu’il soit nécessaire de procéder à une étape d’élimination du solvant à la différence des procédés utilisant les solvants traditionnels. Toutefois, le CO2 étant un solvant de faible polarité, on doit l’additionner à un cosolvant polaire – comme l’éthanol qui est le plus utilisé - pour augmenter le spectre des molécules extraites. Précisons enfin que, comme présenté sur le schéma de principe ci-dessous, le CO2 est facilement recyclé par condensation et pompage à haute pression. Ces propriétés sont également utilisées dans la mise en forme et synthèse de particules permettant des opérations selon plusieurs types de procédés. Schéma du cycle d’extraction par CO2 supercritique L’eau supercritique Au-delà du point critique (374°C et 221 bar), l’eau voit ses propriétés thermodynamiques profondément modifiées. Les composés organiques y sont solubles, tandis que les sels minéraux précipitent. Les composés gazeux, et notamment l’oxygène, sont également solubles en grandes proportions dans ce milieu. L’eau supercritique est donc un milieu dans lequel matière organique et oxydant peuvent être mis en contact intime, ce qui rend les réactions d’oxydation hydrothermale extrêmement rapides en particulier en vue du traitement de déchets organiques « réfractaires ». L’eau supercritique est également utilisée comme milieu d’élaboration de matériaux innovants par synthèse hydrothermale. Quelques exemples d’applications dans le domaine des matériaux Élaboration de poudres pharmaceutiques Plusieurs procédés ont été développés en vue d’élaborer des poudres de principes actifs permettant de fournir un service pharmaceutique amélioré : • micronisation et formulation de molécules très peu solubles dans les milieux biologiques afin d’améliorer leur biodisponibilité, • particules inhalables pour une administration pulmonaire, en particulier pour soigner l’asthme, • micro-encapsulation de principes actifs pour une libération contrôlée, particulièrement de protéines thérapeutiques. Page 4 sur 12 Purification/Fractionnement/Imprégnation/Synthèse de polymères Le CO2 supercritique a une forte affinité avec de nombreux polymères au sein desquels il diffuse rapidement et les « plastifie ». Excellent vecteur d’imprégnation de différents produits au sein des polymères, il est également utilisé pour extraire des composés gênants (résidus de polymérisation, oligomères, etc.) ou pour fractionner les polymères selon leur masse molaire ou selon leur fonctionnalisation. À noter également les importants travaux conduits aux États-Unis pour modifier radicalement les procédés de synthèse des polymères fluorés type PTFE (polytétrafluoroéthylène ou Téflon) afin de résoudre le problème de la pollution générée par les procédés actuels. Mise en forme de polymères La plastification (agents plastifiants classiques : phtalates, époxydes, phosphates…) par le CO2 facilite la mise en œuvre des polymères sensibles à la dégradation uploads/Finance/ fluides-supercritiques.pdf