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RÉSUMÉ
Le couplage transfert de matière-réaction chimique est au cœur des processus mis en œuvre en extraction liquide-liquide, qualifiée à juste titre d'extraction réactive. Ce couplage est mis à profit dans les applications industrielles, notamment dans l'industrie nucléaire. En effet, le transfert de matière entre deux phases avec réaction chimique dans une des phases joue un rôle considérable dans les opérations d'absorption gaz-liquide, ainsi qu'en hydrométallurgie. En règle générale, la contribution de la réaction chimique se traduit par une accélération du transfert de matière, avec action directe sur le facteur potentiel et dans certains cas également sur le coefficient de transfert.
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Arnaud BUCH : Docteur de l'Université Paris VI - Maître de conférences à l'École Centrale Paris ECP
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Mohammed RAKIB : Ingénieur ECP - Docteur d'État ès Sciences physiques - Professeur à l'École Centrale Paris
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Moncef STAMBOULI : Ingénieur ECP - Docteur d'État ès Sciences physiques - Professeur à l'École Centrale Paris
INTRODUCTION
Le transfert de matière entre deux phases avec réaction chimique dans une des phases est un phénomène qui joue un rôle considérable dans les opérations d'absorption gaz-liquide (absorption d'un gaz acide par une solution basique et vice versa), ainsi qu'en hydrométallurgie (retour sélectif d'une espèce métallique du solvant vers la phase aqueuse par changement d'état d'oxydation en présence d'un oxydant ou d'un réducteur approprié).
Lorsque l'espèce transférée est consommée par une réaction chimique, on observe une accélération du transfert de matière : l'action sur le facteur potentiel se conçoit aisément. L'analyse du problème montre qu'il y a également action sur le coefficient de transfert dans certains cas.
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3. Exemple d'application : partition uranium-plutonium
Considérons le cas du retour d'une espèce métallique M d'une phase solvant S vers une phase aqueuse A. Pour favoriser cette désextraction, on modifie l'état de valence de M en phase aqueuse en utilisant un réactif B approprié. M devient alors M′ inextractible par le solvant S.
Cet exemple illustre de façon simplifiée la désextraction réductrice du plutonium dans l'industrie du retraitement des combustibles nucléaires, appelée « étape de partition Uranium/Plutonium » du procédé PUREX.
Plus précisément, il s'agit d'une réaction d'oxydoréduction (dite « fonctionnelle ») en phase aqueuse réduisant le plutonium de son état d'oxydation IV à III au moyen de l'uranium IV selon la réaction :
3.1 Cas simplifié : impact sur le dimensionnement du contacteur liquide-liquide
Cette réaction est mise en œuvre en présence d'un grand excès de réactif
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