Basé sur ce principe, nous avons mis au point une nouvelle méthode de précipitation des HDL qui consiste à hydrolyser l’urée à température ambiante par un catalyseur enzymatique : l’uréase.
II Etude Bibliographique
II.1 Synthèse d’HDL par décomposition thermique de l’urée
Constantino et coll4 ont été les premiers à mettre au point une nouvelle méthode de préparation d’Hydroxydes Doubles Lamellaires par décomposition thermique de l’urée. Depuis, plusieurs études5,6,7,8 ont été réalisées essentiellement sur les phases [Mg-Al], [Zn-Al], [Ni-[Zn-Al], [Li-Al]. La formation de la phase [Mg-Fe] et la difficulté d’élaborer des phases avec des cations tels que Cr3+ et Cu2+ ont été citées.
Le protocole consiste à hydrolyser de l’urée à des températures voisinant 90°C pour libérer des ions OH- qui vont former dans une solution contenant des sels de métaux divalents et trivalents l’hydroxyde double lamellaire.
CO(NH2)2 + 2H2O → 2NH4+ + CO32–
CO32– + H2O → OH- + HCO3–
La formation des Hydroxydes Doubles Lamellaires est gouvernée par les conditions expérimentales. L’obtention d’une phase HDL carbonatée de cristallinité élevée a été réalisée pour des températures supérieures à 90°C et un temps de précipitation de 24 heures. En dessous de cette température, le degré de cristallinité s’affaiblit. En outre, la même phase a pu être préparée en un temps plus court dans un autoclave6 sous pression autogène pour des températures supérieures à 100 °C.
L’obtention de la phase HDL passe par la formation d’un gel d’hydroxyde d’aluminium qui a été mis en évidence au début de la précipitation de [Mg3-Al-CO3] ou dans le cas d’un rapport initial (R) Mg2+/Al3+ = 15. Au delà de R = 4, il se forme du MgCO3.
4 U. Costantino, F. Marmottini, M. Noccheti, R. Vivani, Eur. J. Inorganic Chemistry. , 1998, 1439-1446
Les analyses morphologiques montrent des particules individuelles, bien définies, de forme hexagonale et monodisperse dont la taille varie entre 1 et 5 µm. Ogawa et coll6 ont montré la possibilité de précipiter des particules de 20 µm en diminuant la concentration des sels. Par ailleurs, la comparaison7 avec des particules préparées par coprécipitation puis traitées par voie hydrothermale pour améliorer la cristallinité, montre la formation de particules dix fois plus grosses dans ce type de procédé. La dimension des particules peut être contrôlée en contrôlant la température, la concentration des sels et le temps de précipitation. L’accroissement des deux premiers facteurs entraîne une diminution de la taille des particules. Inversement, la prolongation de la synthèse favorise la croissance cristalline. La diminution de la vitesse d’hydrolyse de l’urée conduit à la formation de particules plus larges.
Pour diminuer la dimension des particules8, une étude a été réalisée sur l’effet de solvants organiques polaires au niveau de la formation des HDL. Ces molécules vont venir empêcher l’accès de la surface du matériau et atténuer l’adsorption et la nucléation des cations sur les groupements hydroxyles. La vitesse de croissance sera ralentie. L’utilisation d’éthanol pur empêche la formation d’HDL; seul l’hydroxyde d’aluminium est formé dans ces conditions. Par contre, l’emploi d’éthylène glycol permet la précipitation de petites particules d’HDL.
La formation d’Hydroxyde Double Lamellaire cristallisé nécessite donc les conditions suivantes:
o Température > 90 °C o Durée > 24 h (90 °C) o Rapport MII/MIII = 2, 3
L’influence des paramètres (temps, température, concentration) de synthèse sur le mécanisme de formation des hydroxydes doubles lamellaires reste assez peu explorée. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés aux différentes étapes de précipitation de la phase [Zn2-Al-Cl], précurseurs d’immobilisation pour enzymes.
II.2 Synthèse d’oxydes par décomposition enzymatique de l’urée
Par voie enzymatique, en utilisant l’uréase, la décomposition de l’urée s’opère sous des conditions douces (température ambiante, pression atmosphérique). Les enzymes sont des catalyseurs biologiques et comme tels, ils augmentent la vitesse de réaction mais ne sont pas
6 M. Ogawa, H. Kaiho, Langmuir, 18, 4240-4242, 2002
consommés pendant la réaction. L’uréase dont le site actif est constitué d’un complexe bi-nucléaire de Ni2+, catalyse l’hydrolyse de l’urée dans un domaine de pH allant de 4 à 10 suivant la réaction finale :
CO(NH2)2 + 2H2O → 2NH4+ + CO32–
L’uréase est produite par plusieurs bactéries, différentes espèces de levures, de plantes et décompose l’urée, molécule de biodégradation de substances organiques.
Cet enzyme joue un rôle dans la formation de cristaux intracellulaires, dans la précipitation par des bactéries9 de calcite, en réparation de surface de réseaux poreux, et dans les fissures de granites et bétons. La formation de carbonates naturels peut donc être obtenue par décomposition enzymatique de l’urée. En effet, les formations de sulfate d’aluminium10,11, de carbonate12,13 14, métallique, d’hydroxyapatite15 ont été rapportées dans la littérature selon ce type de procédé.
La vitesse de formation des composés est gérée par l’activité de l’enzyme et la quantité d’enzyme utilisée, toutefois ce paramètre ne semble pas influer sur la cristallinité et la morphologie du solide préparé13. Dans le cas de la formation de carbonates de calcium, quelques minutes13,14 suffisent pour précipiter cette phase, alors que plusieurs heures sont nécessaires pour précipiter du sulfate d’aluminium dans des conditions équivalentes. Contrairement aux résultats de l’hydrolyse thermique, les composés montrent une faible cristallinité avec des particules beaucoup plus petites. La précipitation de carbonates métalliques passe par l’intermédiaire d’une phase amorphe qui cristallise en fonction de l’évolution du pH. La précipitation de sulfate d’aluminium montre uniquement la présence d’une phase amorphe.
L’activité enzymatique10 est un facteur prédominant pour la synthèse de matériau puisqu’ elle contrôle la décomposition de l’urée. L’augmentation de l’activité enzymatique entraîne l’augmentation du pH liée à la libération de OH- issus de la décomposition de l’urée. Cette augmentation favorise la précipitation. Cependant, l’activité de l’enzyme peut être affectée par quelques facteurs tels que la présence de cations, le pH et la concentration du substrat.
9 S. Stocks-Fischer, J. K. Galinat, S. Bang, Soil Biology Biochemistry, 31, 1999, 1563-1571
10 R.E. Simpson II,C. Habeger, A. Rabinovich, J.H. Adair, J. American Ceramic Society, 81, 1998, 1377 –1379
11 F. Kara, G. Sahin, J. European Ceramic Society, 20, 2000, 689-694
12 K.L. Bachmeier, A.E. Williams, J.R. Warmington, S.S. Bang, J. Biotechnology, 93, 2002, 171-181
13 I. Sondi, E. Matijevic, Chemistry of Materials,15, 2003, 1322-1326
14 I. Sondi, E. Matijevic, J. Colloid and Interface. Science, 238, 2001, 208-214
Pour des rapports urée/uréase trop faibles, la précipitation n’a pas lieu. L’inhibition peut être due aux cations en solution. Certains cations métalliques se lient au site actif de l’enzyme et empêche la liaison avec le substrat. Une étude16 a été entreprise sur l’inhibition d’enzymes par des métaux lourds. Il a été trouvé qu’ils avaient un effet inhibiteur dans l’ordre décroissant suivant : Hg2+> Cu2+> Zn2+> Cd2+> Ni2+> Pb2+>Co2+> Fe3+> As3+. La sensibilité de l’uréase pour les ions de métaux lourds est due à la présence de multiples résidus de cystéines, dont un est localisé près du site actif de l’enzyme. La décomposition de l’urée est alors affectée, un ralentissement de la précipitation est alors observé12.
Nous avons étendu cette méthode à la précipitation des Hydroxydes Doubles Lamellaires.