Soutenance mémoire
Les nanoparticules (NPs) manufacturées sont largement utilisées dans toutes sortes d’applications quotidiennes même si leur comportement et leur devenir dans le milieu naturel sont encore très mal connus. Elles sont ainsi utilisées dans de multiples domaines tels que les textiles, les emballages, les peintures et les produits cosmétiques (Ju-Nam et Lead, 2008; Lopez-Serrano et al., 2014). Les NPs possèdent des propriétés physiques, physicochimiques et électrostatiques très particulières dues notamment à leur taille nanométrique leur conférant un grand rapport surface/volume et donc une proportion d’atomes exposés en surface considérable. Ces propriétés sont entre autres : i) leur très grande surface spécifique, ii) la forte réactivité de surface, iii) le super-paramagnétisme et iv) la forte activité d’oxydoréduction (Wiesner et Bottero, 2007 ; Bhatt et Tripathi, 2011 ; Geremew, 2012). Ces propriétés rendent aussi les nanoparticules potentiellement toxiques et mobiles dans le milieu naturel. Les NPs pouvant être ingurgitées par les organismes vivants et sensibles aux conditions d’oxydo-réduction seraient les plus dangereuses pour l’homme (Geremew, 2012). Ainsi, les NPs manufacturées, diffusées dans le milieu naturel, sont considérées comme des agents polluants ou source de contamination des hydrosystèmes, des sols et des sédiments (Keller et al., 2010 ; Geremew, 2012 ; Urrea, 2013). A l’inverse, les nanoparticules sont utilisées dans la mise en œuvre de certains procédés de dépollution des eaux ou de sols contaminés (Tang et al., 2014).
En faisant l’hypothèse que les NPs sont des colloïdes d’une taille comprise entre 1 et 100 nm, nous pouvons utiliser les travaux et les modèles qui ont été faits pour les particules colloïdales dans notre étude. L’extrapolation des théories et des approches développées pour les colloïdes au domaine nanométrique nous permet de reconsidérer les limites théoriques de ces hypothèses. En suivant cette démarche, cette étude est confrontée à deux défis principaux, i) les lacunes qui existent déjà dans les études faites sur le transport des particules colloïdales dans un milieu poreux comme l’interférence entre plusieurs phénomènes (l’agrégation, le dépôt et le transport), l’hétérogénéité géométrique ou chimique de la matrice poreuse et/ou des particules colloïdales, et les problèmes d’échelle de l’étude et ii) les lacunes liées aux propriétés physiques et chimiques spécifiques (réactivité de surface, mobilité) des NPs. De plus, les NPs se trouvent souvent sous forme d’agrégats nano-structurés en milieux aqueux et possèdent des propriétés intrinsèques spécifiques les distinguant des NPs élémentaires de base ou des particules colloïdales de taille similaire (Guzman et al., 2006).
Notions générales sur les nanoparticules
Au cours de ces dernières années, on assiste à une révolution industrielle qui s’amorce autour de la nanotechnologie. Cette nouvelle science apporte beaucoup d’enthousiasme aux chercheurs dans plusieurs domaines comme la chimie, la physique et la biologie. En général, on utilise le mot ‘’nanotechnologie’’ pour présenter la branche de la recherche qui s’intéresse à la description du comportement des objets nanométriques. Cependant, les appellations ‘’nanotechnologie’’ et ‘’nanoscience’’ doivent être distinguées. La nanoscience est l’étude des phénomènes et la manipulation des matériaux à l’échelle nanométrique. Tandis que la nanotechnologie est l’ensemble des outils, instruments et techniques qui offrent des moyens pour les études en nanoscience (Alain, 2008; Feigenbaum et al., 2004).
L’utilisation des nanoparticules (NPs) métalliques remonte à l’Antiquité. Elles ont été utilisées pour la fabrication des verres rubis en incorporant de l’Or dans la pâte de verre. Mais à l’époque, l’origine de ces couleurs ultra brillantes reste mystérieuse (Billaud, 2006). Les travaux de Maxwell et Mie ont interprété la coloration par les propriétés optiques des nanoparticules (Link et El-Sayed, 2000). La vraie naissance de la nanotechnologie a eu lieu en 1959 avec les propos de Richard Feynman concernant l’effet de miniaturisation (réduction de taille) sur les propriétés des particules: « il y a plein de place en bas de l’échelle» (Hochella, 2002 ; Senturia, 1994) et le développement de la microscopie électronique à balayage à partir des années quatre-vingt qui a permis de surmonter le défi technique de la visualisation à cette échelle. Cela accéléra la recherche dans ce domaine, en commençant par la découverte des nanotubes de carbone en 1985 et la fabrication de la première nanoparticule (C60 fullerène).
Nanoparticule, définition et propriétés
DEFINITION
Les NPs sont des objets dont au moins une de leurs dimensions est comprise entre 1 et 100 nanomètres (Afsset, 2010). Ce qui distingue les NPs de leur homologue à grande échelle, c’est la forte dépendance de leurs propriétés physicochimiques à leur taille. Une NP est constituée de quelques dizaines à quelques centaines ou de milliers d’atomes. Elle représente un milieu solide intermédiaire entre les atomes discontinus et les matériaux massifs. À l’échelle nanométrique, ces objets sont soumis à la fois aux phénomènes macroscopiques de la physique classique et ceux microscopiques de la physique quantique.
PROPRIETES DES NANOPARTICULES
Les nanoparticules peuvent avoir des propriétés physiques et chimiques très différentes de celles des mêmes matériaux à l’échelle macroscopique à cause de la réduction de taille qui se manifeste de deux manières :
– influence des effets quantiques dû au confinement pour des rayons inférieurs au rayon de Bohr (Gilbert et al., 2004 ; Burda et al., 2005).
– augmentation significative de la fraction d’atomes en surface de la particule qui génère une forte énergie libre de surface.
Effet quantique
A l’échelle macroscopique, l’extension de la particule est supposée infinie. Donc, l’effet des extrémités n’influe pas sur le mouvement des électrons ou des autres porteurs de charges en termes d’énergie ou fonction d’onde. Mais, lorsque la taille de la particule est réduite à l’échelle nanométrique, l’électron est influencé par le changement d’échelle. Par l’effet de sa nature duale onde-corpuscule, l’électron est fortement sensible à la taille du solide dans lequel il bouge. Ainsi, les conditions limites supposant l’infinité de taille seront invalides dans ce cas (Krahne et al., 2011).
Effets de surface
La surface joue un rôle important dans les propriétés physico-chimiques des nanoparticules dont la dissolution/précipitation des phases solides, les réactions de complexation de surface et d’oxydo-réduction (Burda et al., 2005 ; Alivisatos, 1996a). La réduction de la taille de la particule est accompagnée par l’augmentation du rapport surface sur volume ou sur masse. Par exemple, une particule macroscopique de taille 100 µm aura une surface spécifique beaucoup plus faible qu’un agglomérat de NPs de même taille, mais possédant une multitude de particules élémentaires de taille 100 nm. Cela amplifie les phénomènes de surface comme l’adsorption et la catalyse (Sellers et al., 2009). Ces deux effets contrôlent les propriétés physiques et chimiques des NPs. Généralement, l’effet quantique influe sur les propriétés physiques. En revanche, l’effet de la surface influe essentiellement sur les propriétés chimiques.
Propriétés physiques
Les NPs sont des états solides intermédiaires entre les atomes qui possèdent une densité d’états énergétiques discrets et les matériaux massifs de bande énergétique continue. Les NPs ont des propriétés physiques fortement liées à la taille, surtout à l’échelle de quelques nanomètres où l’effet quantique et l’effet de surface s’accentuent (Alivisatos, 1996a ; Krahne et al., 2011). A l’échelle nanométrique, il y a une forte dépendance entre la taille de la particule et les propriétés optiques (Bruchez et al., 1998 ; Karanikolos et al., 2004 ; Alivisatos, 1996b), électroniques (Burda et al., 2005 ; Alivisatos, 1996b ; Murray et Kagan, 2000), magnétiques (Lin et Samia, 2006 ; Ciuculescu, 2007) et thermiques (Alivisatos, 1996a ; Buffat et Borel, 1976).
Propriétés chimiques
Par rapport à un matériau massif macroscopique, la réduction de la taille pourrait rendre la surface d’une nanoparticule thermodynamiquement instable en raison de la haute énergie de surface. Ainsi, les propriétés physicochimiques particulières des NPs changent non seulement la structure de la surface et sa forme mais aussi sa réactivité chimique (Burda et al 2005).
Réactivité catalytique
Les NPs sont largement utilisées dans les différents domaines du traitement chimique à cause de cette réactivité de surface très élevée. Elles peuvent catalyser plusieurs types de réactions telles que l’hydrogénation (Aiken et al 1996), l’oxydation (Vargaftik et al., 1989 ; Reetz et al., 1996) et les réactions de couplage croisé (Beller et al., 1996 ; Burda et al., 2005). Les nanoparticules sont utilisées dans les deux types de catalyse, la catalyse homogène où les NPs sont utilisées sous forme de suspension, et la catalyse hétérogène où les NPs sont fixées sur un support (Henry, 2000 ; Burda et al., 2005).
Propriétés photocatalytiques
Lorsque les NPs semi-conducteurs, telles que le TiO2, sont irradiées par une lumière d’énergie supérieure à l’énergie de la bande interdite, il y a une transition d’un électron de la bande de valence vers la bande de conduction en créant un trou dans la bande de valence (Devi et Kavitha, 2013). Ainsi, le TiO2 est largement utilisé dans les différents procédés de traitement environnementaux (dépollution d’eau) à cause de sa bande interdite relativement large (3 eV) situé dans le domaine de la lumière UV (Affset, 2010).
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Table des matières
CHAPITRE I : INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE II : NOTIONS GENERALES SUR LES NANOPARTICULES
A – INTRODUCTION
B – NANOPARTICULE, DEFINITION ET PROPRIETES
II.1 DEFINITION
II.2 PROPRIETES DES NANOPARTICULES
II.2.1 Effet quantique
II.2.2 Effets de surface
II.2.3 Propriétés physiques
II.2.4 Propriétés chimiques
II.2.4.1 Réactivité catalytique
II.2.4.2 Propriétés photocatalytiques
II.2.4.2 Adsorption
C – AGREGAT, FORMATION ET PROPRIETES
II.3 DEFINITION
II.4 PROCESSUS DE FORMATION
II.4.1 Les NPs en suspension
II.4.2 Stabilité d’une suspension de NPs
II.4.3 La cinétique de l’agrégation
II.4.3.1 Mécanismes de collision
II.4.3.2 Efficacité de collision
II.5 LES FACTEURS INFLUENÇANT LA STABILITE
II.5.1 La force ionique
II.5.2 Le pH
II.5.3 La matière organique
II.6 STRUCTURE ET PROPRIETES DES AGREGATS
D – MILIEU POREUX
II.7 LA NOTION D’ÉCHELLE
II.7.1 L’échelle de l’interface (microscopique)
II.7.2 L’échelle du pore (mésoscopique)
II.7.3 L’échelle macroscopique
II.8 LES PARAMETRES HYDRODYNAMIQUES
II.8.1 La porosité
II.8.2 Perméabilité
E – CONCLUSION
CHAPITRE III : METHODES ET APPROCHES UTILISEES
A – LES PROCESSUS A L’ECHELLE MICROSCOPIQUE
III.1 Interaction NP-Eau
III.1.1 Interface solide-liquide
III.1.2 Origine de la charge de surface
III.1.3 Processus de protonation-déprotonation
III.1.4 Les modèles de complexation de surface MCS
i) Les modèles classiques 1-pKa et 2-pKa
ii) Le modèle CD-MUSIC
III.1.5 Modèles électrostatiques
i) Modèle à capacité constante CCM (Helmholtz)
ii) Modèle de couche diffuse EDL
iii) Modèle basique de Stern BSM
iv) Modèle de triple couche TLM
III.1.6 Modélisation de la charge de surface
III.2 INTERACTION NP-NP (AGREGATION)
III.2.1 La portée des forces d’interaction
III.2.2 Relation de conversion
III.2.2.1 Approximation de Derjaguin DA
III.2.2.2 Intégrale de surface élémentaire SEI
III.2.3 Théorie DLVO
III.2.3.1 Les principes de la théorie DLVO
III.2.3.2 Interaction à des courtes distances
i) La force de Van Der Waals VDW
ii) La force électrostatique EDL
III.2.4 Les limites de la théorie DLVO
III.2.5 La théorie DLVO étendue (XDLVO)
B – LES PROCESSUS A L’ECHELLE MESOSCOPIQUE
III.3 TRANSPORT DU FLUIDE
III.4 TRANSPORT-REACTIF DES NPS
III.4.1 Les différentes approches pour décrire le transport
III.4.1.1 Empirique (macroscopique)
III.4.1.2 Analyse de la trajectoire (microscopique)
III.4.1.3 Stochastiques
III.4.1.4 Réseau de pores
III.4.2 Positionnement par rapport à ces approches
III.5 LA BASE THEORIQUE DU MODELE PPNT
III.5.1 Transport du fluide
III.5.2 Transport du soluté
III.5.3 Le transport des NPs
III.5.3.1 Approche microscopique ou Lagrangienne
III.5.3.2 Approche macroscopique ou Eulerienne
III.5.3.3 L’équation d’advection diffusion 1D
III.5.4 Le dépôt des NPs
i) L’équilibre instantané entre les deux phases
ii) La cinétique d’attachement et de détachement
III.5.5 La théorie classique de la filtration
III.5.6 Les limites de la théorie CFT
III.5.6.1 La dynamique de dépôt
i) Le mécanisme de Blocking
ii) Le mécanisme de Streaming
iii) Le mécanisme de Ripening
iv) Le mécanisme de colmatage (Clogging)
v) Modélisation avec le modèle PPNT1.0
III.5.6.2 L’hétérogénéité
i) L’hétérogénéité physicochimique
ii) L’hétérogénéité géométrique
iii) Les modèles existants
iv) Modélisation avec le modèle PPNT1.0
III.5.6.3 L’interaction entre les processus
i) Modèles existants
ii) Modélisation avec le modèle PPNT1.0
III.6 SCHEMA NUMERIQUE DU MODELE PPNT
C – CONCLUSION
CHAPITRE IV : CONCLUSION GENERALE
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