Rappels généraux sur les métaux lourds

La pollution des eaux par les matières organiques est un problème mondial dont les aspects et la portée sont évidemment différents selon le niveau de développement des pays. Il importe que les concentrations des produits polluants soient les plus faibles possibles. La qualité de l’eau est définie par ses composantes chimiques, physiques et biologiques qui dépendent de nombreux facteurs endogène et exogène du milieu aquatique. La présence du fer (Fe) en quantité très importante dans l’environnement peut générer plusieurs problèmes de gestion et d’usage des eaux de stockage au niveau du barrage, de traitement au niveau des usines et au niveau du réseau de distribution.

A ce jour, le contrôle des eaux se fait essentiellement, par des analyses en laboratoire après prélèvement sur site. Ces contrôles qui sont parcellaires, ne répondent pas aux besoins de suivi en continu des milieux. Il est donc nécessaire de concevoir des instruments mieux appropriés à cet usage. Les capteurs chimiques insérés dans des systèmes d’élimination des polluants sont adaptés à la détection des ions, ce sont des outils de choix pour la détection des ions lourds en solution et plus précisément des capteurs électrochimiques. L’étude des transferts des ions métalliques à l’interface d’électrode modifiée représente une base intéressante pour le développement des capteurs électrochimiques. A cet effet, l’objectif de la manipulation de surface est le développement des capteurs, le plus souvent miniaturisables, grâce à l’apport des propriétés remarquables de reconnaissance et de complexation ou simplement d’accélération du transfert d’électron, d’espèces organiques, inorganiques ou biologiques. Les multiples fonctionnalisations pouvant être pour de telles électrodes modifiées donnent lieu à de nombreuses applications.

La conception des capteurs chimiques pour la détection d’espèces cationiques dans des échantillons réels et sur site révèle toute son importance si l’on considère le rôle primordial joué par les cations métalliques dans les processus environnementaux et biologiques. Plusieurs approches analytiques sont possibles, en particulier les méthodes électrochimiques. On distingue deux grandes catégories des capteurs : les capteurs physiques et les capteurs (bio) chimiques. Ces derniers sont en général constitués d’un transducteur et d’une membrane chimique ou biochimique sensible. Quatre modes de transduction sont possibles : thermique, massique, optique et électrochimique. L’immobilisation d’une membrane chimiquement sensible ou bio sensible à la surface du transducteur donne la possibilité de suivre de manière sélective la variation de concentration d’une espèce chimique ou biochimique au cours du temps .

REVUE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LES MÉTAUX LOURDS ET LES CAPTEURS ELECTROCHIMIQUES APPLIQUES A LA DETECTION DU FER

L’objectif de cette thèse est de développer un micro-capteur capable de détecter les métaux lourds présents dans une eau polluée et ainsi d’étudier l’impact sur l’environnement causé par ces métaux, aussi appelés éléments traces métalliques. Les éléments traces sont ainsi nommés parce qu’ils se trouvent en faibles concentrations dans la croûte terrestre. La notion de métaux lourds est apparue lorsque les premiers biologistes ont cherché à caractériser les protéines qui contenaient du soufre. Les sels solubles dans l’eau du plomb, du mercure et du cadmium, ajoutés à une solution aqueuse d’une protéine, conduisent à la formation de précipités volumineux et très denses dus à une liaison entre les fonctions soufrées de ces protéines et ces ions métalliques .

Au cours de ce travail, nous avons préféré utiliser l’expression « métaux lourds » pour ne pas altérer la définition des éléments traces métalliques. En outre, l’utilisation du terme « métaux lourds » ne fait pas référence à une gamme de concentration donnée, mais à une propriété intrinsèque des éléments : la densité. Selon Callender [1], les métaux lourds sont ceux dont la densité est supérieure à 5. De plus, il concerne tout métal ayant un numéro atomique élevé, en général supérieur à celui du sodium (Z=11) et pouvant être toxique pour les systèmes biologiques. L’appellation métaux lourds est cependant une appellation courante qui n’a ni fondement scientifique, ni application juridique. Les métaux lourds sont présents dans tous les compartiments de l’environnement, mais en général en quantités très faibles. On dit que les métaux sont présents “ en traces ”. Ils sont aussi “ la trace ” du passé géologique et de l’activité de l’homme. La classification en métaux lourds est d’ailleurs souvent discutée car certains métaux toxiques ne sont pas particulièrement “ lourds ” (le zinc), tandis que certains éléments toxiques ne sont pas tous des métaux (l’arsenic par exemple). Pour ces différentes raisons, la plupart des scientifiques préfèrent à l’appellation métaux lourds, l’appellation “ éléments en traces métalliques ” – ETM- ou par extension “ éléments traces ”.

Rappels généraux sur les métaux lourds

Définition

Les définitions des métaux lourds sont multiples et dépendent du contexte dans lequel on se situe ainsi que de l’objectif de l’étude à réaliser. D’un point de vue purement scientifique et technique, les métaux lourds peuvent être définis comme :
– Tout métal ayant une densité supérieure à 5 [4],
– Tout métal ayant un numéro atomique élevé, en général supérieur à celui du sodium (Z = 11),
– Tout métal pouvant être toxique pour les systèmes biologiques.
Certains chercheurs utilisent des définitions plus spécifiques. Le géologue, par exemple, considérera comme métal lourd tout métal réagissant avec la pyrimidine (C6H5N). Dans le traitement des déchets liquides, les métaux lourds indésirables auxquels on s’intéresse principalement sont : l’arsenic (As), le cadmium (Cd), le chrome (Cr), le mercure (Hg), le nickel (Ni), le plomb (Pb), le sélénium (Se), le zinc (Zn). Dans les sciences environnementales, les métaux lourds associés aux notions de pollution et de toxicité, sont généralement : l’arsenic (As), le cadmium (Cd), le chrome (Cr), le cuivre (Cu), le mercure (Hg), le manganèse (Mn), le nickel (Ni), le plomb (Pb), l’étain (Sn), le zinc (Zn). Enfin, dans l’industrie en général, on considère comme métal lourd tout métal de densité supérieure à 5, de numéro atomique élevé et présentant un danger pour l’environnement.

EFFET DES METAUX LOURDS SUR LA SANTE ET L’ENVIRONNEMENT

Les effets sur la santé

Les métaux lourds s’accumulent dans l’organisme et provoquent des effets toxiques à court et/ou à long terme. Ils peuvent affecter le système nerveux, les fonctions rénales, hépatiques, respiratoires, ou autres. Les effets des métaux lourds sur le système nerveux central et Leurs symptômes sont
● irritabilité
● peur
● nervosité
● inquiétude
● instabilité émotionnelle
● perte de confiance
● timidité (symptôme principal chez les adolescents)
● indécision
● perte de la mémoire immédiate
● toutes les sortes d’insomnies
● dépression

Passons aux symptômes neurologiques :
● fourmillement des mains
● sentiment de brûlure constante avec endormissement des membres inférieurs (symptôme caractéristique des perturbations dues au mercure)
● léger tremblement des mains.

Dans la région de la tête :
● saignement des gencives
● gencives qui se retirent mettant l’os du maxillaire à nu
● dents qui bougent
● mauvaise haleine
● sentiment de brûlure sur les lèvres, la langue et le visage
● abcès buccaux
● vertiges
● sifflement dans les oreilles
● troubles de l’audition
● difficultés oculaires (baisse de la vision des contrastes et des couleurs dues à des dépôts de métaux lourds dans le cervelet) .

Dans le secteur digestif :
● allergies alimentaires, particulièrement aux oeufs et au lait
● coliques .

Les symptômes cardiaques :
● arythmie due aux dépôts de métaux lourds dans les nerfs commandant l’activité cardiaque
● problèmes de pression (à ce sujet une étude à long terme effectuée sur 10.000 patients démontre qu’après six mois de traitement au DMPS, c’est un chélateur, les problèmes de pression avaient disparu et que le taux de cholestérol s’était normalisé).

Table des matières

Introduction Générale
CHAPITRE I : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LES MÉTAUX LOURDS ET LES CAPTEURS CHIMIQUES APPLIQUES A LA DETECTION DU FER
I.A.1. Introduction
I. A.2. Rappels généraux sur les métaux lourds
I. A.2.1. Définition
I. A.3. Effet des métaux lourds sur la santé et l’environnement
I. A.3.1. Les effets sur la santé
I. A.3.2. Les effets sur l’environnement
I. A.4. Généralités sur le métal utilisé (Le Fer)
I. A.4.1. Qu’est-ce que le Fer ?
I. A.4.2. Caractéristique du Fer
I. A.4.2.1. Caractéristique chimique du Fe
I. A.4.2.2. Caractéristiques photochimiques du F
I. A.4.3. Fe dans l’environnement
I. A.4.3.1. Fe en présence de l’air (O2)
I. A.4.3.2. Le Fe en présence de l’eau
I. A.4.3.3. Cycle du Fe dans l’environnement
I.B.1. Introduction
I.B.2. Généralités sur les capteurs
I.B.2.1.Définition du capteur chimique
I.B.2.2.Structure d’un capteur
I.B.2.3. Grandeurs d’influence
I.B.2.4. Paramètres caractéristiques des capteurs
I. B.2.4.1. Etendue de mesure
I. B.2.4.2. Domaine de linéarité
I. B.2.4.3. Résolution – Précision
I. B.2.4.4. Rapidité – Temps de réponse
I. B.2.4.5. Fidélité
I. B.2.4.6. Précision
I. B.2.4.7. Sensibilité
I. B.3. Classification des capteurs électrochimiques
I. B.3. 1. Les capteurs potentiométriques
I. B.3. 2. Les capteurs conductimétriques
I. B.3. 3. Les capteurs ampérométriques
I. B.3. 4. Les capteurs impédimétriques
I. B.4. Domaine d’application des capteurs
I. B.5. Généralités sur les capteurs électrochimiques appliqués à la détection du fer
I.B.5.1. La préparation d’électrode d’ion sélectif à base d’ionophore (E) -N ‘- ((2-hydroxynaphtalén-3- byl) méthylène) benzohydrazide (HNBH)
I.B.5.2. la préparation d’électrode a base de ((tris (3-(thiophenal) propyl) amine (TTA)
I.B.5.3. La préparation d’électrode à base de N1, N3, N5-tris (2-(2,3- dihydroxybenzylamino)-ethyl)cyclohexane-1,3,5tricarboxamide(CYCOENCAT,L)
I.B.5.4. La préparation d’électrode à base de l’ionophore (2-Hydroxymethyl-15-crown-5)
I.B.6. Etude bibliographique sur les déférentes ionophores avec leurs réponses
I.B.7. CONCLUSION
Chapitre II : CARACTERISATION DES SUBSTANCES CIBLES ET DES IONOPHORES UTILISES
II.1. Introduction
II.2. Histoire des zéolithes
II.3. Structure poreuse et sites actifs des zéolithes
II.4. Nomenclature
II.5. Caractérisation
II.6. Généralités sur les ionophores utilisés pour la détection des ions: Fe3+
II.6.1. La zéolithe de type FAUJASITE (FAU)
II.6.2. La zéolithe de type CHABAZITE (CHA)
II.6.2.1. Identification
II.6.2.2. Usages courants de la zéolithe chabazite
II.6.2.3. Famille des Chabazites
II.6.3. La zéolithe de type ZSM-5
II.6.4. L’ionophore éther-couronne (18C6)
II.6.4.1. Introduction
II.6.4.2. Nomenclature
II.6.4.3. Classification des éthers couronnes
Chapitre III : TECHNIQUES EXPERIMENTALES
III.1. Les techniques voltamétriques
III.1.1. Définition
III.1.2. La voltampérométrie cyclique
III.1.2.1.Application
III.1.3. Voltampérométrie à signaux carrés (SWV : Square Wave Voltammetry)
II.1.4. Définition
III.1.4.1.Principe de la voltampérométrie à ondes carrées
III.1.5. La voltammétrie a signaux carres possède de nombr.eux avantages
II.1.5.1.Application
Chapitre IV : ELABORATION D’ELECTRODE SELECTIVE POUR LA DETECTION DU FER DANS LES MATRICES REELLES
IV.1 DÉFINITION
Partie A. ELABORATION ET CARACTERISATION DU CAPTEUR
IV.A.1. Dispositif expérimental
IV.A.2. Propriétés électrochimiques d’électrodes de travail
IV.A.3.Protocole opératoire des essais
IV.A.4. Elaboration de l’électrode modifiée
IV.A.5: Caractérisation par voltamétrie cyclique
IV.A.6:Détection de Fer par la méthode voltampérométrie à onde.s carrées (SWV)
IV.A.7: Caractérisation analytique des membranes
IV.A.7.1. Préparation de la membrane et choix de plastifiant
IV.A.7.2. Etude de l’effet des plastifiants
IV.A.7.2.1. Etude de l’effet du plastifiant [2-Nitrophenyl octyl éther (NPOE)]
IV.A.7.2.2. Etude de l’effet du plastifiant [Di-n-octyl phthalate]
IV.A.7.2.3. Etude de l’effet du plastifiant [Bis (2-ethylhexyl) sebacate]
IV.A.7.2.4. Etude de l’effet du plastifiant [Polyéthylène glycol (PEG)]
IV.A.7.1.5. Etude de l’effet de la membrane additionnelle (Nafion)
IV.A.7.3. Interprétation des résultats et le rôle des plastifiants
IV.A.7.4. Effet de la composition de la membrane
IV.A.7.5. Mécanisme d’échange
IV.A.8. Etude de l’effet des zéolithes
IV.A.8.1 : Etude de l’effet de la zéolithe de type FAUJASITE (FAU)
IV.A.8.2. Etude de l’effet de la zéolithe de type CHABAZITE (CHA)
IV.A.8.3. Etude de l’effet de la zéolithe de type ZSM-5
IV.A.9. Comportements du capteur vis-à-vis d’autres ions
Partie B. APPLICATION DU CAPTEUR DANS LES ZONES REELLES
I V.B.1. Analyse des échantillons réels
IV.B.2. Calcule de la concentration de FER dans les échantillons
IV.B.3. Présentation des voltamogramme SQW des tests réels
IV.B.3. 1. Détection de fer dans un échantillon réel (échantillon 1)
IV.B.3. 2. Détection de fer dans un échantillon réel (échantillon 2)
IV.B.3. 3. Détection de fer dans un échantillon réel (échantillon 3)
IV.B.2. 4. Détection de fer dans un échantillon réel (échantillon 4)
IV.B.3. 5. Détection de fer dans un échantillon réel (échantillon 5)
IV.B.4. Calcul du taux de recouvrement
IV.B.5. Conclusion
Références bibliographiques
Conclusion générale

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