Amandine ANDERSON, Sylvie VILLAIN, Pierre HENNEBERT et Patricia MERDY Les verrous analytiques rencontrés lors de l’étude des colloïdes en milieu complexe. Bonjour à tous, je suis Amandine Anderson étudiante en 2ème année de thèse à l’université de toulon au sein du laboratoire Protee financée par la région PACA. Je vais vous présenter aujourd’hui les verrous analytiques rencontrés lors de l’étude des colloides en milieu complexe. Amandine ANDERSON, Sylvie VILLAIN, Pierre HENNEBERT et Patricia MERDY Journée de la chimie SCF PACA Toulon 22/04/2015

1- Introduction Contexte But de l’étude Tout d’abord, j’introduirai le contexte et le but de l’étude.

1- Introduction 2- Identification des problèmes 3- Résolution des problèmes 4- Conclusion Contexte 2010 : production en France : + de 350 millions de tonnes de déchets/an  Production en France > moyenne de l’Union Européenne. Quantités de déchets traitées < à 5% des quantités produites. Valorisation de 64 % des déchets Reste des déchets La production de déchets à travers le monde est importante. En 2010, la France produit 355 million de tonnes de déchets par an et se retrouve au-dessus de la moyenne de l’Union Européenne. Globalement, les quantités de déchets traitées sont inférieures à 5% des quantités produites et 64 % des déchets ont été valorisés. Le reste est soit stocké soit envoyé vers les usines d’incinérations d’ordures ménagères. Stockage UIOM

1- Introduction 2- Identification des problèmes 3- Résolution des problèmes 4- Conclusion Contexte Souhait du ministère de l’écologie dans un futur proche: Contrôle de la phase colloïdale des déchets Pourquoi ce souhait?  Connaitre les risques environnementaux liés à l’émission des colloïdes par les déchets. Comment les connaître? En quantifiant et en caractérisant les colloïdes émis par les déchets afin de savoir leurs comportement dans l’environnement. Pour cela : Utilisation de techniques analytiques existantes MAIS non adaptées à l’étude des colloïdes en milieu complexe. Nécessité de développer un protocole expérimental précis permettant d’utiliser les techniques analytiques existantes. Aussi, face à cette production de déchets, l’Etat français oblige les industriels à connaître la composition chimique globale de leurs déchets sans s’attacher pour autant à la composition des nanoparticules (ou colloïdes) émises par ces derniers. C’est dans ce contexte que le ministère de l’écologie souhaiterait contrôler dans un futur proche la partie colloïdale des déchets en les quantifiant et les caractérisant au mieux de façon rapide et précise. Cependant, les techniques analytiques existantes ne sont pas adaptées à l’étude des colloïdes en milieu complexe. Il y a donc un enjeu analytique majeur pour permettre la caractérisation des colloïdes en milieu complexe.

Détermination des risques environnementaux 1- Introduction 2- Identification des problèmes 3- Résolution des problèmes 4- Conclusion Le but de notre étude Détermination des risques environnementaux 5 déchets différents ① Résidu de bauxite ② Sédiments marins ③ Boues de station d’épuration ④ Déchets ménagers broyés ⑤ Mâchefers d’IUOM Mobilité des colloides Caractérisation des colloides Composition chimique Mesures de taille ① ② ③ ④ ⑤ Le but général de notre étude est la détermination des risques environnementaux qui passe par la détermination de la mobilité des colloides d’une part et par la caractérisation de ces derniers d’autre part. Pour les caractériser au mieux, il convient de connaitre leur composition chimique et leur taille. Pour cela différentes techniques sont utilisées (DLS/NTA/MEB pour la taille) et (ICP, Fluo Toc ET MEB pour la compo chimique). Les techniques écrites en rouge sont celles qui soulèvent des problèmes analytiques et donc je vais me focaliser sur ces différentes techniques. Les techniques analytiques utilisées ICP-AES Fluorescence 3D TOC MEB-EDX Quels sont les problèmes rencontrés avec ces techniques? DLS NTA MEB

Les problèmes analytiques rencontrés DLS MEB-EDX La DLS est la technique la plus employée pour mesurer la taille et le potentiel zêta des colloïdes. Cependant, cette technique est optimisée pour des molécules modèles type latex et dans un milieu monodisperses et non pour des colloïdes naturels, hétérogènes et polydisperses. C’est pour cela que nous nous sommes confrontés à un problème analytique majeur. Par ailleurs, les techniques microscopiques, quant à elles, engendrent des artéfacts notamment lors de la préparation des échantillons. Nous allons donc voir plus en détail quels sont les problèmes analytiques rencontrés pour ces deux techniques.

Identification des problèmes analytiques 1- Introduction 2- Identification des problèmes 3- Résolution des problèmes 4- Conclusion Identification des problèmes analytiques Dynamic light scattering (DLS) Protocole analytique standard : 5 mesures (12 réplicats) en moins de 30 minutes Test de fiabilité des données au fil du temps Besoin de 9 heures d’acquisition pour obtenir des données fiables Tout d’abord en ce qui concerne la DLS. LE protocole analytique standard préconise 5 mesures d’une dizaine de réplicats( pour que statistiquement cela soit représentatif) en moins de 30 minutes. Elle est donc plutôt rapide à mettre en place. Cependant, lors de l’analyse de nos échantillons avec ce protocole, nous avons souligné des variations importantes dans les résultats et ils ne pouvaient donc ne pas être exploités. De ce fait, nous avons fait un test de fiabilité des données au cours du temps. Il s’est avéré qu’on avait besoin de 9 heures d’acquisition (200 réplicats) pour avoir des données fiables et exploitables. Nous nous sommes donc demandés pourquoi une telle différence de fiabilité dans les résultats entre le protocole analytique standard et le test de fiabilité. Il s’est avéré que le protocole standard crée des artéfacts en ne tenant pas en compte l’hétérogénéité de l’échantillon et en ayant un effet de masque par les grosses particules lié à la sédimentation. De ce fait, la DLS pose un problème analytique majeur dans l’analyse en taille des colloides complexes. Pourquoi le protocole analytique standard ne convient pas? Création d’artéfacts à cause de: - hétérogénéité de l’échantillon non pris en compte - effet de masque par les grosses particules lié à la sédimentation

Identification des problèmes analytiques 1- Introduction 2- Identification des problèmes 3- Résolution des problèmes 4- Conclusion Identification des problèmes analytiques Microscopie électronique à balayage Test de 3 différentes méthodes de séchage sur les 5 déchets lixiviés et filtrés à 0,45 µm. Séchage à air ambiant Lyophilisation à -18°C Lyophilisation à l’azote liquide MF MIOM MO + Sels MO+ Mtx MF MIOM MO + Sels MF MIOM Pour ce qui est de la microscopie électronique à balayage, nous savons que les étapes de préparation sont cruciales pour éviter les artéfacts. Du coup, nous avons testé trois méthodes différentes de séchage sur nos 5 lixiviats de déchets filtrés à 0,45µm : Le séchage à l’air ambiant, la lyophilisation à -18°C et la lyophilisation à l’azote liquide. La première méthode a été très vite abandonnée car nous remarquons des artéfacts lié au séchage sur la photo présentée. La 2eme et 3eme méthodes ont été plus satisfaisantes car les artéfacts étaient moins présents mais la présence d’un grand nombre de cristaux de sels rendaient impossible la détection des métaux dans nos échantillons. Du coup, il a fallu trouvé une autre solution pour pouvoir utiliser le MEB comme technique analytique.

Résolution des problèmes analytiques

Résolution des problèmes analytiques 1- Introduction Identification des problèmes 3- Résolution des problèmes 4- Conclusion Résolution des problèmes analytiques DLS : diminution du volume de l’échantillon + analyse en flux rasant  diminution du temps d’acquisition (divisé par 2) 4h30 au lieu de 9h Découverte d’une technique récente: Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) laser Faisceau du laser Concernant la résolution des problèmes analytiques. Tout d’abord, pour la DLS nous avons diminué le volume d’échantillon dans la cuve pour que le faisceau laser arrive à la surface de l’échantillon. Ainsi, le temps d’acquisition a été divisé par 2 mais il reste encore trop long pour que cette technique soit adoptée pour l’analyse des colloides en milieu complexe. Etant donc à la recherche d’une autre technique plus rapide et plus efficace, nous nous sommes tournés vers une technique plus récente le NTA.

Résolution des problèmes analytiques 1- Introduction Identification des problèmes 3- Résolution des problèmes 4- Conclusion Résolution des problèmes analytiques NTA Gamme de taille: 10-2000nm Concentration: 107 à 109 particules/ml Avantage: Pas besoin de l’indice de réfraction L'analyse du suivi individuel de particules (Nanoparticle Tracking Analysis, NTA) exploite les propriétés de la lumière diffusée et du mouvement Brownien pour calculer la distribution de taille des particules en suspension dans un liquide. Un faisceau laser traverse la chambre d'échantillon et les particules en suspension présentes sur la trajectoire de ce faisceau diffusent la lumière de telle sorte qu'elles peuvent être facilement visualisées avec un microscope avec un grossissement de 20x, équipé d'une caméra. La caméra enregistre un fichier vidéo des particules soumises au mouvement Brownien. Le logiciel repère de nombreuses particules individuellement et en calcule le diamètre hydrodynamique à l'aide de l'équation de Stokes-Einstein. Voici une vidéo d’un échantillon analysé par la technique NTA. Les particules les plus lumineuses ne sont pas forcément plus grosses que les autres car la diffusion de lumière n’est pas seulement reliée à la taille de la particule.

Résolution des problèmes analytiques 1- Introduction Identification des problèmes 3- Résolution des problèmes 4- Conclusion Résolution des problèmes analytiques Courbe obtenue par NTA (139,14 nm) Tps d’acquisition: 1 mn Valeurs par DLS (57,8 et 2890 nm) Tps d’acquisition: 16 mn Voici ici un exemple de comparaison des deux techniques DLS NTA sur un échantillon. La courbe représente les résultats obtenus par NTA tandis que les deux barres représentent les valeur obtenues par DLS. On constate que les deux techniques sont complémentaires car la DLS nous donne une information sur les particules les plus grosses que le NTA ne peut pas analyser. De ce fait, il est intéressant de travailler avec ces deux techniques en parallèle pour observer leurs similitudes et leurs différences.

Résolution des problèmes analytiques 1- Introduction Identification des problèmes 3- Résolution des problèmes 4- Conclusion Résolution des problèmes analytiques MEB Filtration des échantillons sur filtre en cellulose conçu pour l’observation MEB et séchage à l’air libre + utilisation du mode contraste chimique pour repérer plus facilement les métaux. diminution des artéfacts liés au séchage. Diminution de la quantité de sels qui empêchaient la détection des métaux MF STEP MO + Sels MF STEP UF sédiments Métaux (Al, Si) Métaux (Fe,Cr,Ni )

Conclusion

Conclusion Techniques Avantages Inconvénients 1- Introduction 2- Identification des problèmes 3- Résolution des problèmes 4- Conclusion Conclusion Techniques Avantages Inconvénients NTA Perturbation minimale de l’échantillon. Faible volume d’échantillon. Temps d’acquisition rapide. Pas besoin d’indice de réfraction. Pas d’effet de masque. Faible gamme de détection (jusqu’à 2 µm). Difficultés à obtenir les données brutes. DLS Prise en main facile de l’appareil. Sensible aux grosses particules. Large gamme de détection (jusqu’à 10 µm). Temps d’acquisition long. Effet de masque. Besoin de l’indice de réfraction. Retraitement des données fastidieux. MEB - Haute résolution latérale. - Détermination de la taille combinée à l’analyse chimique élémentaire des particules. Abime l’échantillon à 18kV. Attention à l’étape de préparation de l’échantillon. Sur-évalution de la quantification des éléments légers (C, N, O) Confrontation aux verrous analytiques majeurs lors de l’étude des colloïdes en milieu complexe. Création de protocoles expérimentaux pour caractériser au mieux les colloïdes. Bilan des techniques analytiques utilisées pour l’étude des colloïdes Nécessité de combiner plusieurs techniques pour obtenir des résultats fiables

Merci de votre attention