Développement de systèmes d'analyse en flux imprimés en 3D pour le dosage de Pb, Cd et Hg dans les eaux

Development of 3D printed flow analysis systems for the determination of lead, cadmium, and mercury in water

• Auteur / Autrice : Elodie Mattio
• Direction : Jean-Luc Boudenne, Bruno Coulomb
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie de l'Environnement
• Date : Soutenance le 16/11/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences de l'Environnement (Aix-en-Provence ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire chimie et environnement (LCE) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Delaunay-Bertoncini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Brach-Papa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicole Jaffrezic-Renault, Víctor Cerdà

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dosage en flux continu

Mercure -- Déchets

Teneur en plomb

Teneur en cadmium

Eau

Impression 3D

Mots clés libres

Système d’analyse

Impression 3D

Métaux

Eau

Analyse en flux

Analysis system

3D printing

Metals

Water

Flow analysis

Résumé

La quantification des métaux dans les milieux aquatiques est un enjeu majeur, au vu de leur toxicité élevée et de leurs nombreuses sources d’émission dans l’environnement. Dans cette optique, le développement de systèmes d’analyse en ligne portables et à bas coût va permettre de réaliser des contrôles répétés et automatisés sur site. Trois métaux ont été ciblés dans cette étude : le plomb, le cadmium et le mercure. Pour développer ces systèmes, l’impression 3D a été utilisée pour réduire les coûts de fabrication et permettre la conception de modules sur mesure. Trois systèmes ont été développés, selon la méthodologie suivante : dans un premier temps, l’échantillon va être photo-oxydé pour extraire les métaux de la matrice organique et minérale, puis les métaux ciblés vont être ensuite préconcentrés sur phase solide, élués et détectés en spectroscopie UV-Visible ou en fluorescence. Les choix de la phase solide, de l’éluant et du réactif de détection vont ainsi être déterminants pour la caractérisation sélective et sensible de chaque métal. Un premier système pour l'analyse du plomb a été développé, et se compose de trois modules imprimés en 3D, accueillant une colonne de résine, un mélangeur, et une cellule de détection optique. Un second système, sous la forme d’un lab-on-valve, permet la quantification du plomb et du cadmium. Enfin le troisième système, portant sur le mercure, intègre une pièce imprimée en 3D dont la surface a été greffée avec une molécule (dithizone carboxylate) permettant l'extraction sélective du mercure du milieu. Ces systèmes conduisent ainsi à de nouvelles perspectives pour le développement de systèmes en flux plus complexes imprimés en 3D.

Metals determination in aqueous samples is a major challenge nowadays, in the light of their high toxicity and their numerous emission sources into the environment. In this context, the development of on-line and low-cost analytical systems allows to carry out automated on-site measurements. Three metals (lead, cadmium and mercury) have been targeted in this study. 3D printing has been used in this study to reduce fabrication costs and to allow a tailor-made conception of the units. The developed flow systems in this study are based on the same analytical methodology: first, the sample is photo-oxidized to extract targeted metals from organic and mineral matrix of the sample. Then, metals are preconcentrated on a solid phase, then eluted and detected by UV-Visible or fluorescence spectroscopy. The choices of preconcentration solid phases, eluents, and detection reagents are decisive for the selective and sensitive characterisation of each metal. The first developed system concerns lead analysis, and consists of three 3D printed units, which contain a resin column, a mixing coil, and a spectroscopic flow-cell. The second system for lead and cadmium determination contains a 3D printed lab-on-valve with eight ports, two resin columns, and a mixing coil with baffles. Finally, the third system includes a 3D printed unit whose surface has been modified by grafting a molecule with high affinity for mercury (dithizone carboxylate). This 3D printed unit provides a selective extraction of mercury after modification of its surface. The systems thus developed allow to explore the possibilities of 3D printing for the development of more complex flow systems.