Biocomposites à base de phosphate de calcium, de nanocellulose et de chitosan pour des applications environnementales

Calcium phosphate, nanocellulose and chitosan based bio-composites for environmental applications

• Auteur / Autrice : Sherin Peter
• Direction : Ange Nzihou, Sabu Thomas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 28/04/2022
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux en cotutelle avec Mahatma Gandhi University
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....) - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE
• Jury : Président / Présidente : Yves Grohens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ange Nzihou, Sabu Thomas, Jean-Michel Lavoie, Ligy Philip, Nathalie Lyczko
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Grohens, Jean-Michel Lavoie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Chitosane

Phosphates de calcium

Nanocellulose

Eau -- Épuration

Mots clés libres

Purification de l'eau

Nanocomposite durable

Nanocellulose

Phosphate de calcium

Chitosane

Mécanismes de sorption

Cinétique

Water purification

Green nanocomposite

Nanocellulose

Calcium phosphate

Chitosan

Sorption mechanisms

Kinetics

Résumé

Sur la base des rapports de l'OMS (Organisation Mondiale de la Santé) (2017), environ 2,1 milliards de personnes n'ont aucun accès à un approvisionnement fiable en eau potable à domicile. Les polluants classiques tels que les métaux lourds, les colorants, les déchets domestiques et industriels ainsi que ceux émergents tels que les antibiotiques, les molécules issues des déchets hospitaliers et des produits de soins personnels se retrouvent dans l'eau, ce qui crée de nouveaux défis en matière de purification. Les nanocomposites sont les matériaux les plus explorés pour la purification de l'eau. Cependant, ces derniers combinent des capacités d'adsorption et d'exclusion de taille qui n'ont pas suffisamment été explorées jusqu'à présent. Ces performances pouvant être utilisées afin d’optimiser l'élimination d'une large gamme de polluants. À cet égard, ce travail se concentre sur la formulation d'un nanocomposite durable (GNC) qui exclut également l'utilisation de tout produit chimique polluant. Le GNC combine le phosphate de calcium (CaP), un excellent absorbant des polluants conventionnels et émergents, la nanocellulose (NC) et le chitosan (CH) issus de la biomasse pour former un nanocomposite ternaire. La NC présente d'excellentes propriétés mécaniques et une capacité de formation de films, tandis que le CH possède une capacité d'adsorption et une facilité de traitement. L’identification des caractéristiques mécaniques, physiques, morphologiques et de performance des matières premières et des différents GNC ont permis de faire émerger la formulation la plus optimale basée sur la performance et l'adsorption. Les résultats de l'analyse de la stabilité thermique et des triplets cinétiques ont démontré que l'augmentation du CaP dans la formulation augmente également l'énergie d'activation et réduit la perte de masse des GNC. Lors de la filtration d'eaux usées synthétiques contenant un mélange de 10 ppm d'ions Ni et de 10 ppm de colorant rouge congo, le nanocomposite a montré une élimination des polluants jusqu'à 99% et 100% respectivement pour les ions Ni et le colorant CR. Les données expérimentales ont été modélisées avec des modèles empiriques décrivant l’adsorption des polluants. Les modèles mettant en oeuvre le bilan massique, l'encrassement de la membrane, le coefficient de diffusion, la prédiction du débit massique ont montré que l'augmentation des concentrations de pollution dans l'alimentation de 10ppm à 150ppm a entraîné une réduction du taux d'adsorption alors que l'encrassement de la membrane et la diffusion ont augmenté. La GNC sélectionnée a été utilisée pour l'élimination des polluants des eaux usées industrielles. Les polluants tels que Cd, Mn, Pb, Se, Sr, V ont été éliminés à 100% tandis que Cr, Li, Mg ont été éliminés à 94%, 78% et 94% respectivement. Une installation de purification à grande échelle a été utilisée pour évaluer la performance des GNCs sur des eaux usées synthétiques et industrielles et ont montré des résultats similaires. Une étude économique a également été proposée. Dans l'ensemble, ce travail a démontré que les GNCs peuvent être préparés sans utiliser de produits chimiques nocifs ou de modifications complexes, ce qui pourrait être une application efficace dans la production d'eau potable.

Based on the WHO (World Health Organization) reports (2017), around 2.1 billion people do not have any access to a reliable drinking water supply at home. Conventional pollutants like heavy metals, dyes, domestic and industrial wastes along with emerging pollutants like antibiotics, hospital wastes and personal care products end up in water that creating new challenges in purification. Nanocomposites are the most explored material in recent times for water purification. However, nanocomposites combining adsorption and size exclusion capacities have not been well explored so far to optimize the removal of a wide range of pollutants. In this regard, this work focuses on the formulation of a green nanocomposite (GNC) that also excludes the use of any polluting chemicals. The GNC combines calcium phosphate (CaP), an excellent sorbent of conventional and emerging pollutants with biomass-derived nanocellulose (NC) and chitosan (CH) to form a ternary nanocomposite. NC exhibits excellent mechanical property, film-forming capacity and CH has outstanding adsorption capacity and processibility. The mechanical, physical, morphological characterizations and performance evaluations were carried out on the raw materials and different GNCs to identify optimum formulation based on performance and adsorption. Thermal stability and kinetic triplets were outcomes that demonstrated the increase of CaP in the formulation also increase the activation energy and reducted mass loss of the GNCs. Upon filtrating synthetic wastewater having a mix of 10ppm Ni ion and 10 ppm congo red dye, the nanocomposite exhibited pollutant removal up to 99% and 100% respectively for Ni ion and CR dye. Experimental breakthrough data were modelled with empirical models based on pollutant removal studies. Models considering mass balance, membrane fouling, diffusion coefficient, mass flow rate prediction showed that increasing the pollution concentrations in the feed from 10ppm to 150ppm resulted in a reduction in the rate of adsorption whereas increased both membrane fouling and diffusion. The GNC selected was used for pollutants removal from industrial wastewater. The pollutants such as Cd, Mn, Pb, Se, Sr, V were removed 100% whereas Cr, Li, Mg were removed 94%, 78% and 94% respectively from industrial wastewater. A scaled-up purification setup was used to evaluate the performance of the GNCs with both synthetic and industrial wastewater demonstrating similar results. In addition, an economical assessment was proposed. Overall, this work demonstrated that, GNCs can be formulated without using any harmful chemicals or complex modifications which could be efficiently applied in drinking water production.