Titre de la dissertation: « Suivi par relaxométrie RMN protonique de l’élimination de métaux lourds paramagnétiques par des résines échangeuses d’ions et du charbon activé »

Promoteur de thèse: Monsieur Yves GOSSUIN

Résumé: La pollution de l’eau par les métaux lourds est une préoccupation environnementale majeure. L’élimination de ces métaux de l’eau est souvent réalisée par échange d’ions/adsorption. Actuellement, les performances des adsorbants sont déterminées par la mesure de la concentration résiduelle en métal grâce à la spectroscopie d’émission atomique/spectrométrie de masse à plasma couplé par induction (ICP-AES/MS).Cette recherche repose sur l’utilisation de la relaxométrie RMN pour suivre la capture des métaux lourds paramagnétiques (Cu²⁺, Cr³⁺, Mn²⁺ et Ni²⁺) par trois résines échangeuses d’ions et du charbon activé. Les propriétés physico-chimiques de ces adsorbants ont été caractérisées par diverses techniques. Des expériences en mode « batch » et « colonne » ont permis d’étudier l’efficacité de capture des métaux lourds et d’analyser les paramètres influençant leur adsorption. Les modèles cinétiques du pseudo-premier et pseudo-second ordre ont été appliqués aux données cinétiques, tandis que les isothermes d’équilibre ont été décrits par les modèles de Langmuir et Freundlich. Les relaxations longitudinale (T₁) et transversale (T₂) des trois résines se révèlent être biexponentielles. Le taux de relaxation de la fraction à relaxation rapide des deux résines sulfoniques peut être corrélé avec la teneur en métal déterminée par ICP-AES/MS. En revanche, la résine possédant des groupements iminodiacétiques montre une augmentation plus modérée des taux de relaxation, probablement due à ses propriétés chélatantes. L’analyse du charbon activé a révélé initialement plusieurs populations de protons. Après centrifugation, seules deux fractions liées à l’intraporosité ont été mises en évidence : la fraction rapide, associée à la microporosité, et la fraction lente, à la mesoporosité. Une augmentation des taux de relaxation de la fraction lente post-centrifugation a été observée avec l’augmentation du chargement en métaux lourds, sauf pour le Ni²⁺, où aucune évolution significative n’a été détectée à faible concentration. Les relaxivités de surface du charbon ont été estimées à partir du rapport S/V et des fractions à relaxation lente de T₁ et T₂. Enfin, l’étude du chargement en temps réel d’un lit de résine a été étudié. L’analyse des résultats a révélé la présence de trois étapes distinctes. La première, s’étend du début de l’expérience jusqu’à l’arrivée du front de la solution polluée dans la zone d’analyse RMN, deux populations de protons sont observées : la population rapide associée à la résine non chargée et la population lente liée à l’eau dans l’interporosité. La deuxième étape consiste en la saturation progressive du lit de résine, augmentant le nombre de populations présentes et rendant difficile l’attribution des différents temps de relaxation. Enfin, la saturation complète du lit, où l’on retrouve deux fractions de relaxation protonique distinctes : la solution polluée et la résine saturée.Cette recherche démontre l’efficacité de la relaxométrie RMN pour suivre la capture des métaux lourds paramagnétiques par différents adsorbants. Dans le futur, il serait intéressant d’étudier la dépollution d’une solution multimétallique dans des conditions de pollution ré