LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 1

Les Nanoparticules et l’Eau :les recherches menées dans un laboratoire

toulousainPascal Guiraud

pascal.guiraud@insa-toulouse.fr

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 2

Laboratoire d’Ingénierie des SystèmesBiologiques et des Procédés

DIRECTION: N D Lindley / P Monsan / P Guiraud

UMR CNRS/INSA N°5504Institut Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes Institut Sciences BiologiquesInstitut Ecologie et Environnement

UMR INRA/INSA N° 792Microbiologie et Chaîne AlimentaireCaractérisation et Elaboration des Produits Issus de l’Agriculture

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 3

Fermentation and Bioprocess Engineering

Transfer, Interfaces, Mixing

Enzyme Catalysis and Molecular Engineering

Microbial Physiology and Metabolism

Separation, Oxydation and Hybrid Processes

240 persons structured in 5 interactive research groups

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 4

Fermentation and Bioprocess Engineering

Transfer, Interfaces, Mixing

Enzyme Catalysis and Molecular Engineering

Microbial Physiology and Metabolism

Separation, Oxydation and Hybrid Processes

Environ 50 personnes sur l’eau

Activités liées à l’eau

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 5

Yanping LiuMallorie TourbinFanny SpringerSébastien Lachaize

LPCNOLouis LopezChristophe Ellero+Zhujun Huang+Dominique Legendre

IMFT

Une partie de l’équipe – un grand merci à eux

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 6

Nanoparticules SiO2

Nanoparticules SiO2

agglomerées

Nanoparticulerecouverte de tensio-actifs

Nanoparticules?

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 7

Pourquoi s’intéresser aux NPs?

Elimination des NPs :

un défi important dans un proche

avenir

eaux usées industrielles

ressources hydriques

� développement rapide des nanotechnologies

� peu préoccupé par le traitement des pollutions

nanoparticules

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 8

Coagulation

OzonationChloration

UV

Décantation

FiltrationDégrillage

Coagulation

OzonationChloration

UV

Décantation

FiltrationDégrillage

Sommes nous certains que les procédés classiques retiennent les NPs?

NPs et production d’eau potable ?

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 9

Treatedwater

Sludge treatmentSludge treatment

Pre-Pre-treatmentstreatments

Riv

er

Excess sludge extraction Excess sludge extraction

Wastewater treatmentWastewater treatment

Sludgedisposal

BiodegradationBiodegradation ClarificationClarification

RecyclingRecycling

Wastewater

Même question, principalement pour les rejets industriels à l’heure actuelle

NPs et traitement d’effluents ?

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 10

Comment commencer une étude ?

Question 1: quelles particules ? (nano-SiO 2)

produits en grandes quantités (10 2-103 ton/an) +produits commerciaux disponibles (Klebosol ® 30R50 et 30R25 )

Question 2: quel procédé ? (flottation, coagulation , membranes)

Ex. des effluents de polissage chimique et mécaniqu e (CMP) par flottation à air dissous (FAD) (Lien and Liu, 2006).

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 11

Microscopie électronique à transmission (MET)

Caractérisation (taille - MET)

30R25d ≈ 37 nm

30R50 d1 ≈ 90 nm, d 2 ≈ 45 nm

200 nm 100 nm

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 12

0.1

1

10

100

1000

0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1

Volume concentration (%)

Tu

rbid

ity (

NT

U))

30R50

0.1

1

10

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100

Volume concentration (%)

Tur

bid

ity (

NT

U)°

30R25

Evolution expérimentale de la turbidité avec la con centration en nanoparticules

Caractérisation (turbidité)

30R50 30R25

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 13

Air comprimé

Réservoir sous

pression

P=0-2,5 bars

5 Litres

Cellule de filtration

perméat

Filtration par membrane

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 14

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

11.1

0 20 40 60 80 100

Deposited mass / Membrane surface (g.m -2)

Lp/L

p0

2 bar, 10 kDa

2.0 bar, 100 kDa

TURBIDITE INITIALE NTU: [76-80]

0 – 1h

NTU=1.4

R=98.1%

1h – 2h

NTU=0.3

R=99.6%

2h – 3h

NTU=0.1

R=99.9%0 – 1h

NTU=2.2

R=97.1%

1h – 2h

NTU=0.3

R=99.6%

Filtration par membrane : résultat

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 15

25 mL

tempst = 0

AlCl 3 ou CTABagrégation + sédimentation

Séparation par agrégation puis sédimentation

> 99% de la turbidité éliminée par agrégation + séd imentation

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 17

Séparation par flottation

LISBP • Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés • Page 18

Comment financer ces recherches?

Au débutINSA projet inter-laboratoire LISBP-LPCNO 20 k€Université de Toulouse projet LISBP-LPCNO-IMFT 20 k€

Pour démarrer réellementRégion Midi-Pyrénées 20 k€CNRS Projet Exploratoire Pluridisciplinaire 40 k€CNRS 2ans de salaire pour un chercheur ~70k€

Pour travailler3 ans de bourse du China Scholarship Council 40 k€2 ans de postdoc ANR 70 k€Projet ANR Nanosep 100k€