Optimisation desp rocédés de synthèse de nanoparticules d’argent

CADRES, MATERIEL ET METHODES

CADRES, MATERIEL ET METHODES

CADRES

Cadre institutionnel

Notre formation, d’Ingénieur de Conception (120 crédits) d’une durée de 5 ans, a eu lieu à l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC) qui a été créée le 16 décembre 2002. C’est un établissement d’enseignement technique et professionnel, de l’Université d’Abomey-Calavi (UAC), qui comprend des formations conduisant au Diplôme de Licence Professionnelle, d’Ingénieur de Conception et de Master dans les secteurs industriel et biologique.

Le secteur industriel comprend cinq (5) départements :

1. le département de Génie Chimique – Procédés (GC-P) où nous avons suivi notre formation,
2. le département de Génie Informatique et Télécommunication (GIT),
3. le département de Génie Electrique (GE),
4. le département de Génie Civil (GC),

le département de Génie Mécanique et Energétique (GME). Le secteur biologique comprend six (6) départements :

1. le département de Génie de Biologie Humaine (GBH),
2. le département de Génie de l’Imagerie Médicale et de Radiologie (GIMR),
3. le département de Génie de l’Environnement (GEn),
4. le département de Génie des Technologies Alimentaires (GTA),
5. le département de Production et Santé Animale (PSA),
6. le département de Maintenance Bio Hospitalière (MBH).

Cadre du stage et technique

Notre stage de fin de formation, d’une période vingt-quatre (24) semaines, s’est déroulé du 18 avril au 07 octobre 2022. L’ensemble des travaux réalisés dans le cadre de ce mémoire a eu lieu au Laboratoire d’Etude et de Recherche en Chimie Appliquée (LERCA) et au Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau et de l’Environnement (LSTEE).

Description du LERCA

Le LERCA est un laboratoire de recherche et d’enseignement composé d’enseignants- chercheurs permanents dont des professeurs titulaires (CAMES), Maîtres de conférences (CAMES), Maîtres-assistants (CAMES) et assistants. Il accueille en moyenne par an une

douzaine de doctorants et ses chercheurs assurent également la direction de thèse des doctorants extérieurs. Il participe activement à l’enseignement à l’EPAC, dans certaines entités de l’UAC, en formation initiale, continue ou en troisième cycle. Sa devise est : Enseigner, Chercher et Innover.

Le LERCA réunit des chimistes, physiciens, mathématiciens et des biologistes, modélisateurs ou expérimentateurs autour des sciences de la nature. Le champ de compétences de base du laboratoire est la chimie, avec pour objectif général la compréhension et/ou la modélisation des phénomènes se produisant dans ce secteur de la science. Les activités au LERCA sont conduites dans quatre unités de recherche constituant le laboratoire.

Organisation du LERCA

La figure 10 ci-contre décrit l’organigramme du LERCA et les quatre (4) unités de recherche correspondant aux thématiques actuelles du laboratoire.

Figure 10 : Organigramme du LERCA

MATERIEL

Equipements et produits

Les équipements qui ont été utilisés lors de nos travaux au laboratoire sont entre autres :

balance de précision (OHAUS),

agitateur magnétique (Fisher Bioblock Scientific MR 3001),

compresseur frigorifique,

étuve (STABILI THERM Thermo ELECTRON CORPORATION),

spectrophotomètre UV-visible à balayage (UV-3100PC VWR),

spectrophotomètre UV-visible (WPA S800),

agitateur orbital (VWR Advanced 3500),

pH-mètre (HANNA instruments),

centrifugeuse,

lampes UV.

Les réactifs et produits utilisés au cours des expérimentations sont les suivants :

nitrate d’argent (AgNO3),

hydroxyde de sodium (NaOH),

acide sulfurique (H2SO4),

bleu de méthylène (BM).

D’autres matériels et dispositifs de laboratoire ont également conduits à la réalisation de ce travail. Il s’agit des :

systèmes de filtration complet en Pyrex Merck Millipore,

différentes verreries,

papiers Whatman de grade 1,

creusets en céramique,

mortiers.

Matériel végétal

Le matériel végétal de notre travail est constitué entièrement des feuilles d’Azadirachta Indica (Neems). Ces dernières ont été collectées le 13 juin 2022 dans l’allée des Neems de l’UAC.

METHODES

Les travaux de cette étude ont été réalisés en suivant différentes méthodes et en s’appuyant sur le logiciel Origin Pro 2022 pour le traitement et l’analyse des données scientifiques.

Prétraitements du matériel végétal

Les feuilles fraîches récoltées (figure 11) sont d’abord séchées (figure 12) pendant trois (3) semaines à l’ombre et à température ambiante moyenne de 30 °C. Les feuilles sèches sont ensuite broyées à l’aide d’un mixeur avant d’être tamisées (figure 13).

Figure 11 : Feuilles de Neems fraîchesFigure 12 : Feuilles de Neems séchées

Figure 13 : Feuilles de Neems broyées et tamisées

Préparation de l’extrait aqueux

Afin d’exploiter au mieux les feuilles prétraitées, ces dernières sont utilisées pour préparer une solution aqueuse. Pour ce faire, 30 g du produit obtenu sont ajoutés à 300 mL d’eau distillée puis le mélange est mis sous agitation pendant 25 minutes à 60 °C. La solution finale est ensuite filtrée [80].

Synthèse des nanoparticules d’argent

Détermination des concentrations optimales de nitrate d’argent et d’extraits aqueux La concentration de AgNO3 et la quantité d’extrait aqueux sont des paramètres importants dans la synthèse car ces dernières peuvent influencer grandement le rendement et la stabilité des nAg obtenues. Nous avons effectué différentes combinaisons de ces deux paramètres en utilisant 12 tubes à essai différents contenant chacun 15 ml de solutions préparées par dissolution de différentes masses de AgNO3 dans de l’eau distillée.

Tableau 5 : Récapitulatifs des combinaisons pour la préparation des nanoparticules d’argent

Les 12 tubes à essai ont été agités pendant 1 minute à la main et ensuite conservés dans une armoire à l’abri de la lumière. La première étape de la formation des nAg est le changement de la coloration de la solution qui peut s’accentuer jusqu’au marron foncé [81]. Un balayage spectrophotométrique est ensuite effectué après 3 heures, temps au bout duquel nous constatons un changement important de la couleur de la solution. L’optimal est ensuite déduit à partir de la courbe ayant donné une absorbance plus importante pour les nAg et correspondant à des paramètres empêchant une combinaison des nAg.

Influence du temps de synthèse

Pour la production en grande quantité des nAg, il est important d’avoir non seulement les bons paramètres mais aussi de suivre des étapes clés pouvant assurer la répétabilité de notre procédé. Pour cela, le protocole suivant a été respecté pour chaque préparation :

Préparer et mettre sous agitation 250 mL de AgNO3 à la concentration optimale déterminée.

Ajouter une quantité d’extrait aqueux à la solution en fonction de la quantité optimale déterminée.

Après 3 heures, stopper l’agitation et conserver le mélange à 105 °C jusqu’à évaporation des 2/5 du volume initial.

Filtrer sous vide la solution restante puis laver à l’eau distillée le rétentat obtenu.

Sécher le rétentat lavé à 105 °C pendant 20 minutes.

Broyer le produit sec obtenu et conserver la poudre obtenue dans des boites en plastique à l’abri de la lumière.

Ainsi ce protocole a été respecté pour l’étude de la cinétique de synthèse en faisant au cours de l’agitation, des prélèvements de 0,1 mL auxquels sont ajoutés à chaque fois 5 ml d’eau distillée avant une lecture au spectrophotomètre UV à 450 nm. Cette étude a duré 7

heures avec un total de 15 prélèvements aux intervalles de temps suivant : 5, 10, 20, 30, 45, 60, 80, 100, 130, 180, 240, 360 et 420 min.

La détermination du pouvoir dépolluant des nAg a guidé la suite de l’expérimentation.

Traitements d’eaux usées synthétiques

Préparation des solutions de bleu de méthylène (eaux usées synthétiques)

0,320 g de BM ont été dissouts dans 1 L d’eau distillée. Les différentes solutions ayant servi pour les essais d’adsorption ont été préparées par dilution de cette solution mère.

Courbe d’étalonnage du bleu de méthylène

Selon la loi de Beer-Lambert, il existe une relation de proportionnalité entre la concentration d’une solution et l’absorbance mesurée au spectrophotomètre. Ainsi, pour tracer la courbe d’étalonnage, on mesure l’absorbance à 665 nm de différentes solutions de concentrations connues et on trace la courbe Absorbance = f (C) puis on évalue la corrélation à la linéarité en déterminant l’équation de droite correspondante. Cette équation de droite permet de déterminer la concentration des échantillons à partir des absorbances mesurées [82].

Effet de la masse des nanoparticules d’argent

Les essais d’adsorption suivant la masse de nAg sont effectués en régime discontinu dans des béchers de 250 mL avec des solutions de BM de 50 mg.L^-1. 50 mL de BM sont placés, sur un agitateur orbital (165 rpm), pendant 24 heures avec différentes masses de nAg allant de 0 à 0,080 g. Les différents mélanges sont ensuite centrifugés à 3000 tr/min pendant 10 min et la concentration résiduelle en BM du surnageant est déterminée par spectrophotométrie [83]. Le taux d’abattement est déterminé par la formule :

%𝑨𝒅𝒔 = (𝑪𝟎−𝑪𝒓) × 𝟏𝟎𝟎 (7)

𝑪𝟎

Avec %Ads : le pourcentage d’adsorption des nAg, C0 : la concentration initiale de BM (mg/L), Cr : la concentration résiduelle de BM (mg/L).

Effet du pH

Des échantillons de nAg de masses toutes égales à 20 mg ont été mélangés avec 20 mL de solutions de BM à 20 mg.L^-1, dans des béchers de 250 mL. Le pH des solutions a été ajusté aux différentes valeurs suivantes : 2, 3, 4, 6, 7, 8 et 10 avec des solutions d’acide sulfurique (H2SO4) ou d’hydroxyde de sodium (NaOH) 1 N. Les mélanges ont été ensuite agités à 165 tr/min pendant 24 H à température constante puis centrifugés à 3000 tr/min

pendant 10 min. La concentration résiduelle en BM du surnageant est ensuite déterminée par spectrophotométrie afin de calculer la quantité de BM adsorbée à l’équilibre [84].

Détermination du pH de charge nulle

Le point de charge nulle (PZC) est une caractéristique importante pour les surfaces car il représente une estimation de son acido-basicité [85]. Par définition, dans le cas où aucune sorption spécifique ne se produit (pas de complexation de surface) le PZC correspond au pH du milieu pour lequel la charge protonique nette s’annule [86], [87]. Autrement dit, il correspond à la valeur de pH pour laquelle le bilan des protons adsorbés et désorbés est égal à zéro.

Pour déterminer le pH de charge nulle, on ajuste le pH de différentes solutions de nitrate de potassium (KNO3 à 0,01 M) de volumes 20 mL. Dans le cas de notre travail, nous avons varié le pH de 2 à 10 (2 ; 4 ; 6 ; 7 ; 8 et 10) avec des solutions d’acide sulfurique (H2SO4) ou d’hydroxyde de sodium (NaOH) 1 N. Une fois les pH stables, on ajoute 20 mg de nAg dans chaque solution. Les solutions sont ensuite maintenues sous agitation orbitale à 165 rpm pendant 24 H. Le pH final dans chaque solution après stabilisation est ensuite noté [88].

Le pH de charge nulle est obtenu au point d’intersection de la ligne pH initial = pH final et du tracé du pH final en fonction du pH initial.

Cinétique d’adsorption

La cinétique de traitement du BM est effectuée en batch dans un bécher de 600 mL avec des nAg sous lumière ambiante. Des volumes de 300 mL de BM à des concentrations allant de 10 à 150 mg.L^-1 ont été mélangés avec 0,300 g de nAg à température et pH constants. L’agitation des solutions est effectuée par un agitateur orbital à 165 rpm. Des prélèvements de 2 mL sont effectués par intervalles de temps définis pendant 4 heures (toutes les 10 minutes pendant 80 minutes, ensuite toutes les 30 minutes pendant 60 min et enfin deux derniers prélèvements après 180 et 240 minutes) pour un total de 12 échantillons. La concentration résiduelle à l’instant de chaque prélèvement est déterminée par spectrophotométrie [89].

La capacité d’adsorption des nanoparticules est déterminée par la formule :

𝑸_𝒕

= (𝑪𝟎−𝑪𝒆)×𝑽 (8)

𝒎𝒏

Avec Qt : la capacité d’adsorption des nanoparticules à t (mg.g^-1), C0 : la concentration initiale (mg.L^-1), V : le volume de la solution de BM (L), Ce : la concentration à l’équilibre (mg.L^-1), mn : la masse de nAg utilisée (mg).

La courbe Qt = f(t) est ensuite tracée afin de déterminer le temps et la quantité maximale de traitement.

Influence de la concentration initiale

L’impact de la concentration initiale en BM a été déterminé en utilisant différentes solutions de concentrations distinctes (10 mg.L^-1, 20 mg.L^-1, 50 mg.L^-1, 100 mg.L^-1 et 150 mg.L^-1). A 50 mL de ces solutions, sont ajoutés 50 mg de nAg. Les mélanges sont agités à 165 rpm pendant 4 heures à température et à pH constants. Des prélèvements sont ensuite effectués pour chaque solution afin de mesurer la concentration résiduelle en BM [90].

Influence de la lumière

L’étude de l’influence de la lumière est effectuée en batch dans des béchers de 250 mL placés à 5 cm d’un dispositif composé de quatre lampes UV (365 nm) de 6 watts (figure 14). Des volumes de 50 mL de BM à des concentrations allant de 50 à 150 mg.L^-1 ont été mélangés avec 0,050 g de nAg à température et pH constants. Trois différentes conditions de traitement ont été mises en place pour évaluer l’influence de la lumière UV :

Conditions A : BM + lumière UV

Conditions B : BM + nAg, sans lumière

Conditions C : BM + nAg + lumière UV

L’agitation des solutions est effectuée par un agitateur orbital à 165 rpm pendant 4 heures. L’irradiation par la lumière UV est lancée après 30 minutes d’agitation à l’obscurité afin d’avoir une adsorption avancée. La concentration résiduelle de chaque solution est ensuite déterminée par spectrophotométrie.

Le taux d’abattement est ensuite déterminé, à l’aide de l’équation (7) afin d’évaluer l’influence de la lumière UV dans le processus de traitement.

Figure 14 : Essai de traitement sous UV