Thèse Biohydrogels et Composites pour la Remédiation des Métaux Toxiques dans le Cadre de l'Économie Circulaire H/F - 75

Établissement : Université Paris Cité
École doctorale : Physique en Ile de France
Laboratoire de recherche : Matière et Systèmes Complexes
Direction de la thèse : Alain PONTON ORCID 0000000347432161
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-12-21T23:59:59

La contamination des milieux aquatiques par les métaux toxiques (cadmium, mercure, plomb, nickel, chrome, cuivre, zinc) représente un enjeu environnemental et sanitaire majeur en Europe, notamment en France où les normes strictes imposent aux industries de traiter leurs effluents. Les méthodes conventionnelles de dépollution, comme la précipitation, l'extraction liquide/liquide ou l'adsorption sur charbon actif, présentent des limites (coûts élevés, faible sélectivité, inefficacité à basse concentration, production de résidus toxiques). Dans ce contexte, les biohydrogels à base de biopolymères émergent comme une alternative prometteuse, grâce à leur biodégradabilité, leur sélectivité et leur capacité à adsorber efficacement les métaux lourds par des groupes fonctionnels et une structure poreuse hydrophile. Cependant, leur application est limitée par une faible résistance mécanique, particulièrement pour les polymères naturels.
Ce projet propose une approche innovante pour surmonter ces défis, en combinant science des matériaux, chimie des polymères et analyse avancée des données. L'originalité réside dans la conception de biohydrogels renforcés par des réseaux polymères semi-interpénétrés ou réticulés, intégrant des charges fonctionnelles (oxyde de graphène, particules magnétiques, silice) pour optimiser à la fois les propriétés mécaniques et l'efficacité d'adsorption. Trois objectifs principaux structurent la recherche :
1.Conception et caractérisation de biohydrogels avancés : sélection et fonctionnalisation de biopolymères (chitosan, alginate, etc.) en fonction de leur affinité avec les métaux cibles, suivie d'une optimisation de leur réticulation et d'un renforcement par des charges ou des polymères compatibles. Les matériaux seront caractérisés par des techniques de pointe (FTIR, XPS, MEB, MET).
2.Évaluation des performances d'adsorption : tests en milieu contrôlé pour étudier l'influence du pH, de la température et des ions compétitifs, ainsi que l'analyse de l'homogénéité de l'adsorption via des techniques comme la spectrométrie d'émission atomique de plasma induit par laser (LIBS) en collaboration avec l'Université de la Corogne. L'étude portera également sur des effluents complexes, reflétant les conditions industrielles.
3.Corrélation entre structure et propriétés : analyse des propriétés rhéologiques, morphologiques (traitement d'image par IA, réseaux de neurones UNET) et structurales (SAXS) pour établir des modèles prédictifs reliant la microstructure des hydrogels à leur capacité d'adsorption.
L'originalité du projet repose sur une approche pluridisciplinaire, combinant élaboration de matériaux, caractérisation avancée et modélisation par intelligence artificielle. L'utilisation de réseaux de neurones pour l'analyse d'images MEB et la collaboration internationale pour des analyses LIBS innovantes permettent d'envisager une compréhension fine des mécanismes d'adsorption et une optimisation ciblée des matériaux. Enfin, ce projet s'inscrit dans une démarche d'économie circulaire, en proposant des solutions durables et valorisables pour la dépollution des eaux.

La contamination des milieux aquatiques par les métaux toxiques, tels que le cadmium (Cd), le mercure (Hg), le plomb (Pb), le nickel (Ni), le chrome (Cr), le cuivre (Cu) ou le zinc (Zn), constitue un enjeu environnemental et sanitaire majeur en Europe. En France, les normes strictes imposées par le Code de l'environnement et la Directive européenne sur l'eau obligent les industries à surveiller et traiter leurs effluents. Les secteurs concernés sont variés : métallurgie, chimie, textile, papeterie, mais aussi les eaux pluviales urbaines, qui accumulent des résidus atmosphériques déposés sur les infrastructures. Les méthodes conventionnelles de dépollution, comme la précipitation et décantation, l'extraction liquide/liquide ou l'adsorption sur charbon actif, présentent des limites significatives : coûts élevés, faible sélectivité, inefficacité pour les faibles concentrations, et production de résidus toxiques (Carolin et al. 2023).
Dans ce contexte, les bioadsorbants, et plus particulièrement les biohydrogels à base de biopolymères, offrent une alternative prometteuse. Ces matériaux, biodégradables, sélectifs et durables, se distinguent par leur capacité à adsorber de façon efficace les métaux lourds grâce à leurs groupes fonctionnels modulables et leur structure poreuse hydrophile [Abbas et al., 2014 ; Khan et al., 2016]. Un exemple est donné sur la Figure 1.
Cependant, leur application est limitée par leur faible résistance mécanique, notamment pour les polymères naturels (Bao et al. 2019). Pour surmonter ces défis, ce projet propose d'explorer des stratégies innovantes :
- L'élaboration de réseaux polymères semi-interpénétrés ou réticulés, combinant plusieurs biopolymères pour optimiser les propriétés mécaniques et d'adsorption [Carpa et al., 2023].
- L'intégration de charges fonctionnelles (oxyde de graphène, particules magnétiques, silice) pour renforcer la structure des hydrogels et améliorer leur capacité d'adsorption.
Si l'adsorption efficace par l'utilisation d'hydrogels polymères et de composites représente une piste très intéressante parmi les méthodes de dépollution, elle pose encore de nombreuses questions pour mieux comprendre comment relier l'élaboration optimisée des adsorbants, leur propriétés structurales et mécaniques et leur capacité d'adsorption. La détection de l'adsorption de polluants simples et de mélanges ainsi que la question de l'homogénéité de l'adsorption sont aussi des défis scientifiques actuels.

Trois objectifs principaux (OP) structurent cette recherche :
OP1. Conception et caractérisation de biohydrogels avancés
L'élaboration de matériaux performants repose sur une approche systématique :
- Sélection et fonctionnalisation des biopolymères : les polymères naturels seront choisis en fonction de leurs affinités chimiques avec les métaux cibles (Cd, Cr, Ni, Pb, Zn, Li). Leur réticulation sera optimisée pour obtenir des hydrogels stables et réactifs.
- Renforcement des hydrogels : l'introduction de plusieurs polymères compatibles pour élaborer des réseaux semi-interpénétrés ou l'ajout de charges, comme l'oxyde de graphène, permettra d'améliorer les propriétés mécaniques et d'adsorption. Ces composites hybrides seront caractérisés par des techniques avancées, telles que la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et la spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X (XPS), afin d'identifier les mécanismes d'interaction avec les ions métalliques [Raji et al., 2023].
OP2. Évaluation des performances d'adsorption
L'efficacité des biohydrogels sera testée dans des conditions réalistes :
- Tests d'adsorption en milieu contrôlé : les hydrogels et composites seront immergés dans des solutions contenant des métaux à différentes concentrations, afin d'étudier l'influence du pH, de la température et des ions compétitifs.
- Analyse de l'homogénéité de l'adsorption : la spectroscopie d'émission atomique par plasma induit par laser (LIBS) et la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) permettront de quantifier l'adsorption et d'évaluer la sélectivité des matériaux. Ces analyses seront réalisées en collaboration avec l'Université de la Corogne (Espagne), partenaire reconnu pour son expertise en LIBS.
- Étude des mélanges de métaux : les matériaux seront testés sur des effluents complexes, afin de valider leur efficacité dans des conditions proches des applications industrielles.
OP3. Corrélation entre structure et propriétés
Pour établir un lien clair entre la microstructure des hydrogels et leurs performances, une approche pluridisciplinaire sera adoptée :
- Caractérisation mécanique : les propriétés rhéologiques et la résistance à la compression des hydrogels seront étudiées pour garantir leur stabilité en conditions réelles.
- Analyse morphologique : la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie électronique à transmission (MET) permettront de visualiser la structure poreuse des matériaux. Ces images seront analysées à l'aide de méthodes avancées de traitement d'image, incluant des réseaux de neurones à convolution (UNET) et des algorithmes de classification, pour quantifier la porosité et son impact sur l'adsorption.
- Étude de la diffusion : la diffusion de rayonnement aux petits angles (SAXS) sera utilisée pour analyser la structure des réseaux polymères et établir des modèles prédictifs reliant la microstructure à la capacité d'adsorption.

Ce projet repose sur une méthodologie rigoureuse, combinant des techniques expérimentales de pointe et des outils d'analyse numérique.