Cette recherche visait à aborder l’effet des caractéristiques des eaux usées (c’est-à-dire les Co-contaminants, métaux lourds et pH) sur la réduction biologique du Séléniate (SeO42-), et évaluer l'intégration des processus et des configurations pour le traitement des eaux usées chargé de sélénium et de Co-contaminants.La première partie de l’étude portait sur l’effet des accepteurs de Co-électrons et le faible pH sur la bioremédiation du SeO42-, les études expérimentales a montré que le rapport molaire NO3- et SO42- à SeO42- a un facteur de contrôle en augmentant ou en diminuant l'efficacité de l'élimination du sélénium (Se). De plus, l'étude sur les interactions biofilm-Se a révélé la présence de NO3 ou de SO42- influence la spéciation Se, les niveaux de Se (Se0) biogénique et l'activité de la biomasse. Le fonctionnement du réacteur UASB (upflow anaerobic sludge blanket) avec une diminution progressive du pH influent de 7,0 à 5,5 a montré une performance d'élimination stable de NO3-, SO42 et SeO42- ,avant une diminution de 20% de l'élimination de tous ces composants à pH 5,0 En plus, le fonctionnement à long terme du réacteur UASB à pH 5.0 a l'enrichissement des familles Geobacteraceae et Spirochaetaceae, qui n'ont pas été détectés à pH> 5,0.La deuxième partie de l'étude a exploré l'efficacité de différentes techniques d'élimination pour le traitement de SeO42- avec des Co-contaminants. La comparaison des performances d’élimination SeO42- en présence de SO4-2 dans un filtre biotrickling (BTF) et un réacteur UASB a révélé que SO42- a largement influencé la croissance du biofilm attaché et l'élimination de SeO42-a augmentée de> 200%. D'autre part, l'élimination de SeO42- était similaire dans le réacteur UASB indépendamment de la présence ou de l'absence de SO42-. La caractérisation de la biomasse a révélé la formation de Se0 sphérique et de sulfure de poly-sélénium dans la biomasse des deux bioréacteurs. L'addition de Ni dans les deux bioréacteurs a entraîné une diminution des performances de suppression de SO42- et SeO42- de ~ 20-30%. L'élimination du Ni était> 80% dans les deux bioréacteurs. Ni a été éliminé par précipitation sous la forme de sulfure de nickel. L’évaluation du flux de processus pour l'élimination de SeO42- et SO42- a été effectuée en couplant la colonne d'échange d'ions (IX) et le bioréacteur UASB en utilisant soit un prétraitement (IX  UASB), soit un post-traitement (UASB  IX) pour le bioréacteur. Le schéma du processus de prétraitement a montré une meilleure efficacité d'élimination globale de 99% de SO42- et 94% de S totale atteignant <100 mg L-1 de SO42-, <0,3 mg L-1 de Se total et <0,02 mg L-1 de Se dissous dans l'effluent pendant 42 jours de fonctionnement continu / This research aimed at addressing the effect of wastewater characteristics (i.e. co-contaminants, heavy metals and pH) on the biological reduction of selenate (SeO42-) and evaluating process integration and configurations for selenium-laden wastewater treatment with co-contaminants. The first part of the study focused on the effect of co-electron acceptors and low pH on the bioremediation of SeO42-. Experiments showed that the molar ratio of NO3- and SO42- to SeO42- has a controlling factor in either increasing or decreasing the selenium (Se) removal efficiency. Additionally, study on biofilm-Se interactions revealed the presence of either NO3- or SO42- influences the Se speciation, biogenic Se (Se0) levels and biomass activity. Upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor operation with a gradual decrease in the influent pH from 7.0 to 5.5 showed a stable removal performance of NO3-, SO42- and SeO42-, before a 20% decrease in removal of all these components was observed at pH 5.0. Furthermore, long-term operation of the UASB reactor at pH 5.0 showed the enrichment of Geobacteraceae and Spirochaetaceae families, which were not detected at pH > 5.0.The second part of the study explored the effectiveness of different removal techniques for the treatment of SeO42- with co-contaminants. Comparing the SeO42- removal performance in the presence of SO42- in a biotrickling filter (BTF) and UASB reactor revealed that SO42- largely influenced the attached biofilm growth and increased SeO42- removal by > 200%. On the other hand, SeO42- removal was similar in the UASB reactor irrespective of the presence or absence of SO42-. Biomass characterization revealed the formation of spherical Se0 and poly-selenium sulfide in the biomass of both bioreactors. Addition of Ni in both bioreactors led to a decrease in SO42- and SeO42- removal performance by ~20-30%. Ni removal was > 80% in both bioreactors. Ni was removed via nickel sulfide precipitation. Evaluation of integrated process system for SeO42- and SO42- removal was conducted by coupling an ion exchange column (IX) and UASB bioreactor, using IX as either a pre-treatment (IX  UASB) or post-treatment (UASB  IX) unit for the bioreactor. The pre-treatment process scheme showed a better overall removal efficiency of 99% SO42- and 94% total Se reaching < 100 mg L-1 SO42-, < 0.3 mg Se L-1 total Se and < 0.02 mg Se L-1 dissolved Se in the effluent over 42 days of continuous operation

Résumé : Malgré le nombre croissant de capteurs dans les domaines de la chimie et la biologie, il reste encore à étudier en profondeur la complexité des interactions entre les différentes molécules présentes lors d’une détection à l’interface solide-liquide. Dans ce cadre, il est de tout intérêt de croiser différentes méthodes de détection afin d’obtenir des informations complémentaires. Le principal objectif de cette étude est de dimensionner, fabriquer et caractériser un détecteur optique intégré sur verre basé sur la résonance plasmonique de surface, destiné à terme à être combiné avec d’autres techniques de détection, dont un microcalorimètre. La résonance plasmonique de surface est une technique reconnue pour sa sensibilité adaptée à la détection de surface, qui a l’avantage d’être sans marquage et permet de fournir un suivi en temps réel de la cinétique d’une réaction. L’avantage principal de ce capteur est qu’il a été dimensionné pour une large gamme d’indice de réfraction de l’analyte, allant de 1,33 à 1,48. Ces valeurs correspondent à la plupart des entités biologiques associées à leurs couches d’accroche dont les matrices de polymères, présentés dans ce travail. Étant donné que beaucoup d’études biologiques nécessitent la comparaison de la mesure à une référence ou à une autre mesure, le second objectif du projet est d’étudier le potentiel du système SPR intégré sur verre pour la détection multi-analyte. Les trois premiers chapitres se concentrent sur l’objectif principal du projet. Le dimensionnement du dispositif est ainsi présenté, basé sur deux modélisations différentes, associées à plusieurs outils de calcul analytique et numérique. La première modélisation, basée sur l’approximation des interactions faibles, permet d’obtenir la plupart des informations nécessaires au dimensionnement du dispositif. La seconde modélisation, sans approximation, permet de valider le premier modèle approché et de compléter et affiner le dimensionnement. Le procédé de fabrication de la puce optique sur verre est ensuite décrit, ainsi que les instruments et protocoles de caractérisation. Un dispositif est obtenu présentant des sensibilités volumiques entre 1000 nm/RIU et 6000 nm/RIU suivant l’indice de réfraction de l’analyte. L’intégration 3D du guide grâce à son enterrage sélectif dans le verre confère au dispositif une grande compacité, le rendant adapté à la cointégration avec un microcalorimètre en particulier. Le dernier chapitre de la thèse présente l’étude de plusieurs techniques de multiplexage spectral adaptées à un système SPR intégré, exploitant en particulier la technologie sur verre. L’objectif est de fournir au moins deux détections simultanées. Dans ce cadre, plusieurs solutions sont proposées et les dispositifs associés sont dimensionnés, fabriqués et testés. / Abstract : In spite of the growing number of available biosensors, many biochemical reactions and biological components have not yet been studied in detail. Among them, some require the combination of several detection techniques in order to retrieve enough information to characterize them fully. An unknown reaction based, for example, on DNA hybridization could be characterized with an electrochemical sensor, a mechanical sensor and an optical sensor, each giving a different type of information. The main objective of the work presented here is to design, fabricate and characterize a flexible integrated optical biosensor based on surface plasmon resonance, intended to be then combined with other detection techniques, and in particular, a microcalorimeter. Surface Plasmon Resonance (SPR) is well known to be a sensitive technique for surface-based biochemical detection. It has the advantage to be an unlabeled method and provides real time information on the kinetics of a reaction. The flexibility of the proposed SPR biosensor comes from the fact that it is designed for a large range of analyte refractive indices, from 1.33 to 1.48. These values are suitable for most biological entities and their ligand layers, and especially for hydrophilic polymer matrices used to trap DNA or protein entities and introduced in this work. As several biochemical studies require the simultaneous comparison of measurements to a reference or to another measurement, the second objective of this project is to study the potential of multi-analyte detection in an integrated SPR device on glass. The first three chapters of the thesis are focused on the main objective. The design based on two different models is presented, at the same time as the related simulation tools. The first model is based on the weak coupling approximation and permits to obtain most of the information for the device’s design. The second model, having no approximation, is used to validate the first model and complete and refine the design. The fabrication process of the glass chip is then introduced, as well as the characterization instruments and protocols. A device is obtained, with a volumetric sensitivity between 1000 nm/RIU and 6000 nm/RIU depending on the analyte refractive index. The 3D integration of the waveguide within the glass substrate makes the device extremely compact and adapted to the integration with the microcalorimeter in particular. The last chapter describes the study of several spectral multiplexing techniques adapted to an integrated SPR system using the glass technology. The goal is to provide at least two simultaneous measurements. Several detection techniques are examined and the related devices are designed, fabricated and characterized.

La recherche vise à proposer des membranes pour des dispositifs électrochimiques capables d'atteindre le bon compromis en terme de conduction ionique, de stabilité et de longue durée de vie pour une haute efficacité.Nous avons réalisé des membranes échangeuses des protons, d'anions ou amphotères à base de polymères aromatiques stables fonctionnalisés. Des groupes sulfonique on été introduit sur la squelette du PEEK, des groupes d'ammonium sur le PEEK et le PSU ou le deux au même temps pour échanger ensemble des protons et des anions.L'optimisation continue des paramètres de synthèse, le choix des différents polymères et/ou des groupes de fonctionnalisation et l'amélioration des procédures et des traitements des membranes coulée, a conduit à de bons résultats en termes de conductivité ionique, sélectivité et stabilité.L'étude des principaux paramètres des membranes démontre une stabilité thermique entre 140 et 200 ° C selon la membrane sélectionnée, un comportement mécanique caractérisé par une résistance à la traction et un module d'élasticité élevée et un relativement faible ductilité, influencé par le niveau d’ hydratation de la membrane ou l éventuelle présence de cross-link. En optimisant le degré de fonctionnalisation et les types de groupes de fonctionnalisation, nous avons obtenu une accordable absorption d'eau, une conductivité ionique élevé pour différent ions (jusqu'à ≃ 3 mS / cm pour le polymère conducteurs des anions) et une perméabilité aux ions vanadium très faible (applications dans RFB) jusqu'à ≃ 10-10 cm2/min, ce qui est bien au-dessous des données typiques de la littérature et un paramètre très important pour applications technologiques. / The research aims to propose membranes for electrochemical devices alternative to the commercial ones able to reach the right compromise in term of good ionic conduction, stability and long life time for an high efficiency. We realized proton exchange, anion exchange and amphoteric membranes based on stable functionalized aromatic polymers (PEEK, PSU). We thus introduced sulfonic groups on a PEEK backbone to exchange protons or ammonium groups on PEEK and PSU to exchange anions. We also realized amphoteric membranes able to exchange at the same time both kinds of ions. The continuous optimization of synthesis parameters, the choice of different polymers and/or functionalization groups and the improvement of casting procedures and treatments of membranes, led to good results in terms of ionic conductivity, selectivity and stability.The study of the main parameters of the synthesized membranes demonstrates a thermal stability between 140 and 200°C depending on the selected membrane, a mechanical behavior characterized by a high elastic modulus and tensile strength and a relatively low ductility strongly influenced on the degree of hydration of the membrane as well as the eventual presence of cross-linking. Working on the degree of functionalization and the type of functionalizing groups, we obtained a tunable water uptake, an elevated ionic conductivity for different ions (up to ≃ 3 mS/cm for anionic conducting polymers) and a very low ion permeability (vanadium ions for RFB applications) down to ≃ 10-10 cm2/min, which is much below typical literature data for cation- and anion separation membranes and a challenge parameters for technological applications.

Malgré le nombre croissant de capteurs dans les domaines de la chimie et la biologie, de nombreuses réactions n’ont pas encore été correctement identifiées et étudiées. C’est entre autres le cas des interactions intermoléculaires à l’interface liquide/solide trouvées dans les chimies de surface utilisées pour les méthodes de diagnostics médicaux et l’identification de divers processus biologiques. Afin de correctement comprendre les mécanismes en jeux, il est important de pouvoir croiser différentes méthodes de détection pour obtenir des informations complémentaires.MuLe principal objectif de cette étude est de dimensionner, fabriquer et caractériser un détecteur optique intégré sur verre basé sur la résonance plasmonique de surface, destiné à terme à être combiné avec d’autres techniques de détection. La résonance plasmonique de surface est une technique reconnue pour sa sensibilité adaptée à la détection de surface, qui a l’avantage d’être sans marquage et permet de fournir un suivi en temps réel de la cinétique d’une réaction. L’avantage principal de ce capteur est qu’il a été dimensionné pour une large gamme d’indice de réfraction de l’analyte, allant de 1,33 à 1,48. Ces valeurs correspondent à la plupart des entités biologiques associées à leurs couches d’accroche, particulièrement les matrices de polymères. Ces matrices sont de plus en plus utilisées non seulement pour leur capacité à augmenter la densité d’analytes présents à la surface du capteur, mais aussi pour leurs propriétés favorisant l’adsorption spécifique et leur utilisation comme élément actif de reconnaissance biologique.Étant donné que beaucoup d’études biologiques nécessitent la comparaison de la mesure à une référence ou à une autre mesure, le second objectif du projet est d’étudier le potentiel du système SPR intégré sur verre pour la détection multianalyte.MuLes trois premiers chapitres se concentrent sur l’objectif principal du projet. Le dimensionnement du dispositif suivant un cahier des charges préétabli est présenté, ainsi que les outils de simulation. Le procédé de fabrication de la puce optique sur verre est ensuite décrit, ainsi que les instruments et protocoles de caractérisation. Une comparaison est faite entre les simulations et les résultats expérimentaux, et les performances des outils numériques ainsi que celles du dispositif sont évaluées.Le dernier chapitre de la thèse présente l’étude de plusieurs techniques de multiplexage spectral adaptées à un système SPR intégré, exploitant en particulier la technologie sur verre. L’objectif est de fournir au moins deux détections simultanées. Dans ce cadre, plusieurs solutions sont proposées et les dispositifs associés sont dimensionnés, fabriqués et testés. / In spite of the growing number of available biosensors, many biochemical reactions and biological components have not yet been studied in detail. Among them, some require the combination of several detection techniques in order to retrieve enough information to characterize them fully. An unknown reaction based, for example, on DNA hybridization could be characterized with an electrochemical sensor, a mechanical sensor and an optical sensor, each giving a different type of information.MuThe main objective of the work presented here is to design, fabricate and characterize a flexible integrated optical biosensor based on surface plasmon resonance, intended to be then combined with other detection techniques. Surface Plasmon Resonance (SPR) is well known to be a sensitive technique for surface-based biochemical detection. It has the advantage to be an unlabeled method and provides real time information on the kinetics of a reaction. The use of an integrated technology enables us to integrate several sensors on the same chip for the same sample, making them compact and low-cost. The flexibility of the proposed SPR biosensor comes from the fact that it is designed for a large range of analyte refractive indices, from 1.33 to 1.48 in the 600 nm-1000 nm wavelength range. These values are suitable for most biological entities and their ligand layers, and especially for hydrophilic polymer matrices used to trap DNA or protein entities. These biochemical matrices are used more and more for their ability to trap high densities of analyte, provide a strong binding and serve as an active detection medium with good anti-fouling properties.MuAs several biochemical studies require the simultaneous comparison of measurements to a reference or to another measurement, the second objective of this project is to study the potential of multianalyte detection in an integrated SPR device on glass.The first three chapters of the thesis are focused on the main objective. The design according to predefined specifications is presented, at the same time as the simulation tools. The fabrication process of the glass chip is introduced, as well as the characterization instruments and protocols. Simulation and experimental results are then compared, and the device performance is assessed.The last chapter describes the study of several spectral multiplexing techniques adapted to an integrated SPR system using the glass technology. The goal is to provide at least two simultaneous measurements. Several detection techniques are examined and the related devices are designed, fabricated and characterized.