L’utilisation de nanoparticules (NPs) dans divers domaines industriels est de plus en plus fréquente ce qui génère leur propagation dans l’environnement. Selon leur persistance, mobilité, bioaccumulation et toxicité, des risques inconnus pour la santé et pour des écosystèmes peuvent en résulter. En effet, la caractérisation et la quantification sont des défis analytiques très complexes en raison de la nature dynamique (petite taille, grande réactivité et instabilité) des nanomatériaux. L'objectif de cette étude est donc de caractériser par ultracentrifugation analytique (AUC) des nanoparticules polymériques (Allosperse® dites allosphères) qui sont destinées à des fins agricoles. Pour y parvenir, différentes NPs métalliques (argent, quantum dot), oxydes métalliques (dioxyde de titane, oxyde de zinc) et NPs de polystyrène ont d’abord été mesurés par AUC à l’aide des différents systèmes de détection (absorbance, fluorescence et interférence). Dans le cas des allosphères, un grand nombre d'essais préliminaires ont été réalisés afin d'optimiser la vitesse d'ultracentrifugation, le temps d'ultracentrifugation, le nombre de numérisations et la concentration de l'échantillon. Un protocole optimisé a été utilisé pour la détermination du diamètre hydrodynamique (dh) des NPs. Les différentes analyses qui ont été réalisées dans cette étude révèlent que l’AUC permet de déterminer la taille de très petites NPs. Par ailleurs, une étude du comportement de ces allosphères pour des pH entre 4-8, des forces ioniques de 0 à 500 mM, en présence ou absence de matière organique naturelle a été entreprise. Les travaux ont montré que le dH était d’environ 7,0 nm avec de petites augmentations à faible pH, ou à très grande force ionique ou dureté. Ces résultats indiquent la grande stabilité physique et chimique des allosphères qui auront, ainsi, une grande mobilité dans les sols. La diffusion de lumière dynamique et la spectroscopie de corrélation de fluorescence ont été utilisées afin de valider les résultats obtenus par l’AUC. / The use of nanoparticles (NPs) in numerous industrial fields is becoming more common, which increases their propagation in the environment. Their generally unknown persistence, mobility, bioaccumulation and toxicity all contribute to increased risks to human health and to ecosystems. Unfortunately, their characterization and quantification are complex analytical challenges due in large part to their dynamic nature (small size, high reactivity and instability). The objective of this study was to characterize polymeric nanoparticles (Allosperse®), which are intended for the dispersion of the nanopesticides using analytical ultracentrifugation (AUC). To achieve this goal, the sizes of various metallic nanoparticles (nAg, QD), metallic oxides (nTiO2, nZnO) and polystyrene nanoparticles (nPS) were first determined by AUC using different detectors (absorbance, fluorescence and interference). In the case of polymeric nanoparticles, a number of preliminary tests were carried out in order to optimize the speed and duration of the ultracentrifugation, the number of scans and the concentration of the NPs for the determination of their hydrodynamic diameter (dh). The analysis indicated that the AUC was able to measure the sizes of the smallest nanoparticles. In addition, evaluations of the behavior of these nanoparticles between pH 4-8, ionic strengths from 0 to 500 mM, in the presence and absence of natural organic matter (NOM) showed that they had a dh of about 7.0 nm with small increases at low pH or for large ionic strengths or hardness. These results strongly demonstrated a high physical and chemical stability of allosphères, which implied that they would have a high mobility in soils. Dynamic light scattering (DLS) and fluorescence correlation spectroscopy (FCS) were used to validate the results obtained by the AUC.

Les processus d'oxydation avancés à base du radical sulfate (SO4•- -) ont prouvé leur efficacité pour l'élimination de nombreux contaminants. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié les processus d'oxydation et de dégradation par le radical sulfate activé à partir du persulfate (PS) pour les molécules suivantes : le diatrizoate, molécule utilisée comme produit de contraste radiologique iodé (DTZ), le salbutamol (SAL) et la terbutaline (TBL), agonistes des récepteurs ß2-adrénergiques. En outre, la réactivité de SO4•- avec la matière organique naturelle (NOM) a également été déterminée. Plus précisément, pour déterminer la réactivité de SO4•- avec NOM, une technique de photolyse laser couplée à la spectroscopie (LFP) a été appliquée pour étudier l'évolution de SO4 • ainsi que la formation d'espèces transitoires à partir de la matière organique. Des constantes de vitesses comprises entre 1530 et 3500 s-1 mgC-1 L ont été obtenues par analyse numérique des équations différentielles et des valeurs moyennes de coefficient d'absorption molaires comprises entre 400 et 800 M-1 cm-1 ont été déterminées pour les espèces transitoires générées de la matière organique.Dans le processus de décomposition de DTZ par PS activé par UV, les principales voies d'oxydation sont la dé-iodination-hydroxylation, la dé-carboxylation-hydroxylation et le clivage de la chaîne latérale. Les résultats ont également indiqué que la vitesse de dégradation du DTZ augmentait avec l'augmentation de la concentration en PS. La présence de NOM a inhibé la dégradation de DTZ, tandis que le bicarbonate l'a amélioré. Pour les ions chlorure un effet négatif a été observé pour des concentrations supérieures à 500 mM.Pour la dégradation du SAL et du TBL, il a été montré que les radicaux phénoxy jouaient un rôle majeur en début de réaction. Par ailleurs, le chlorure n'a pas eu d'effet tangible sur l'efficacité d'oxydation de la SAL et du TBL, tandis que les ions bromures, bicarbonates et le NOM présentaient des effets inhibiteurs / Sulfate radical (SO4•-) based advanced oxidation processes (AOPs) has been proved to be effective for the removal of many contaminants. In this thesis, we investigated the oxidation processes of iodinated X-ray contrast media diatrizoate (DTZ), ß2-adrenoceptor agonists salbutamol (SAL) and terbutaline (TBL) by reaction with SO4•- generated from the activation of persulfate (PS); in addition, the reactivity of SO4•- with natural organic matter (NOM) was also estimated.Specifically, to determine the reactivity of SO4•- with NOM, laser flash photolysis (LFP) technique was applied to monitor the SO4•- decay and the formation of the transients from organic matters. Reaction rate constants comprised between 1530 and 3500 s-1 mgC-1 L were obtained by numerical analysis of differential equations and the weighted average of the extinction coefficient of the generated organic matters radicals between 400 and 800 M-1 cm-1.In the decomposition process of DTZ by UV-activated PS, major oxidation pathways include deiodination-hydroxylation, decarboxylation- hydroxylation and side chain cleavage. Results also indicated that DTZ degradation rate increased with increasing PS concentration. The presence of NOM inhibited DTZ removal rate, while, bicarbonate enhanced it, and chloride ions induced a negative effect above 500 mM. For the degradation of SAL and TBL, phenoxyl radicals were proven to play a very important role from the initial step. Chloride exhibited no effect on the oxidation efficiencies of SAL and TBL, while bromide, bicarbonate and NOM all showed inhibitory effects

La matière organique naturelle (MON) est omniprésente dans les eaux de surface. Bien que l’exposition à la MON via l’eau potable soit commune et ne soit pas associée à des effets directs sur la santé humaine, la MON peut avoir des impacts négatifs sur la production d’eau potable, tels que la contribution aux goûts et odeurs, le développement du biofilm dans les systèmes de distribution et la formation de sous-produits de désinfection. La résine échangeuse d’ions en mode biologique (en anglais : Biological ion exchange, BIEX) est un processus prometteur pour l’enlèvement de la MON des eaux de surface. Il s’agit d’opérer la résine échangeuse d’ions dans un réacteur à lit fixe avec une régénération peu fréquente de sorte qu’une communauté microbienne peut se développer sur la surface de résine et ainsi contribuer à l’enlèvement de la MON par biodégradation. Néanmoins, les mécanismes de l’enlèvement de la MON dans le BIEX et la faisabilité de son application dans l’usine de production d’eau potable demeurent inconnus. Ainsi, l’objectif de cette thèse est 1) de comprendre et favoriser l’application du BIEX pour l’enlèvement de la MON des eaux de surface et 2) de résumer les stratégies qui peuvent alléger la gestion de la saumure engendrée par la régénération de résines. Les résines en forme chlorure et bicarbonate ont été d’abord évaluées pour l’application du BIEX où le pilote de BIEX a été alimenté par l’eau de surface pendant 9 mois sans régénération. Les résultats ont démontré que l’échange d’ions est le mécanisme dominant pour le BIEX, i.e., la MON échange avec les ions préchargés (i.e., chlorure et bicarbonate) et les ions préretenus (i.e., sulfate). En plus, les résines colonisées ont été prélevées du pilote et testées en laboratoire où les résines colonisées ont été mises en contact avec les composés de modèles (i.e., micropolluants organiques). Les résultats ont démontré que la biodégradation contribuait à l’enlèvement de micropolluants organiques sur les résines colonisées, mais le degré de biodégradation dépend des caractères de micropolluants organiques et la communauté microbienne sur les résines. Ensuite, le BIEX a été évalué en parallèle du charbon actif biologique (CAB) en filtration secondaire dans l’usine de production d’eau potable de Sainte-Rose. Les résultats ont démontré que bien que le BIEX ait réalisé un enlèvement du carbone organique dissous (COD) plus élevé par rapport à celui du CAB, il a une perte de charge plus significative et le rétrolavage de BIEX s’avère être plus complexe par rapport à celui de CAB. Finalement, une revue de littérature a été menée afin d’identifier les stratégies sur l’opération de résine et la gestion de saumure, et ainsi d’alléger la gestion de la saumure engendrée par la régénération de résines échangeuses d’ions. En somme, cette thèse permet de comprendre les mécanismes de l’enlèvement de la MON dans le BIEX, évaluer la faisabilité de son application dans l’usine de production d’eau potable ainsi qu’identifier les stratégies qui peuvent alléger la gestion de la saumure engendrée par la régénération de résines échangeuses d’ions. / Natural organic matter (NOM) is ubiquitous in surface water. Although the exposure to NOM via drinking water is common and is not associated with direct effects on human health, NOM can cause negative impacts on drinking water treatment, such as contribution to taste and odors, development of biofilms in distribution systems and formation of disinfection by-products. Biological ion exchange (BIEX) is a promising process for the removal of NOM from surface waters. It involves operating the ion exchange resin in a fixed bed reactor with infrequent regeneration so that a microbial community can develop on the resin surface and thus contribute to the removal of NOM by biodegradation. However, the mechanisms for the removal of NOM in BIEX and the feasibility of its application in the drinking water plant remain unknown. Therefore, the general objective of this thesis is 1) to understand and promote the application of BIEX for the removal of NOM from surface water and 2) to summarize the strategies that can alleviate the management of the brine generated by the regeneration of resins. Chloride and bicarbonate-form resins were first evaluated for the BIEX application where the BIEX pilot was fed with surface water for 9 months without regeneration. The results demonstrated that ion exchange is the dominant mechanism in BIEX, i.e., NOM exchanges with preloaded ions (i.e., chloride and bicarbonate) and pre-retained ions (i.e., sulfate). In addition, the colonized resins were harvested from the pilot and tested in the laboratory where the colonized resins were in contact with the model compounds (i.e., organic micropollutants). The results demonstrated that biodegradation contributes to the removal of organic micropollutants on colonized resins, but the extent of biodegradation depends on the characteristics of the organic micropollutants and the microbial community on the resins. Then, BIEX was evaluated in parallel with biological activated carbon (BAC) at the second-stage filtration of the Sainte-Rose drinking water treatment plant. The results demonstrated that although BIEX achieved higher dissolved organic carbon (DOC) removal compared to BAC, it had a more significant pressure drop and the backwash of BIEX filters was proved to be more complex compared to that of BAC. Finally, a literature review was carried out to identify strategies on resin operation and brine management, and thus alleviate the management of the brine generated by the regeneration of ion exchange resins. Overall, this thesis allows understanding the mechanisms for the removal of NOM in BIEX, evaluating the feasibility of its application in drinking water production plants as well as identifying the strategies that can alleviate the management of the brine generated by the regeneration of ion exchange resins.