Ce travail est une contribution à la conception d'un système portatif et intégré de type µTAS (micro-Total Analysis System) pour le traitement (préconcentration et simplification) de solution aqueuses contenant des métaux lourds et leur analyse en ligne. Pour la préconcentration amont, l'étude a porté sur la réalisation d'un micro-électrodialyseur manipulant des µL de solutions. L'optimisation des paramètres opératoires a permis d'augmenter d'un facteur 100 environ les concentrations d'analytes. Pour l'étage de détection aval, un système sur puce de type polarographique a été étudié. Le traditionnel mercure est remplacé par du diamant polycristallin dopé au bore (DDB) préparé par CVD micro-ondes. La quantification des métaux lourds par redissolution anodique sur ce matériau a été validée ainsi que les techniques de gravure compatibles avec la réalisation de microréseaux d'électrodes. / This work is a contribution to the conception of an integrated μTAS (micro-Total Analysis System) for treatment (preconcentration and simplification) of aqueous solutions containing heavy metals and their on-line analysis. For upstream preconcentration, a micro-electrodialyser handling µL of solutions was developped. The optimization of operating parameters permitted to reach an analyte pre-concentration factor of about 100. For the downstream detection step, an on-chip polarographic system, where mercury was replaced by boron doped diamond (BDD), was studied. BDD films were prepared by assited microwave plasma CVD. Quantification of heavy metals by anodic stripping on BDD was validated as well as the etching technique compatible with the realization of microarray electrodes.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit a pour objectif la synthèse de copolymères thermosensibles complexants innovants pour la mise en place d'un nouveau procédé de traitement des effluents aqueux chargés en métaux. Ce procédé original est en effet basé sur l'utilisation de copolymères porteurs de groupements phosphonés permettant la sorption des métaux en solution aqueuse et possédant un caractère thermosensible de sorte à contrôler la solubilité du copolymère et à faciliter les étapes de sorption et de séparation. Dans un premier temps, la synthèse de copolymères thermosensibles phosphonés a été réalisée par polymérisation radicalaire conventionnelle puis par polymérisation radicalaire contrôlée (PRC) ce qui a conduit à différentes architectures. Parmi les composés préparés, le P(NnPAAm-stat-hMAPC1) a été sélectionné car il présente une basse température critique de solution proche de la température des effluents industriels chargés en métaux. Les propriétés de sorption de ces copolymères ont ensuite été déterminées en réacteur statique afin de mettre en évidence les facteurs influents (temps de contact, température, pH, composition de l'effluent). Ces différents essais ont également permis d'étudier les mécanismes de sorption intervenant entre les groupements acide phosphonique et les différents cations métalliques évalués (Ni2+, Ca2+, Cd2+, Al3+). Enfin, les étapes de séparation post-sorption et de régénération ont également fait l'objet d'études approfondies, permettant de proposer à l'issue de ce travail un procédé innovant de traitement de la pollution métallique, appelé procédé TEMF (Thermosensitive polymer Enhanced Microfiltration). L'efficacité des différentes étapes constituant ce procédé a été évaluée en batch à l'échelle du laboratoire et en semi-continu sur un pilote de laboratoire conçu dans le cadre du projet. / This Ph-D work aims at synthetizing thermosensitive and complexing polymers for the implementation of an innovative process targeting the removal of metallic cations from wastewater. This process is based on the use of copolymers bearing phosphonic acid groups as sorption moieties whereas thermoresponsiveness allows adjusting the solubility of the polymeric sorbent according to the process step considered. First, the synthesis of various thermosensitive copolymers bearing phosphonated moieties is reported. The use of free radical polymerization or Reversible Addition Fragmentation Transfer (RAFT) polymerization allowed synthesizing copolymers with different architectures. Among all macromolecular compounds, the P(NnPAAm-stat-hMAPC1) copolymer was chosen as the most relevant polymeric sorbent for the process. Sorption properties of this copolymer were then evaluated and results highlighted that the contact time, the temperature, the pH and more generally the effluent composition were the main influencing parameters. These studies also enable to figure out the sorption mechanisms involved between phosphonic acid and the cationic metals studied (Ni2+, Ca2+, Cd2+, Al3+).The studies carried on the separation and regeneration steps of the process allowed the development of an innovative process for the removal of metallic pollution from wastewaters named Thermosensitive polymer Enhanced Microfiltration (TEMF) process. Finally, the conception of a pilot plant permitted the study of the TEMF process at larger scale.

Les chalcogénures à clusters de Molybdène sont des structures minérales reconnues pour développer des propriétés d’accueil de cations. En effet, la remarquable mobilité des cations dans les matrices minérales construites sur les unités Mo6X8 (avec X= S, Se) des phases de Chevrel définit des systèmes redox réversibles Mo6X8 + xMn+ + xn e- <-> MxMo6X8. A côté de leurs potentialités physiques et chimiques connues, deux applications de ces réactions d’intercalation ont vu jour récemment au sein de nos équipes, en lien avec les préoccupations environnementales et de valorisation matière. Il s’agit du développement de jonction électrochimique de transfert pour la récupération sélective de cations et la mise au point de capteurs, applications validées parfaitement sur des solutions synthétiques mono-cationiques. Or pour leur développement et pour se rapprocher des cas réels, il s’avère indispensable de réaliser des études dans des solutions pluri-cationiques. Ainsi l’objectif de notre travail de thèse a été d’étudier les mécanismes d’intercalation de 4 cations métalliques (Ni2+, Cd2+, Zn2+, Co2+), représentatifs de différents effluents industriels. Une première partie s’est attachée à développer la connaissance du positionnement des processus d’intercalation mixtes de cations, contenus dans des mélanges équimolaires 0,1 M bi et tri cationiques, en mode ex situ afin d’étudier les réponses électrochimiques caractéristiques à chaque électrolyte. Cette connaissance confrontée à des contrôles structuraux et stœchiométriques permet de mieux interpréter et d’identifier les systèmes préférentiels d’insertion ainsi que le mode d’intercalation. Une seconde partie a été réalisée in situ sur grands instruments à l’ESRF afin de suivre la formation des phases au cours de l’intercalation électrochimique. Grâce à ce suivi, nous avons pu déterminer la nature des phases en présence, leur proportion (dans le cas d’un mélange), leur structure ainsi que la position exacte du cation dans la structure, notamment pour l’ion cadmium dans les phases soufrée et séléniée qui a fait l’objet d’un traitement expérimental approfondi. L’originalité de ce travail repose d’une part sur l’étude d’intercalation dans des électrolytes inédits bi et tri cationiques, d’autre part sur la détermination de structures des phases de Chevrel pas encore référencées dans la littérature (Cd2Mo6Se8). Ces résultats constituent un ensemble de données particulièrement utiles pour l’optimisation des performances des capteurs ou celle des protocoles de transferts sélectifs / Molybdenum cluster chalcogenides are mineral structures known for their cation-receiving properties. Indeed, the remarkable cations mobility in the mineral matrices built on the Mo6X8 units (with X = S, Se) of the Chevrel phases defines reversible redox systems Mo6X8 + xMn+ + xn e- <-> MxMo6X8. Regarding their physical and chemical potential, two applications using the intercalation reactions have been recently developed in our teams, in connection with environmental concerns and material recovery. More precisely the development of an electrochemical transfer junction for the selective recovery of cations and the development of sensors, which were perfectly validated on synthetic mono-cationic solutions. But for their development and to get closer to real cases, it is essential to carry out studies in multi-cationic solutions. Thus the objective of our thesis work was to study the mechanisms of intercalation of 4 metal cations (Ni2+, Cd2+, Zn2+, Co2+), representative of different industrial effluents. A first part focused on developing the knowledge of the positioning of the mixed cation intercalation processes, contained in equimolar 0.1 M bi and tri cationic mixtures, in ex situ mode in order to study the electrochemical responses characteristic of each electrolyte. This knowledge, confronted with structural and stoichiometric controls, makes it possible to better interpret and identify the preferred insertion systems as well as the intercalation mode. A second part was performed in situ on great facilities at the ESRF in order to follow phase formation during electrochemical intercalation. Thanks to this monitoring, we were able to determine the phases nature involved, their proportion (in the case of a mixture), their structure as well as the exact position of the cation in the structure, in particular for the cadmium ion in the phases sulfur and selenium which has been the subject of a thorough experimental treatment. The originality of this work rests on the one hand on the intercalation study in new electrolytes bi and tri cationic, on the other hand on the determination of structures of Chevrel phases not yet referenced in the literature (Cd2Mo6Se8). These results constitute a set of data particularly useful for the optimization of sensor performance or selective transfer protocols

Les cryptophanes sont des récepteurs moléculaires qui présentent des propriétés de complexation intéressantes vis-à-vis de nombreux substrats. Ces quinze dernières années, les cryptophanes ont fait l’objet de beaucoup d’études portant sur leur utilisation pour l’obtention de biosondes pour l’IRM du xénon hyperpolarisé. De très nombreux progrès ont été réalisés, et des études in vivo semblent à présent envisageables, à condition de parvenir à synthétiser les biosondes en larges quantités. Plus récemment, un champ d’application parallèle s’est développé. Celui-ci porte sur la complexation des cations métalliques monovalents en solution aqueuse au sein de cryptophanes polyphénoliques. Ceci laisse envisager des applications pour la dépollution des eaux contaminées par des cations Cs+ ou Tl+. Cependant, ici encore, l’un des enjeux majeurs est la synthèse de larges quantités de cryptophanes présentant les caractéristiques recherchées. Les travaux réalisés au cours de cette thèse traitent de la conception et de la synthèse de nouvelles plateformes moléculaires pour l’obtention de biosondes au xénon hyperpolarisé et pour la complexation des cations métalliques monovalents Cs+ et Tl+. Les voies de synthèse mises au point permettent l’obtention de quantités appréciables d’un ensemble de nouvelles plateformes hydrosolubles pour chacune de ces applications. Les propriétés d’encapsulation de ces molécules hôtes envers leur substrat de prédilection ont été étudiées par RMN des noyaux encapsulés, par dichroïsme circulaire ou encore par titrage calorimétrique. Dans chaque cas, les nouvelles plateformes remplissent les caractéristiques recherchées et ouvrent la voie aux applications visées. / Cryptophanes are molecular receptors known for their complexation properties of various substrates. Over the last fifteen years, cryptophanes were the subject of numerous studies for they can be used to obtain biosensors for xenon MRI. This field has experienced significant growth and advances to the point were in vivo applications are now envisioned, provided that large amounts of biosensors can be synthesized. More recently, polyphenolic cryptophanes have been studied for their ability to encapsulate monovalent metallic cations like Cs+ and Tl+ in aqueous solution. This could lead to applications for depollution of contaminated water sources but would require, once again, the synthesis of large amounts of cryptophanes.The work carried out during this thesis focus on the conception and the synthesis of new molecular platforms that could either be used to obtain new hyperpolarized xenon biosensors or to encapsulate monovalent metallic cations as Cs+ and Tl+. Synthetic routes have been developed to produce good amounts of a variety of new hydrosoluble molecular platforms designed for each application. The encapsulation properties of these new host molecules were studied through NMR of the encapsulated nucleus, circular dichroism or isothermal calorimetry. In each case, the new platforms meet the expected requirements thus opening the door for the envisioned applications.