L'objectif de ce travail est de mettre au point une technique de séparation de nanoparticules de milieux liquides. L'étude bibliographique a montré l'étendue potentielle du problème environnemental et a dégagé une problématique industrielle immédiate, celle du rejet de nanosilice. Des tests de séparation par flottation sont menés sans additif, en présence de AlCl3, de CTAB, et en tentant de modifier la charge de surface des bulles. Ces essais ne sont pas très concluants. La flottation a pu être observée, mais uniquement quand l'additif a conduit à la création de flocs qui ont, eux, été flottés. Les résultats des tests avec additifs ont montré que l'interaction entre l'hétérocoagulation (flottation) et l'homocoagulation est très importante, conduisant à l'étude de la coagulation sous l'effet d'AlCl3, puis du CTAB. Les résultats ont mis en évidence des mécanismes de coagulation complexes, car la taille des particules joue un rôle important. Pour chaque phénomène observé, un mécanisme a été proposé, en essayant de relier les observations à la modélisation des mécanismes d'agrégation. Du point de vue du procédé de séparation, la coagulation, suivie d'une sédimentation, permet de séparer les nanoparticules de silice avec une efficacité remarquable (diminution de 99% de la turbidité) / The objective of this work is to develop a technique for separating nanoparticles from liquid media. The literature has shown the potential hazard of nanoparticules and a large quantity of the nanosilica release has been entering in water resources. Tests flotation separations are carried out without additive, in the presence of AlCl3, CTAB, and trying to change the surface charge of the bubbles. These tests are not very conclusive. Flotation has been observed, but only when the additive has led to the formation of flocs which have themselves been floated. The results of tests with additives showed that the interaction between heterocoagulation (flotation) and homocoagulation is very important, leading to the study of coagulation under the effect of AlCl3 and CTAB. The results revealed complex mechanisms of coagulation, because the particle size plays an important role. For each observed phenomenon, a mechanism has been proposed, trying to link the observations to modeling mechanisms of aggregation. From the standpoint of the separation process, coagulation followed by sedimentation to separate the silica nanoparticles with remarkable efficiency (decrease of 99% of the turbidity)

La séparation de nanoparticules (NPs) contenues dans des milieux aqueux est un sérieux challenge pour le traitement des eaux à cause de la grande stabilité et de la nature colloïdale de ces particules. Ce travail concerne le développement de procédés efficaces de flottation pour la séparation de nanoparticules. La première partie du travail est conduite pour obtenir une connaissance plus étroite de la nature et du comportement colloïdal des nanoparticules en suspension. Des tests de modifications de leur surface et des expériences d’adsorption-agrégation sont ensuite menés pour comprendre les mécanismes d’interactions entre les NPs et des réactifs d’aide à la flottation. Deux type des techniques de flottation (la flottation à air dissout (DAF) et la flottation par des aphrons colloïdaux (CGAs)) sont utilisés : le premier type a ici pour objectif de séparer les nanoparticules par des bulles d’air avec l’aide d’acides humiques (HA), alors que le second utilise des microbulles dont la surface est fonctionnalisée par des tensioactifs (CGAs), dans l’objectif d’accroître l’efficacité de séparation. Les résultats montrent que, par mélange avec une solution basique de HA (pH 12.9), la charge de surface de nanoparticules de TiO2 (TNPs) est d’abord neutralisée par des ions OH- et ensuite écrantée par les polyanions de HA. Quand le pH des suspensions TNPs-HA est en dessous de 3 par ajout de solution mère de HA de pH 4.9-9.0, l’attraction électrostatique entre les TNPs et les anions est insuffisante, mais on observe quand même l’agrégation entre TNPs et la part colloïdale de l’HA. Par des essais de DAF en continu, le pH optimal de la solution mère de HA (pH≦ 9) et la concentration optimale en HA (11.1 mg/L COD) permettent d’éliminer plus de 95% des nanoparticules. La concentration résiduelle de HA reste à un très bas niveau même quand l’acide humique est surdosé. Quand le pH des suspensions TNPs-HA est très acide, la plupart des molécules d’acides humiques ne sont pas solubles et ne sont pas chargées. Elles peuvent s’agréger entre-elles et former un précipité colloïdal hydrophobe pour minimiser leur contact avec le milieu aqueux. En ce qui concerne les CGAs, leur caractérisation montre que la vitesse d’agitation est un paramètre crucial pour créer des aphrons de l’ordre de la dizaine de micromètres. Les CGAs peuvent être chargés négativement ou positivement en utilisant des tensioactifs adaptés. Différentes nanoparticules de SiO2 (SNPs) peuvent être efficacement (près de 100%) séparées de suspensions aqueuses par le procédé continu de flottation par CGAs. La comparaison entre flottation par CGAs et DAF montre l’avantage du premier procédé plus efficace avec une moindre quantité de surfactant / The removal of nanoparticles (NPs) from waters is a serious challenge in the water treatment field owing to the high stability and colloidal nature of particles. This study is devoted to develop effective flotation processes for NP separation. The investigation is firstly conducted to get a good knowledge of features and colloidal behaviors of NPs in suspension. Surface modification tests and adsorption-aggregation experiments are then carried out to understand the interaction mechanisms between NPs and flotation assisting reagents. Two types of flotation (dissolved air flotation (DAF) and colloidal gas aphrons (CGAs) involved flotation) were specially focused on: the former aims at using air bubbles to remove NP aggregates with the assistance of humic acid (HA), while the later employs the surface functionalized microbubbles, CGAs, to enhance the interaction of NP-bubble for the sake of high treating efficiency. Results show that, on mixing with the highly basic HA solution (pH12.9), the surface charge of TNPs is primarily neutralized by and then screened by polyanions of HA. When the pH of TNP-HA suspension is lower than 3 by adding HA stock solutions at pH4.0~9.0, the electrostatic attraction between TNPs and anions becomes insufficient but the aggregation of TNPs-colloidal HA occurs. In continuous DAF trials, the appropriate pH of HA stock solution (pH ≦ 9) and optimum HA concentration (11.1 mg/L DOC) for high TNP removals (> 95 %) are determined. The residual HA concentration remained in a low level even when HA is overdosed. When the pH of the TNP-HA suspension is highly acidic, most HA molecules are not really soluble and uncharged, and they may aggregate themselves and form hydrophobic colloidal precipitates to minimize the contact with the aqueous environment. As for the study of CGAs, the characterization results denote that introducing air flow during the CGA generation process can slow down the liquid drainage speed and may facilitate the particle separation performance; the stirring speed is a crucial parameter to create micron scale bubbles, and CGAs can be positively or negatively surface charged by using different surfactants. Different SiO2 NP (SNPs) can be efficiently separated from aqueous suspensions by the continuous CGA generation-flotation process with the highest SNP removal close to 100 %. The comparison tests between CGA-flotation and DAF denote that the former take the greater advantage because of its better treating effect and less surfactant demand