Nous présentons dans cette thèse une étude du comportement hydrodynamique des nanoparticules en suspension dans un ferrofluide et soumises à un gradient de champ magnétique. Le but est de caractériser la séparation magnétique, d'une suspension colloïdale, dans le cadre d'un projet de conception d'un système de traitement des eaux HGMS . Nous développons un modèle mathématique qui décrit le suivi Lagrangien des nanoparticules dans un fluide porteur. Il est basé sur la description de Fokker-Planck et la description de Langevin tout en tenant compte des interactions hydrodynamiques et magnétiques . Le modèle prend aussi en compte la géométrie des agrégats qui se forment. A partir de la simulation numérique, nous constatons que le temps de séparation dépend fortement de la taille et de la longueur des agrégats qui se forment au cours du processus de séparation. L'étude de la cinétique d'agrégation montre l'existence d'une loi d'échelle dynamique. Dans l'agrégation irréversible, des chaînes linéaires de particules se forment et leur taille moyenne évolue dans le temps avec une loi d'échelle à faible puissance. L'exposant de cette variation avec l'équation de coagulation de Smoluchowski avec un noyau homogène. En utilisant le comportement asymptotique, aux temps longs, d'une solution des équations de Smoluchowski, nous mettons en évidence un temps caractéristique de l'agrégation et nous montrons que ce temps est une variable de similarité dont dépend le temps de séparation. Nous montrons aussi que la loi d'échelle est toujours valide pour des nanoparticules dans un écoulement de Poiseuille et que la taille moyenne suit une loi de puissance en fonction du nombre de Reynolds. / We present in this thesis a study of the hydrodynamic behavior of nanoparticles suspended in a ferrofluid and subjected to a magnetic field gradient. The goal is to characterize the magnetic separation of a colloidal suspension in a project to design a water treatment system HGMS (High Gradient Magnetic Separation) that can also have other applications. We develop a mathematical model that describes the Lagrangian tracking of nanoparticles in a carrier fluid. It is based on the Fokker- Planck and Langevin descriptions while taking account of magnetic and hydrodynamic interactions between particles. The model also takes into account the geometry of the formed aggregates. From the numerical simulation, we find that the separation time depends strongly on the size and length of the aggregates formed during the separation process. The study of the kinetics of aggregation shows the existence of a regime with dynamic scaling. In the irreversible aggregation linear chains of particles are formed and their average size changes over time with a scaling law with a low power. The variation exponent of the average size of chains is consistent with the Smoluchowski coagulation equation with a homogeneous kernel. Using the asymptotic, long-time behavior, of a solution of Smoluchowski equations we highlight a characteristic time of aggregation and we show that this time is a similarity variable on which depend the separation time. We also show that the scaling law is still valid for nanoparticles in a Poiseuille flow and the average size follows a power law as a function of Reynolds number.

Depuis deux dernières décennies, la séparation magnétique revient sur le tapis grâce aux applications biomédicales émergentes à la séparation de cellules ou de protéines et aux tests immunologiques. Cette thèse porte sur l’exploration détaillée de la séparation magnétique de nanoparticules à l’échelle microfluidique, amplifiée par la séparation de phase induite par le champ. Dans ce but, nous synthétisons des nanoclusters superparamagnétiques d’oxyde de fer de taille 40-70 nm, composés de nanoparticules de taille 7-9 nm. Nous faisons une étude détaillée de la cinétique de la séparation de phase de ces nanoclusters induite par le champ ainsi que de leur séparation magnétique dans des canaux microfluidiques munis de réseaux ordonnés de micropiliers magnétisables. Le taux d’agrégation de nanoclusters est principalement régi par le paramètre du couplage dipolaire et par la fraction volumique de nanoclusters, tandis que l’efficacité de capture – par le nombre de Mason. Les couches de molécules adsorbées sur la surface de nanoclusters d’habitude affaiblissent les interactions magnétiques et diminuent l’efficacité de capture, cependant, dans certains cas, elles peuvent induire des interactions colloïdales attractives et augmenter l’efficacité de capture. Les résultats de ce travail peuvent être utiles pour le développement des tests immunologiques magnéto-microfluidiques. / Magnetic separation has been gaining a new interest during two last decades thanks to emerging biomedical applications to cell or protein separation and immunoassays. This thesis is aimed at detailed exploration of magnetic nanoparticle separation in microfluidic scale enhanced by field-induce phase separation of nanoparticles. To this purpose, we synthesize superparamagnetic iron oxide nanoclusters of a size of 40-70 nm composed of numerous nanoparticles of a size 7-9 nm. We perform a detailed study of the kinetics of the field-induced phase separation of these nanoclusters as well as of their magnetic separation in microfluidic channels equipped with ordered arrays of magnetizable micropillars. The nanocluster aggregation rate is mostly governed by the dipolar coupling parameter and the nanocluster volume fraction, while the capture efficiency – by the Mason number. Molecular layers adsorbed on the nanocluster surface usually weaken magnetic interactions and decrease the capture efficiency, however, in some casesthey may induce attractive colloidal interactions and enhance the capture efficiency. The results of this work could be useful for development of magnetomicrofluidic immunoassays.

La séparation magnétique est utilisée dans le domaine de la purification de l’eau. Des nanoparticules magnétiques fonctionnalisées ou nues sont en charge de capter un polluant ciblé puis sont enlevées de l’eau par l’application d’un champ magnétique. Nous avons montré que l’utilisation d’un ferrofluide aqueux classique constitué de nanoparticules d’oxyde de fer recouvertes par une double couche de surfactant d’acide oléique permet une adsorption efficace des cations métalliques (ion nickel Ni2+) puis leur enlèvement en utilisant des microparticules magnétiques. Nous avons montré que des interactions magnétiques suffisamment fortes entre les nanoparticules induisent une transition de phase colloïdale. Il existe trois régimes de captage qui dépendent de deux paramètres, le premier paramètre est lié à l’intensité du champ magnétique et le second est la concentration en nanoparticules. En présence de l’écoulement de la suspension des nanoparticules, le captage des nanoparticules est toujours régi par la concentration en nanoparticules et également par le nombre de Mason. Nous avons mené une expérience de captage des nanoparticules par un milieu poreux. L’efficacité de filtration est liée à la compétition entre les forces hydrodynamiques et magnétiques ainsi que de la séparation de phase au sein de la suspension. Les théories développées lors de ce travail sont en accord raisonnable avec les résultats expérimentaux et montrent l’augmentation de l’efficacité de captage des nanoparticules avec l’augmentation de l’intensité du champ magnétique et de la concentration en nanoparticules ainsi que la diminution de l’efficacité de captage avec l’augmentation du nombre de Mason. / Magnetic separation is used in the domain of water purification. In these systems, functionalized or bare magnetic nanoparticles are used to capture a target pollutant then they are extracted from water by an applied magnetic field. We have shown that a classical aqueous ferrofluid composed by iron oxide nanoparticles covered with an oleic acid double layer allows efficient adsorption of metallic cations (nickel ion Ni2+) followed by nanoparticle extraction with the help of magnetic microparticles. We have shown that strong enough magnetic interactions between nanoparticles can induce a colloidal phase transition. There exists three capture regimes which depend on two parameters, the first one is related to the magnetic field intensity and the second is the nanoparticle concentration. In the presence of the flow of nanoparticle suspension, the nanoparticle capture is always governed by the nanoparticle concentration and also by Mason number. We have carried out an experiment on nanoparticle capture in a porous medium. The filtration efficiency is related to the competition between the hydrodynamic and magnetic forces, as well as to the phase separation in the suspension bulk. The theories developed in the frames of this work show a reasonable agreement with the experimental results. They predict an increase of the capture efficiency with an increase of the magnetic field intensity and the nanoparticle concentration as well as a decrease of the capture efficiency with the growth of the Mason number.

Ce projet vise à développer les outils et les relations pour modéliser le procédé d'enrichissement du minerai du Havre-Saint-Pierre par Rio Tinto, Fer et Titane. Ce procédé magnétise le minéral d'hémo-ilménite en le grillant dans des fours rotatifs et en l'enrichissement par des séparateurs à tambours rotatifs magnétiques. Une série de lots expérimentaux à des niveaux de magnétisation différents a été produite. Un classificateur de particules en fonction de leur susceptibilité magnétique spécifique effective a été conçu et fabriqué. Chacun des lots expérimentaux a été caractérisé par ce nouvel appareil et analysé pour la chimie pour développer le modèle mathématique de magnétisation du minerai par le grillage. Des essais ont été effectués sur un tambour magnétique rotatif pilote pour modéliser le procédé de séparation. Les équations des deux modèles ont été implantées à un simulateur d'usine présentant un bon potentiel comme outil d'optimisation et de développement de nouvelles configurations du procédé.

Dans le cadre de ce travail de thèse, la polymérisation de type RAFT a été exploitée pour synthétiser des particules de latex magnétiques décorées de polymères stimulables. Cinq (co)polymères hydrophiles ont tout d'abord été préparés via la (co)polymérisation RAFT en solution d'acide acrylique (AA) et de méthacrylate de 2-diméthylaminoéthyle (MADAME). Les agents macromoléculaires obtenus (macroRAFT) : des homopolymères de PAA ou PMADAME ainsi que des copolymères P(AA-co-MADAME), présentent une sensibilité au pH et à la température. Ces macroRAFT hydrophiles ont ensuite été utilisés dans des réactions d’extension de chaîne avec du styrène conduisant à la formation de copolymères à blocs amphiphiles bien définis. Puis, des dispersions aqueuses d’agrégats (clusters) de nanoparticules d’oxyde de fer (OF) ont ensuite été préparées via un procédé de mini-émulsification/évaporation de solvant, en utilisant les copolymères à blocs comme stabilisants. Après optimisation des conditions expérimentales (sonication, concentration de macroRAFT, pH), des agrégats de taille contrôlée (45 à 300 nm) ont pu être obtenus. Ces clusters ont ensuite été utilisés comme semence lors de la polymérisation en émulsion du styrène, conduite en présence d’un agent de réticulation. Les clusters d'OF ont été individuellement encapsulés par une couche de polymère, formant des particules magnétiques stabilisées par le segment hydrophile des copolymères à blocs. Enfin, les particules magnétiques décorées de copolymères de P(AA-co-MADAME) ont été utilisées avec succès pour la capture et le relargage de bactéries grâce à la modulation de leurs propriétés de surface en fonction du pH / In this work reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization was exploited to synthesize magnetic latex particles decorated with stimuli-responsive polymer brushes. First, five hydrophilic (co)polymers with various compositions were successfully prepared by RAFT solution (co)polymerization of acrylic acid (AA) and 2-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) for different AA to DMAEMA molar ratios. The obtained macromolecular RAFT agents (macroRAFTs), PAA or PDMAEMA homopolymers and P(AA-co-DMAEMA) copolymers, displayed interesting pH- and thermo-responsive properties. These hydrophilic macroRAFTs were then chain extended with styrene leading to the formation of well-defined amphiphilic block copolymers. An aqueous dispersion of iron oxide clusters was next prepared using a strategy based on emulsification/solvent evaporation in which the block copolymers were used as stabilizers. By varying the experimental conditions (sonication power, macroRAFT concentration and pH of the medium), the cluster size could be controlled from 45 up to 300 nm. These clusters were then used as seeds in styrene emulsion polymerization in the presence of a crosslinker. The iron oxide clusters were individually encapsulated into a polymer shell generating latex particles, stabilized by the hydrophilic segment of the block copolymers, and displaying interesting magnetic properties. At last, these magnetic beads were evaluated as carriers in the magnetic separation of bacteria. The magnetic latex particles decorated with P(AA-co-DMAEMA) copolymers were successfully employed for the capture and trigger release of bacteria, allowing their concentration in a biological sample

Dans ce manuscrit, j'ai brièvement décrit mes activités scientifiques depuis la soutenance de ma thèse de doctorat en physique en fin 2003. J'ai prêté une attention particulière aux recherches axées sur la rhéologie et la capture de particules des suspensions magnétiques. Une grande partie de mes recherches a été focalisée sur l'effet de la forme des particules magnétiques et de l'orientation du champ magnétique sur la contrainte seuil apparaissant dans les suspensions magnétiques suite à l'agrégation de ces particules induite par le champ appliqué. En comparant les microfibres magnétiques aux microsphères magnétiques, il a été montré que la contrainte seuil des suspensions de fibres était d'environ trois fois supérieure à celle des suspensions de sphères soumises aux mêmes conditions. Un tel effet de forme a été expliqué par (1) une perméabilité magnétique plus élevée des agrégats composés de fibres ; (2) une friction solide plus forte entre les fibres. En ce qui concerne l'effet d'orientation du champ, nous avons confirmé expérimentalement un comportement à seuil important dans le cas où le champ magnétique est orienté le long de l'écoulement ou de la vorticité. Un tel effet magnétorhéologique " longitudinal " a été expliqué par des fluctuations stochastiques des agrégats autour de leur orientation d'équilibre; ces fluctuations étant causées par des interactions magnétiques entre agrégats. Une autre partie des études a été focalisée sur la séparation magnétique des nanoparticules en vue de leur application dans la séparation de biomolécules ou l'extraction de micropolluants. On a notamment étudié l'effet de la séparation de phase sur la capture de nanoparticules par des collecteurs magnétiques (microsphères aimantées par un champ magnétique externe). Il a été montré que la séparation de phase augmente considérablement l'efficacité de capture et que ce processus est régi par trois nombres sans dimensions : la concentration en nanoparticules, le paramètre d'interaction dipolaire et le nombre de Mason qui représente le rapport des forces hydrodynamiques sur les forces magnétiques exercées sur les nanoparticules.

Ce travail de recherche s'intègre dans un projet de développement d'un procédé de traitement des effluents par séparation magnétique s'inscrivant dans une démarche d'écoconception. Pour ce faire, nous avons préparé des billes d'alginate encapsulant des nanoparticules magnétiques et du charbon actif. Les matériaux composant ces billes possèdent des propriétés adsorbantes permettant l'extraction de polluants ; leurs propriétés magnétiques permettent de les séparer magnétiquement de l'effluent à traiter. La formulation et la caractérisation des billes magnétiques est le point essentiel de ce travail. Différentes formulations ont été testées en modifiant les quantités de matériaux précurseurs ainsi que le mode de réticulation de l'alginate. Les capacités d'adsorption des billes vis-à-vis de deux colorants utilisés comme modèles de polluant organique, le bleu de méthylène et le méthyl orange, ont été étudiées. La modélisation des isothermes d'adsorption a permis également de comprendre les mécanismes mis en jeu. Les cinétiques d'adsorption ont également été étudiées et modélisées.

La séparation magnétique est utilisée dans le domaine de la purification de l'eau. Des nanoparticules magnétiques fonctionnalisées ou nues sont en charge de capter un polluant ciblé puis sont enlevées de l'eau par l'application d'un champ magnétique. Nous avons montré que l'utilisation d'un ferrofluide aqueux classique constitué de nanoparticules d'oxyde de fer recouvertes par une double couche de surfactant d'acide oléique permet une adsorption efficace des cations métalliques (ion nickel Ni2+) puis leur enlèvement en utilisant des microparticules magnétiques. Nous avons montré que des interactions magnétiques suffisamment fortes entre les nanoparticules induisent une transition de phase colloïdale. Il existe trois régimes de captage qui dépendent de deux paramètres, le premier paramètre est lié à l'intensité du champ magnétique et le second est la concentration en nanoparticules. En présence de l'écoulement de la suspension des nanoparticules, le captage des nanoparticules est toujours régi par la concentration en nanoparticules et également par le nombre de Mason. Nous avons mené une expérience de captage des nanoparticules par un milieu poreux. L'efficacité de filtration est liée à la compétition entre les forces hydrodynamiques et magnétiques ainsi que de la séparation de phase au sein de la suspension. Les théories développées lors de ce travail sont en accord raisonnable avec les résultats expérimentaux et montrent l'augmentation de l'efficacité de captage des nanoparticules avec l'augmentation de l'intensité du champ magnétique et de la concentration en nanoparticules ainsi que la diminution de l'efficacité de captage avec l'augmentation du nombre de Mason.