Ce mémoire traite de l’apport expérimental de la spectroscopie infrarouge à la compréhension des processus d’adsorption mis en jeu au cours de l’interaction d’un gaz pur avec un matériau nanoporeux. Le travail concerne plus particulièrement une étude fondamentale de l’adsorption de l’éthylène, du trichloroéthylène, du tétrachloroéthylène, de l’hexafluorure de soufre et du p-xylène sur des zéolithes MFI, notamment la silicalite-1. La première étape de ce travail de thèse a consisté à mettre au point un nouveau dispositif expérimental et une méthode d’analyse afin d’acquérir des données d’absorption infrarouges fiables tout en améliorant les performances du prototype réalisé dans le cadre d’études antérieures. L’un des apports majeurs de ce travail est de pouvoir suivre, pour la première fois, semble-t-il, l’évolution des bandes de structure de la zéolithe au cours du processus d’adsorption. De plus, dans le cas particulier de l’adsorption du trichloroéthylène, du tétrachloroéthylène ou du p-xylène, le spectre infrarouge de la zéolithe subit de profondes modifications au cours de l’accumulation des molécules dans la microporosité du matériau. Ces modifications qui se manifestent par sauts successifs à des remplissages déterminés, ont été corrélées aux changements de structure de l’adsorbant mis en évidence par ailleurs par d’autres techniques expérimentales. Un autre point fort de ce travail concerne la caractérisation de la phase adsorbée tout au long du processus d’adsorption. D’une façon générale, le confinement des molécules dans la microporosité de la zéolithe induit essentiellement de faibles modifications de la position des bandes de vibration du fluide adsorbé, de l’ordre de quelques cm-1, sans en affecter pour autant leur allure. L’aire de ces bandes augmente proportionnellement avec la charge, dans le cas de l’adsorption de l’éthylène, du trichloroéthylène ou de l’hexafluorure de soufre. En revanche, cette relation de proportionnalité n’est plus vérifiée dans le cas de l’adsorption du tétrachloroéthylène ou du p-xylène. Pour ces systèmes avec lesquels ont été observées des isothermes à sous marche, l’aire des bandes de la phase adsorbée reste constante, en particulier dans le domaine de remplissage compris entre 3 et 6 moléc.maille-1. L’hypothèse de la formation de dimères est avancée pour rendre compte de cette singularité dans ce domaine de remplissage. / This manuscript is devoted to the study of adsorption processes by FTIR spectroscopy. The experimental results concern the adsorption of ethylene, trichloroethylene, tetrachloroethylene, sulfur hexafluoride or p-xylene on MFI zeolites, more especially on silicalite-1. The first step of the work was to develop a new experimental device and procedure in order to obtain reliable absorption infrared data and to improve results previously obtained by a prototype. The first main result is to characterize, maybe for the first time, the evolution of the spectrum of the adsorbent all during the adsorption process. Experiments reveal that the zeolite infrared spectrum undergoes strong modifications when trichloroethylene, tetrachloroethylene or p-xylene molecules are adsorbed. These modifications have been correlated to adsorbent phase transitions characterized elsewhere by other experimental techniques. Another main result concerns the characterisation of the adsorbed phase during the accumulation of molecules in the zeolite. From a general point of view, the confinement of admolecules inside microporosity induces small shifts of vibrational bands of the adsorbed phase without significant modification of their shape. In contrast, the area of these bands depends on the nature and the number of adsorbed molecules. Indeed, it linearly increases with loading for the adsorption of ethylene, sulfur hexafluoride or trichloroethylene. On the contrary, when stepped isotherms are obtained, that is the case for tetrachloroethylene or p-xylene adsorption, the area of these bands stay constant within a filling domain 3-6 molec.(u.c)-1. The assumption of the formation of dimeric structures is proposed to explain such a singular behaviour.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Le trichloroéthylène (TCE) est un solvant aliphatique chloré utilisé notamment dans l'industrie du textile et de l'habillement pour enlever les taches d'huile et de graisse repérées sur le tissu au moment de l'inspection. Le produit est pulvérisé à l'aide de pistolets à air comprimé en aire ouverte; il peut ainsi se trouver en concentration importante dans l'air du milieu de travail. En 1995, le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC) a évalué le TCE et l'a classé dans la catégorie 2A, soit probablement cancérogène chez l'humain. A cause de son potentiel cancérogène, il serait préférable de le remplacer par une substance ou un procédé moins dangereux au lieu de tolérer son usage, et ce, même à faible concentration. Nous avons appliqué une démarche systématique de substitution afin de remplacer le TCE dans l'opération décrite ci-dessus. La démarche comprend neuf étapes : identification du problème, création d'un plan d'action, compilation des informations sur le procédé, proposition d'options de rechange techniquement acceptables, documentation des options, comparaison des options, essai sur le terrain et choix, implantation de la solution retenue et évaluation. Cette approche a été implantée dans une entreprise québécoise spécialisée dans la fabrication de tissus à base de laine. Les conclusions tirées de cette expérience ont été ensuite appliquées à une entreprise de l'industrie de l'habillement qui fabrique des pantalons pour hommes. En premier lieu, le problème à résoudre a été documenté de façon précise en recueillant toute information pertinente sur le procédé de détachage ainsi que sur les procédés qui le précèdent. Une recherche exhaustive a été menée à partir de diverses sources d'information suivie de rétablissement de critères de sélection préliminaire, basés sur la volatilité, l'inflammabilité et la solubilité, afin d'identifier les options techniquement acceptables. Une analyse comparative des aspects de santé, de sécurité, techniques, environnementaux et économiques de ces diverses solutions nous a permis de suggérer l'essai de quatre options : un procédé à la vapeur, un solvant pétrolier à haut point d'ebullition, ainsi que le 1-bromopropane et un solvant composé d'un hydrochlorofluorocarbure (le HCFC-141b), d'un éther de glycol et d'un mélange d'hydrocarbures aliphatiques. Deux solvants étaient acceptables au niveau technique, le solvant brome et celui à base de HCFC; cependant, ils ont été rejetés comme substituts adéquat au TCE à cause d'incertitudes toxicologiques (cancer et efifets sur la reproduction) et de raisons environnementales (depletion de la couche d'ozone, bannissement futur) respectivement. 0 Aucun remplacement adéquat n'a été trouvé pour substituer le TCE. Toutefois, de la ventilation locale ainsi que des mesures convenables pour réduire les taches à la source ont été recommandées afin de diminuer au maximum l'utilisation du TCE et l'exposition des travailleurs. De plus, les travailleurs devraient porter des gants et des masques de protection appropriés lors de l'usage du TCE.

Les récents progrès en matière de nanotechnologies ont permis d'élaborer de nouveaux matériaux aux propriétés physico-chimiques uniques tels que les nanoparticules de fer zéro valent (NPFe0). Ces nanoparticules ont prouvé leur efficacité pour dégrader les composés organiques chlorés comme le trichloroéthylène (TCE), cependant leur transport dans les milieux poreux est souvent limité. Une solution pour pallier à ce problème est de modifier leur surface par adsorption de molécules organiques. Toutefois, cet enrobage modifie la réactivité des NPFe0 vis-à-vis du TCE, ce qui peut potentiellement affecter l'efficacité du traitement. Ainsi, le premier volet de cette thèse concerne l'étude de la réactivité de NPFe0 brutes ou modifiées par des polyélectrolytes anioniques vis-à-vis du TCE. Cette réactivité a été évaluée au travers des cinétiques de dégradation du TCE et de ses produits de transformation.D'autre part, les eaux souterraines contiennent souvent des espèces dissoutes réductibles pouvant réagir avec Fe0. Ces dernières peuvent affecter la réactivité des NPFe0 vis-à-vis du polluant ciblé et donc l'efficacité du traitement de dépollution. Le deuxième volet de cette thèse porte sur l'effet de deux accepteurs d'électrons (CrVI et NO3-) sur la réactivité des NPFe0 brutes et modifiées. Enfin, le troisième volet de cette thèse concerne l'évaluation de la réactivité des NPFe0 vis-à-vis du TCE dans un cas « réel », afin de valider la technique de dépollution. Une étude pilote et une application in situ ont ainsi été menées sur un site industriel dont l'eau souterraine est contaminée par le TCE (polluant ciblé) avec de fortes teneurs en CrVI et NO3-. / Recent advances in nanotechnology have led to the development of new materials with unique physicochemical properties such as nanoscale zero valent iron particles (nZVI). These nanoparticles proved their efficiency to degrade chlorinated organic compounds such as trichlorethylene (TCE), but their migration in porous media is often limited. To overcome this problem, a solution is to modify their surface by adsorption of organic molecules. However, this coating modifies the reactivity towards TCE, which can potentially affect the treatment efficiency.Thus, the first part of this PhD focuses on the reactivity of nZVI (bare or modified by anionic polyelectrolytes) towards TCE. This reactivity was evaluated through the TCE degradation kinetics rates and its transformation products.In addition, groundwaters often contain reducible species that can react with dissolved Fe0. These last species may affect the reactivity of nZVI towards the target pollutant and therefore the remediation efficiency. The second part of this PhD focuses on the effect of two electron acceptors (CrVI and NO3-) on the reactivity of bare and modified nZVI.Finally, the third part of this PhD presents the assessment of the reactivity of nZVI towards TCE in a "real" case, in order to validate the remediation process. A pilot study and in situ application have been carried out on an industrial site which groundwater is contaminated with TCE (targeted pollutant) with high levels of CrVI and NO3-.

Ce mémoire traite de l'apport expérimental de la spectroscopie infrarouge à la compréhension des processus d'adsorption mis en jeu au cours de l'interaction d'un gaz pur avec un matériau nanoporeux. Le travail concerne plus particulièrement une étude fondamentale de l'adsorption de l'éthylène, du trichloroéthylène, du tétrachloroéthylène, de l'hexafluorure de soufre et du p-xylène sur des zéolithes MFI, notamment la silicalite-1. La première étape de ce travail de thèse a consisté à mettre au point un nouveau dispositif expérimental et une méthode d'analyse afin d'acquérir des données d'absorption infrarouges fiables tout en améliorant les performances du prototype réalisé dans le cadre d'études antérieures. L'un des apports majeurs de ce travail est de pouvoir suivre, pour la première fois, semble-t-il, l'évolution des bandes de structure de la zéolithe au cours du processus d'adsorption. De plus, dans le cas particulier de l'adsorption du trichloroéthylène, du tétrachloroéthylène ou du p-xylène, le spectre infrarouge de la zéolithe subit de profondes modifications au cours de l'accumulation des molécules dans la microporosité du matériau. Ces modifications qui se manifestent par sauts successifs à des remplissages déterminés, ont été corrélées aux changements de structure de l'adsorbant mis en évidence par ailleurs par d'autres techniques expérimentales. Un autre point fort de ce travail concerne la caractérisation de la phase adsorbée tout au long du processus d'adsorption. D'une façon générale, le confinement des molécules dans la microporosité de la zéolithe induit essentiellement de faibles modifications de la position des bandes de vibration du fluide adsorbé, de l'ordre de quelques cm-1, sans en affecter pour autant leur allure. L'aire de ces bandes augmente proportionnellement avec la charge, dans le cas de l'adsorption de l'éthylène, du trichloroéthylène ou de l'hexafluorure de soufre. En revanche, cette relation de proportionnalité n'est plus vérifiée dans le cas de l'adsorption du tétrachloroéthylène ou du p-xylène. Pour ces systèmes avec lesquels ont été observées des isothermes à sous marche, l'aire des bandes de la phase adsorbée reste constante, en particulier dans le domaine de remplissage compris entre 3 et 6 moléc.maille-1. L'hypothèse de la formation de dimères est avancée pour rendre compte de cette singularité dans ce domaine de remplissage.

Les biocapteurs sont des moyens d’analyse en plein essor à la fois rapides, sélectifs et peu coûteux applicables à des domaines extrêmement variés (environnement, santé, agroalimentaire,…). Dans ce type d’outil, un élément sensible de nature biologique (anticorps, enzyme, microorganisme, ADN…) doté d’un pouvoir de reconnaissance pour un analyte ou un groupe d’analytes est associé à un transducteur pouvant être de type électrochimique, optique ou thermique. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés au développement de différents biocapteurs se basant sur l'immobilisation d'enzymes ou de bactéries sur des microélectrodes en vue d’une détection électrochimique. Nous avons montré les potentialités d’application de deux biocapteurs conductimétriques à base de protéinase K ou de protéinase K et de pronase à la détection des modifications de conformation de la myoglobine et de l’albumine de sérum bovin au cours de leur relargage à partir de microsphères de poly (ε-caprolactone). Nous avons également mis au point un biocapteur conductimétrique à base de catalase et d’alcool oxydase pour une détection rapide et sensible des alcools ainsi que deux biocapteurs à catalase pour la détection impédimétrique et conductimétrique du cyanure et l’étude des interactions catalase-cyanure. Nous avons enfin élaboré des biocapteurs bactériens à base de Pseudomonas putida F1 pour la détection du trichloroéthylène dans les eaux souterraines. Pour cela, une voie originale d’immobilisation des cellules, basée sur la fonctionnalisation du transducteur à l’aide de couches autoassemblées et d’anticorps, ainsi que l’utilisation de nanotubes de carbone, a été explorée / The development of biosensors is an expanding research area. Indeed, biosensors are rapid, selective and cost-effective analytical tools which find applications in various fields (environment, health, food,…). They are constituted of a sensitive biological element (antibody, enzyme, microorganism, DNA…), which can selectively recognize one analyte or a group of analytes, associated to an electrochemical, optical or thermal transducer. In this work, we developed different biosensors based on enzymes or bacteria immobilised onto microelectrodes in view of electrochemical detection. First, we demonstrated the potentialities of two conductometric biosensors based on proteinase K or proteinase K and pronase for the detection of myoglobin and bovine serum albumine conformation changes during their release from poly (ε-caprolactone) microspheres. Then, we elaborated a bi-enzymatic conductometric biosensor with catalase and alcohol oxidase as sensing elements, for a rapid and sensitive detection of alcohols. Catalase impedimetric and conductometric biosensors were also developed for cyanide detection and used for the study of catalase-cyanide interactions. Finally, we prepared Pseudomonas putida F1 whole cell biosensors for the determination of trichloroethylene in groundwaters. For that, an original route, including the functionalisation of the transducer with a self-assembled-monolayer and antibodies, and the use of single-wall carbon nanotubes, was investigated for cell immobilisation