La démarche expérimentale menée dans cette thèse CIFRE a eu comme objectif l’étude de la faisabilité de la séparation électrostatique d’une large gamme de mélanges de matériaux granulaires issus de déchets d’équipements électriques et électroniques (conducteur – isolant, conducteur – conducteur et isolant – isolant). Trois mécanismes physiques de charge électriques ont été mis en oeuvre : l’induction électrostatique, la décharge couronne et l’effet triboélectrique. Un dispositif de charge de laboratoire et deux séparateurs électrostatiques industriels ont été conçus et réalisés. Le dispositif de charge à cylindre(s) tournant(s) permet la charge triboélectrique de matériaux plastiques. Le prototype de séparateur industriel a d’abord été réalisé pour le traitement de mélanges granulaires conducteur – isolant puis a été adapté à la séparation isolant – isolant. Les trois mécanismes de charge peuvent y être utilisés. Ce prototype a permis la fabrication du premier séparateur électrostatique de série de la société CITF dédié à la séparation de déchets de câbles électriques. Des mesures de charge et de masse ainsi que des simulations et visualisations des trajectoires des particules par caméra rapide ont facilité l’analyse des phénomènes. La méthode des plans d’expérience a permis d’identifier les facteurs influents sur les processus de séparation et de définir leur point de fonctionnement optimal. L’influence d’une décharge à barrière diélectrique sur la charge triboélectrique et la séparation électrostatique de mélanges plastiques a été étudiée. Les travaux réalisés dans cette thèse ont confirmé la séparabilité électrostatique de mélanges de matériaux granulaires. / The experimental approach used in this thesis was aimed at the study of the feasibility of the electrostatic separation of a wide range of granular mixtures from waste electric and electronic equipment (conductive – insulator, conductive – conductive, insulator – insulator). Three physical mechanisms of electrical charging have been employed: electrostatic induction, corona discharge and triboelectric effect. A tribocharging device and two industrial electrostatic separators have been designed and engineered. The rotating cylinder tribocharging device allows the triboelectric charging of plastics. The industrial separator prototype was firstly built for processing conducting – insulator granular mixtures and then adapted for insulator – insulator separation. This prototype, which enables the use of all three electrical charging mechanisms, served as model for the CITF company first industrial electrostatic separator for the recycling of metals and plastics from electric cable wastes. Charge and mass measurement, as well as modelling and visualization of particle trajectories by a high-speed camera facilitated the investigations. Design of experiments method was used to define the influential factors and find the optimum operating conditions of the separation processes. Dielectric barrier discharge exposure of granular plastics may enhance the efficiency of the triboelectric charging of these materials and hence facilitate their electrostatic separation. These researches have confirmed the feasibility of the electrostatic separation of a wide variety of granular mixtures.

Plusieurs types de dispositifs mécaniques (à vibration, à cylindre tournant, à lit fluidisé) mettant en jeu l'effet triboélectrique sont actuellement utilisés pour charger électriquement les constituants des mélanges de matériaux isolants granulaires, en vue de leur séparation dans un champ électrique intense. La non-uniformité de la charge des granules à la sortie de ces dispositifs affecte l'efficacité de la séparation, d'où l'intérêt des recherches visant la mise au point de procédés électrostatiques nouveaux, notamment pour des applications dans le domaine du recyclage des déchets. L'utilisation simultanée de l'effet triboélectrique, de la force de Coulomb et de la force d'image électrique est la solution innovante selon laquelle ont été conçus les quatre dispositifs à lit fluidisés réalisés ou améliorés dans le cadre de cette thèse. L'évaluation des performances de ces dispositifs a été rendue possible par la mise en oeuvre de systèmes de mesure complexes, permettant l'enregistrement continu et simultané des charges et des masses des produits de la séparation. Ainsi, la méthode des plans d'expériences pour surfaces de réponse a pu être utilisée pour modéliser le processus de séparation et déterminer les valeurs optimales des variables de contrôle de chacun des dispositifs, tels que le niveau de la haute tension d'alimentation ou la vitesse de l'air de fluidisation. Les résultats obtenus sur les installations de laboratoire et sur un prototype préindustriel recommandent cette classe de procédés tribo-aéro-électrostatiques comme la solution de choix pour le recyclage des déchets granulaires d'équipements électriques et électroniques. / Several types of mechanical devices (vibratory trays, rotating drums, fluidized beds) make use of the triboelectric effect for electrically charge the constituents of insulating materials granular mixtures, in view of their separation in a high-intensity electric field. The non-uniformity of granule charge at the exit of these devices adversely affects the separation efficiency, justifying the researches aimed at the development of novel electrostatic processes, mainly for applications in the field of waste recycling. Simultaneous usage of the triboelectric effect, the Coulomb force and the electric image force is an innovative technical solution according to which four fluidized bed devices were built or improved within the framework of this thesis. The performances of these devices could be evaluated by setting up complex measurement systems that enable the continuous and simultaneous recording of the charges and masses of the separated products. Thus, the experimental design methodology could be used for modeling the separation process and identify the optimum values of the control variables of each device, such as the high voltage level of the speed of the fluidization air. The results obtained on laboratory devices as well on an semi-industrial pilot installation recommend this class of tribo-aero-electrostatic separation processes as the solution of choice for the selective sorting of plastics from waste electric and electronic equipment.

Traditional fabrication methods used to manufacture biosensors for physiological, therapeutics, or health monitoring purposes are complex and rely on costly materials, which has hindered their adoption as single-use medical devices. The development of a new kind of wearable and implantable electronics relying on inexpensive materials for their manufacturing will pave the way towards the ubiquitous adoption of sticker-like health tracking devices.<div>One of growing and most promising applications for biosensors is the continuous health monitoring using mechanically soft, stretchable sensors. While these healthcare devices showed an excellent compatibility with human tissues, they still need highly trained personnel to perform multi-step, prolonged fabrication for several functioning layers of the device. In this dissertation, I propose low-cost, scalable, simple, and rapid manufacturing techniques to fabricate multifunctional epidermal and implantable sensors to monitor a range of biosignals including heart, muscle, or eye activity to characterizing of biofuids such as sweat. I have also used these devices as an implant to provide heat therapy for muscle regeneration and optical stimulation of neurons using optogenetics. These devices have also combined with those of triboelectric<br>nanogenerators to realize self-powered sensors for monitoring imperceptible mechanical biosignals such as respiratory and pulse rate.</div><div>Food health and safety has also emerged as another important frontier to develop biosensors and improve the human health and quality of life. The recent progresses on detecting microbial activity inside foods or their packages rely on development of highly functional materials. The existing materials for fabrication of food sensors, however,<br>are often costly and toxic for human health or the environment. In this dissertation, I proposed biocompatible food sensors using protein/PCL microfibers to reinforce the protein microfibrous structure in humid conditions and exploit their excellent hygroscopic properties to sense biogenic gas, as an indicator for early detection of food spoilage. Finally, my battery-free food sensors are capable of monitoring food safety with no need of extra measurement devices. Collectively, this dissertation proposes cost-effective solutions to solve human health issues, enabled by developing low-cost, functional materials and exploiting simple fabrication techniques.<br></div>