Biohydrogels et composites pour la remédiation des métaux toxiques dans le cadre de l'économie circulaire

La contamination des milieux aquatiques par les métaux toxiques (cadmium, mercure, plomb, nickel, chrome, cuivre, zinc) représente un enjeu environnemental et sanitaire majeur en Europe, notamment en France où les normes strictes imposent aux industries de traiter leurs effluents. Les méthodes conventionnelles de dépollution, comme la précipitation, l'extraction liquide/liquide ou l'adsorption sur charbon actif, présentent des limites (coûts élevés, faible sélectivité, inefficacité à basse concentration, production de résidus toxiques). Dans ce contexte, les biohydrogels à base de biopolymères émergent comme une alternative prometteuse, grâce à leur biodégradabilité, leur sélectivité et leur capacité à adsorber efficacement les métaux lourds par des groupes fonctionnels et une structure poreuse hydrophile. Cependant, leur application est limitée par une faible résistance mécanique, particulièrement pour les polymères naturels. Ce projet propose une approche innovante pour surmonter ces défis, en combinant science des matériaux, chimie des polymères et analyse avancée des données. L'originalité réside dans la conception de biohydrogels renforcés par des réseaux polymères semi-interpénétrés ou réticulés, intégrant des charges fonctionnelles (oxyde de graphène, particules magnétiques, silice) pour optimiser à la fois les propriétés mécaniques et l'efficacité d'adsorption. Trois objectifs principaux structurent la recherche : 1. Conception et caractérisation de biohydrogels avancés : sélection et fonctionnalisation de biopolymères (chitosan, alginate, etc.) en fonction de leur affinité avec les métaux cibles, suivie d'une optimisation de leur réticulation et d'un renforcement par des charges ou des polymères compatibles. Les matériaux seront caractérisés par des techniques de pointe (FTIR, XPS, MEB, MET). 2. Évaluation des performances d'adsorption : tests en milieu contrôlé pour étudier l'influence du pH, de la température et des ions compétitifs, ainsi que l'analyse de l'homogénéité de l'adsorption via des techniques comme la spectrométrie d'émission atomique de plasma induit par laser (LIBS) en collaboration avec l'Université de la Corogne. L'étude portera également sur des effluents complexes, reflétant les conditions industrielles. 3. Corrélation entre structure et propriétés : analyse des propriétés rhéologiques, morphologiques (traitement d'image par IA, réseaux de neurones UNET) et structurales (SAXS) pour établir des modèles prédictifs reliant la microstructure des hydrogels à leur capacité d'adsorption. L'originalité du projet repose sur une approche pluridisciplinaire, combinant élaboration de matériaux, caractérisation avancée et modélisation par intelligence artificielle. L'utilisation de réseaux de neurones pour l'analyse d'images MEB et la collaboration internationale pour des analyses LIBS innovantes permettent d'envisager une compréhension fine des mécanismes d'adsorption et une optimisation ciblée des matériaux. Enfin, ce projet s'inscrit dans une démarche d'économie circulaire, en proposant des solutions durables et valorisables pour la dépollution des eaux. École doctorale : Physique en Ile de France Direction : Alain PONTON Financement : Concours pour un contrat doctoral