Mécanismes de capture de nanoparticules magnétiques : application à la purification de l'eau

Mechanisms of magnetic nanoparticles capture : application to water purification

• Auteur / Autrice : Cécilia Magnet
• Direction : Georges Bossis, Pavel Kuzhir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/12/2013
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de la matière condensée (Nice) - Laboratoire de physique de la matière condensée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georges Bossis, Pavel Kuzhir, Fernando Gonzalez-Caballero, Sandris Lacis, Agnès Bee
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ladislau Vekas, Fernando Gonzalez-Caballero

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pollution de l'eau -- Lutte contre

Séparation magnétique

Mots clés libres

Séparation magnétique

Ferrofluide

Transition de phase

Dépollution de l'eau

Magnetic separation

Ferrofluid

Phase transition

Water decontamination

Résumé

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.