Nanotechnologies et matériaux de construction : mécanismes de relargage des nanomatériaux durant l’utilisation et la dégradation des ciments photocatalytiques

Nanotechnologies and building materials : nanomaterials release mechanisms during their use and photocatalytic cement degradation

• Auteur / Autrice : Nathan Bossa
• Direction : Jérôme Rose, Perrine Chaurand, Olivier Aguerre-Chariol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 22/05/2015
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de l'environnement (Aix-en-Provence)
• Jury : Président / Présidente : Roland Jean-Marc Pellenq
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Rose, Perrine Chaurand, Olivier Aguerre-Chariol, Bernd Nowack, Christophe Geantet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roland Jean-Marc Pellenq, Bernd Nowack

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détérioration

Ciment

Diffusion (physique)

Tomographie

Porosité

Nanoparticules

Mots clés libres

Ciment photocatalytique

Nano tomographie

Porosité

Dégradation

Relargage de nanomatériaux

Photocatalytic cement

Nano-Tomography

Porosity

Degradation

Nanomaterial release

Résumé

La production à l'échelle industrielle et la diversité d'utilisation des nano-objets manufacturés, leurs agrégats et agglomérats (NOAA) et leur possible libération dans l'environnement aquatique naturel ont conduit à une préoccupation croissante parmi la communauté scientifique des sciences de l'environnement et des nanotechnologies. Parmi eux, les ciments photocalytiques sont basés sur la propriété photocatalytique de NOAA-TiO2 ajoutés dans la matrice du ciment. Lors de l'exposition au rayonnement UV, les NOAA-TiO2 provoquent l‘oxydation (i.e. dégradation) des composés adsorbés à la surface du ciment. Sa validation environnementale est requise, en termes d'impacts et risques associés à l'incorporation des NOAA-TiO2. Le but de cette étude est de déterminer les mécanismes de relargage des NOAA-TiO2 incorporés dans le ciment autonettoyant durant le processus de vieillissement et d’identifier les paramètres qui pourraient le contrôler. Les éléments relargués (fractions particulaires et solubles) et leurs cinétiques ont été quantifiés par ICP-OES et caractérisés par MET. Nous avons ensuite analysé la phase solide (du cœur à la couche altérée) en utilisant plusieurs techniques aux rayons X, la DRX (diffraction des rayons X), μ-XRF (micro X-Ray spectroscopie) et une combinaison sans précédent de nano et micro X-ray tomographie pour effectuer une caractérisation complète de la matrice du ciment altéré comprenant la structure de pores.

The industrial scale production and wide variety of applications of manufactured nano-object, their aggregates and agglomerates (NOAA) and their possible release into the natural aquatic environment have produced an increasing concern among the nanotechnology and environmental science community.Among them, the photocatalytic cements are based on the photocatalytic property of TiO2-NOAA added in the cement matrix. During continuous UV radiation exposure, TiO2-NOAA lead to the oxidation (i.e. degradation) of compounds adsorbed at the cement surface. Such NOAA application in building construction is promising as it exhibits improved properties but its environmental validation (in terms of impacts and risks associated with the incorporation of TiO2 NOAA) is also required.The aim of this study is to determine the mechanisms of TiO2-NOAA release from a self-cleaning cement during aging process and to identify cement parameters controlling it.. The elements released (particulate and soluble fractions) and their kinetic were quantified by ICP-OES and characterized with TEM. We analyzed the solid phase (core to altered layer) using several X-ray based techniques: XRD (X-Ray Diffraction), µ-XRF (micro X-Ray Spectroscopy) and an unprecedented combination of nano and micro X-ray computed tomography to perform a original and omplete altered cement matrix characterization including pore structure.