Développement de matériaux innovants à base d’élastomère de silicone pour l’échantillonnage passif de pesticides dans les eaux de surface et de subsurface

Development of innovative silicone rubber based materials for passive sampling of pesticides in surface and subsurface waters

• Auteur / Autrice : Alexis Martin
• Direction : Jérôme Randon, Christelle Margoum
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Environnement
• Date : Soutenance le 05/12/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France). Centre de Lyon-Villeurbanne
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Chovelon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ian Allan, Anne Togola, Marina Coquery
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Enrique Barriuso, Hélène Budzinski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Environnement -- Échantillonnage

Pesticides

Composites

Élastomères

Mots clés libres

Elastomère de silicone

Matériau composite

Pesticides

Rivières

Échantillonnage passif

Silicone rubber

Composite material

Pesticides

Rivers

Passive sampling

Résumé

L'échantillonnage passif intégratif est de plus en plus reconnu comme une alternative à l'échantillonnage ponctuel pour la mesure des concentrations de micropolluants organiques dans les milieux aquatiques. Cette technique combine l'étape d'échantillonnage et de préconcentration in situ pour délivrer une concentration intégrée sur la durée d'exposition de l'échantillonneur passif (EP). Une des limitations principales de l'échantillonnage passif est la sélectivité imposée par la phase réceptrice pour une classe de contaminants restreinte (hydrophobes ou polaires). Ainsi, il est à l'heure actuelle nécessaire d'employer plusieurs EP pour mesurer des concentrations en pesticides caractérisés par une large gamme de polarité. L'objectif principal de cette thèse s'inscrit dans une démarche de développement de phases réceptrices pour l'échantillonnage passif de pesticides dans les milieux aquatiques. Afin de répondre à ce défi, nous avons sélectionné et formulé des matériaux pour la sorption de 28 pesticides aux propriétés physico-chimiques variées par le biais de tests en laboratoire. Nous avons d'une part sélectionné un élastomère de silicone de la marque Goodfellow® parmi 7 autres élastomères de silicone à partir de tests en laboratoire sur des critères de sorption. Nous avons démontré que les élastomères de silicone ont une forte affinité pour les pesticides plutôt hydrophobes, tout en accumulant également des pesticides polaires. Des propriétés de sorption différentes ont été identifiées selon leur formulation et un mécanisme d'adsorption est suspecté pour certains pesticides. D'autre part, nous avons formulé et testé plusieurs matériaux composites innovants dont le plus performant, renommé PACSiR, combine les propriétés de sorption d'un élastomère de silicone et d'un copolymère poreux (Oasis ® HLB). Nous avons mis en évidence que le PACSiR a des propriétés mécaniques adaptées pour une exposition directe dans le milieu aquatique et permet de capter une gamme de pesticides élargie vers les pesticides plus polaires par rapport à un élastomère de silicone. Ces deux matériaux ont été calibrés en laboratoire en tant qu'EP (TS à base de silicone et TSP à base de PACSiR), sous forme de tiges de petite dimension, afin de déterminer les constantes cinétiques d'accumulation et d'étudier l'impact de la vitesse de courant. Enfin, nous avons appliqué les TS et TSP dans des eaux de surface et de subsurface afin d'en évaluer et comparer les performances dans des situations contrastées d'exposition. La gamme d'utilisation de chaque EP en termes de polarité des pesticides a pu être définie (TS : 3 < log Kow < 5,5 et TSP : 2 < log Kow < 5,5.). Les concentrations en pesticides intégrées sur la durée d'exposition sont équivalentes à un échantillonnage d'eau moyenné au temps et les incertitudes sont du même ordre de grandeur sur les concentrations calculées. Ces EP ont permis de détecter des insecticides organophosphorés faiblement quantifiés par d'autres techniques de prélèvement d'eau. Nous avons démontré leur capacité à intégrer des pics de contamination fugaces en pesticides dans des contextes agricoles variés

Time integrative passive sampling is more and more accepted as an alternative to grab sampling for measurement of organic micropollutants concentrations in aquatic environment. This technique offers the advantage to provide a concentration integrated over the deployment period of the passive sampler and to reduce limit of quantification by combining sampling and in situ pre-concentration steps. The main limitation of passive sampling is the selectivity of the receiving phase for a restricted class of contaminants (hydrophobic or hydrophilic). In this way, we need to deploy several passive samplers for sampling of pesticides covering a wide range of polarities. The aim of this thesis was to develop a receiving phase for passive sampling of pesticides in a single step in aquatic environment.We selected and developed materials for sorption of 28 pesticides with varied physicochemical properties by laboratory tests. The two selected and studied materials were a silicone rubber and a porous copolymer (Oasis ® HLB). Indeed, we shown that silicone rubber have strong affinity for hydrophobic pesticides but they also accumulate polar pesticides. We identified different sorption properties of silicone rubbers owing to their formulation and a possible adsorption mechanism for some pesticides. The composite material developed had mechanical properties adapted for a direct exposition in the aquatic environment and accumulates a range of pesticides expanded for more polar pesticides. These two materials were then shaped as rods for a simple in situ deployment and recovery of pesticides in laboratory. They have been calibrated as passive samplers by studying the impact of flow velocity on uptake kinetic parameters. In situ applications of passive samplers in surface and subsurface waters made it possible to calculate time integrated concentrations of pesticides over a duration exposure of one week. Moreover, we detected organosphorous insecticides underquantified by other techniques of water sampling. They also showed a capacity to integrate short peak contamination of pesticides in various agricultural contexts