Thèse Elaboration de Matériaux Poreux et Développement d'Échantillonneurs Passifs par Adsorption - Désorption pour la Mesure de la Pollution Environnementale H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Savoie Mont-Blanc École doctorale : Sciences Ingénierie Environnement Laboratoire de recherche : Environnements, Dynamiques et Territoires de la Montagne Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 Un des objectifs de ce travail est d'élaborer des matériaux de porosité multi-échelle à base de biopolymères (chitosane, alginate) et d'additifs (sels, oxydes métalliques poreux, oxyde de graphène, carbones activés, des réseaux métallo-organiques : MOFs: Metals Organic Frameworks) à l'aide de procédés de synthèse issus de la chimie verte. La chimie de surface des matériaux sera adaptée afin de permettre l'adsorption et la désorption réversible de molécules de polluants environnementaux. Seront ciblés des microorganismes tels que les norovirus, des micropolluants organiques (molécules pharmaceutiques, pesticides, ...) et des métaux lourds polluants. Les matériaux seront préparés sous forme de billes et films, leur synthèse sera optimisée afin d'améliorer leurs propriétés mécaniques (durabilité), leur facilité d'utilisation, de récupération, et leur déploiement dans des dispositifs d'échantillonnage passifs. La caractérisation fine des matériaux (texture, structure, chimie de surface) par des techniques classiques de l'analyse des solides (microscopie électronique à balayage, microanalyse X (EDS), analyse élémentaire, spectroscopie infrarouge et de photoélectrons X (XPS), adsorption-désorption de gaz, etc.) aura pour but de relier leurs propriétés texturales et chimiques à leurs propriétés d'adsorption/désorption des polluants et microorganismes cibles. Les matériaux seront testés en laboratoire dans différentes conditions (cinétiques, isothermes d'adsorption), afin de mieux comprendre les mécanismes d'adsorption/désorption des composés cibles. Les matériaux les plus performants seront testés pour l'adsorption dynamique sur le terrain via des dispositifs d'échantillonnage passif (colonnes, chambres, films etc.). Des campagnes d'échantillonnage sur différentes sites (station de traitement des eaux usées, grottes), permettront de déterminer les performances des capteurs passifs et d'analyser les pollutions mises en jeux (dans les eaux de surface et souterraines) sur des périodes variées afin de mieux connaître leur évolution saisonnière. Dans le cadre de l'Agenda mondial de l'eau présenté lors de la Conférence des Nations unies sur l'eau de 2026 (https://sdgs.un.org/conferences/water2026), les participants ont souligné la nécessité de multiplier les efforts en termes de prévention de la pollution et traitement de l'eau, pour répondre à la demande mondiale croissante en eau de qualité. L'objectif de développement durable n°6 (ODD6 : Garantir l'accès de tous à l'eau et à l'assainissement et assurer une gestion durable des ressources en eau) figure parmi les objectifs nécessitant une action la plus urgente en raison de son rôle fondamental pour la santé, le bien-être et le développement durable. L'ODD n°3 (ODD3 : Donner aux individus les moyens de vivre une vie saine et promouvoir le bien-être à tous les âges) est naturellement étroitement lié à l'ODD6.
Malgré la mise en oeuvre de procédés de traitement de plus en plus performants, de nombreux composés chimiques (molécules pharmaceutiques, pesticides, solvants, métaux, etc.) et microorganismes (bactéries et virus, souvent pathogènes pour l'Homme) persistent à l'état de traces (de l'ordre du ng/L à mg/L) à la sortie des stations d'épuration (Aemig et al., 2021). Ces composés et microorganismes sont ensuite dispersés dans l'environnement, souvent véhiculés par l'eau, mais aussi par les différentes activités humaines. Ils sont détectables dans des environnements variés : lacs, rivières, eaux souterraines (Edwards et al., 2019) et même dans des grottes où leur présence peut être reliée à des activités avoisinantes telles que l'agriculture, l'élevage ou le tourisme (Alaoui-Sosse et al., 2023).
La dissémination de ces composés dans l'environnement soulève des préoccupations en matière de santé publique. Alors que les virus sont susceptibles de provoquer des maladies diverses chez l'Homme (troubles respiratoires, gastroentérites, etc.), la persistance de micropolluants organiques (molécules pharmaceutiques, pesticides, etc.) et composés métalliques (Cd, Cu, Zn, etc.) de toxicité avérée est responsable de nombreux maladies graves (cancers, troubles neurologiques) au sein des populations exposées (Ijaz at al., 2022) et du décès prématuré de très nombreuses personnes. En plus de leur impact important au niveau de la santé publique, les expositions à ces divers composés ont des répercutions avérées au niveau socio-économique (arrêts de travail, coûts liés aux soins de personnes).
Dans l'attente de solutions technologiques et de traitements adaptés (déploiement de traitements quaternaires efficaces au sein des unités de traitement des eaux), le suivi de la contamination des eaux par ces molécules et organismes résiduels constitue un outil indispensable afin de surveiller leur propagation au sein des populations. Ce suivi se fait classiquement par échantillonnage actif (prélèvement puis analyse ponctuelle de l'eau). La mise en place d'une méthode alternative, via un échantillonnage passif (adsorption et concentration des composés cibles sur un matériau poreux suivi de leur désorption et analyse), offre l'avantage de pouvoir intégrer temporellement une pollution et permet, grâce à l'accumulation des composés cibles, d'analyser et quantifier les agents polluants (Gibeaux et al., 2025) in situ sur le terrain environnemental étudié, sans prélèvement d'une grande quantité du milieu contaminé.
L'objectif de ce sujet de thèse s'inscrit dans ce cadre car elle se concentre sur la détection des principaux types de polluants dans les écosystèmes aqueux. Il conviendra d'élaborer et mettre en forme divers matériaux, capable de capter des microorganismes et composés chimiques par adsorption, puis aptes à les désorber afin d'en assurer une analyse qualitative et quantitative.
La recherche menée visera à rendre la détection micropolluants (métaux lourds et composés organiques volatils) et microorganismes (virus modèles non pathogéniques pour l'Homme) plus rapide et plus efficace grâce à des méthodes originales d'échantillonnage passif, notamment :
- en développant des matériaux aux propriétés d'adsorption améliorées voire spécifiques et en atteignant des limites de détection plus basses, ce qui permet une réduction plus efficace de la pollution.
- en mettant en oeuvre des systèmes plus accessibles (éventuellement grâce à des appareils portables) permettant de surmonter les limites des méthodes de laboratoire coûteuses et chronophages. Il s'agit d'une avancée significative même pour les pays développés, où ces limites entravent considérablement la mise en place de mesures d'atténuation efficaces et en temps opportun.
Un accent particulier sera mis sur l'échantillonnage passif des eaux en sortie d'Usine de Dépollution des Eaux Polluées et dans les eaux souterraines, qui constituent un indicateur de la pollution extérieure. La méthodologie suivante sera mise en oeuvre afin d'atteindre les objectifs fixés.1. Préparation des matériaux adsorbants

Le choix des matériaux synthétisés et des supports d'adsorption se basera sur une étude bibliographique et sur les résultats antérieurs obtenus par l'équipe encadrante sur la mise en forme de polysaccharides biosourcés (Lakehal et al., 2019 ; Raval et al., 2025). Les travaux se concentreront sur la préparation de matériaux poreux multi-échelles afin de garantir des capacités d'adsorption élevées grâce à une diffusion rapide vers les sites actifs, tout en favorisant la désorption facile des polluants.
Les matériaux adsorbants seront préparés à l'aide de procédés de synthèse issus de la chimie verte, à partir de solutions de biopolymères (chitosane et alginate, par exemple). Les solutions seront mises en forme par granulation ou moulage puis gélifiées par immersions au sein de solutions coagulantes (hydroxyde de sodium, poly phosphate, etc.) pour obtenir des hydrogels de forme particulière (billes, films, mousses, etc.). L'ajout d'additifs (sels, oxydes métalliques poreux, oxyde de graphène, carbones activés, Metal Organic Frameworks : MOFs) permettra un renforcement mécanique et favorisera l'adsorption grâce à la modification des propriétés physico-chimiques des adsorbants, notamment des charges et fonctionnalités de surface, ainsi que de leur porosité. Les carbones activés incorporés seront préparés à partir de biomasse (Briton Bi et al., 2020 ; Reinert et al., 2025), les oxydes poreux seront synthétisés par décomposition thermique ou traitement hydrothermal de gels issus de sols d'alcoxydes métalliques, tandis que les MOFs seront obtenus par des méthodes solvothermales, déjà décrites dans la littérature et respectant les principes de la chimie verte (Poblocki et al., 2022). Les oxydes ajoutés in-situ aux solutions de polysaccharides pourront également jouer le rôle de structurant (méthode de nanomoulage) pour générer de la porosité suite à des traitements thermiques adaptés (air ou O2, 400 - 900°C). L'échelle de porosité constitue en effet un paramètre clé orientant fortement les interactions adsorbant/adsorbat. Des matériaux imprimés, permettant une sélectivité plus élevée, seront préparés en incluant les micropolluants ciblés dans la solution précurseur et en les extrayant entièrement avant l'utilisation des matériaux d'échantillonnage. La fonctionnalisation des hydrogels sera mise en oeuvre pour faciliter l'adsorption ou la désorption spécifique des micropolluants et microorganismes ciblés.
Les hydrogels de polysaccharides élaborés pourront être pyrolysés (N2, 500-900 °C) afin d'obtenir des carbones activés poreux contenant des nanoparticules d'oxydes, idéalement ayant conservé la forme des hydrogels précurseurs. L'imprégnation des carbones activés préparés par des sels métalliques suivie d'une pyrolyse pourra aussi permettre de générer des nanoparticules supportées sur ces carbones poreux et d'accroitre les interactions avec les virus entériques (Delafosse et al., 2022). On cherchera par ailleurs à fabriquer des oxydes ou métaux possédant des propriétés particulières (Fe3O4 par exemple) afin d'envisager une récupération aisée des matériaux grâce à leurs propriétés magnétiques. La préparation à grande échelle des billes sera réalisée à l'aide d'un pilote de granulation à jet vibrant à l'échelle semi-industrielle, disponible au laboratoire EDYTEM.

2. Caractérisation des matériaux adsorbants

Les matériaux élaborés seront finement caractérisés du point de vue structural et textural. L'adsorption physique de molécules de gaz sondes (N2 et CO2) permettra d'explorer la nano-texture des adsorbants et de définir précisément leur distribution en taille de pores. Leur structure atomique sera étudiée par diffraction des rayons X. A l'échelle mésoscopique et macroscopique, elle sera observée par microscopie électronique à balayage. L'analyse qualitative et quantitative de la fonctionnalité chimique des matériaux adsorbants sera mise en oeuvre en corrélant les études par spectroscopies de photoélectrons X et infrarouge, analyse chimique élémentaire, des dosages potentiométriques de type acido-basiques (détermination du pH de charge nulle et de la nature des fonctions de surface). Les charges de surfaces des matériaux seront mesurées par zêtamétrie. Les matériaux élaborés seront aussi caractérisés par analyse thermogravimétrique et calorimétrie différentielle à balayage afin de déterminer leur comportement thermique. Ils seront analysés avant et après adsorption, pour étudier et comprendre leurs interactions avec les adsorbats. L'analyse fine de la surface des adsorbants par microscopie à force atomique permettra d'apporter des éléments de compréhension sur les différentes interactions aux interfaces adsorbant/adsorbat.

3. Application pour l'adsorption de micropolluants (métaux lourds et composés organique volatils) et microorganismes (virus non pathogènes pour l'Homme)

Les résultats des caractérisations en laboratoire des matériaux élaborés permettront de sélectionner les meilleurs candidats, en fonction de leurs propriétés physico-chimiques et de leurs potentiels d'adsorption/désorption (grande surface spécifique, chimie de surface adaptée), de l'adéquation de leurs structures poreuses (distribution de taille des pores) avec la dimension des adsorbats cibles, de leur tenue mécanique et durabilité dans le milieu naturel dans lequel le futur échantillonneur sera déployé, ainsi que de leur simplicité de récupération. Leur efficacité sera testée pour l'adsorption de micropolluants organiques (micropolluants pharmaceutiques), cations métalliques et de virus modèles non pathogènes pour l'Homme (par exemple des norovirus murins, et bactériophages). Les propriétés d'adsorption et désorption des matériaux seront corrélées à leurs caractéristiques structurales et texturales.
Les cinétiques d'adsorption de ces composés cibles en milieu aqueux seront étudiées dans des eaux reconstituées de laboratoire, dans différentes conditions (concentration, pH, force ionique, température) et seront comparées à des modèles de la littérature afin de décrire l'interaction à l'interface adsorbant-adsorbat dans différentes conditions du milieu. L'étude des isothermes d'adsorption à différentes températures permettra de déterminer les paramètres thermodynamiques de l'adsorption (enthalpie, entropie, enthalpie libre d'adsorption) et contribuera à la définition des adsorbants les plus efficaces dans des conditions déterminées.
L'établissement au laboratoire des courbes de percée (adsorption dynamique en lit) permettra d'évaluer la performance des adsorbants au fil du temps et contribuera à la définition des temps de séjour des échantillonneurs passifs dans les milieux environnementaux naturels. La compétition à l'adsorption, sera étudiée en présence de matières organiques dissoutes et de matières en suspension, afin de se rapprocher des conditions de milieux environnementaux réels (eaux de rivière, eaux stagnantes souterraines). La désorption des composés cibles sera étudiée par différentes voies (élution, thermodésorption, microondes, etc.) et optimisée pour chaque famille d'adsorbat en fonction de ses spécificités et interactions avec l'adsorbant.
L'ensemble de ces études d'adsorption/désorption permettra une meilleure connaissance des interférences entre le matériau adsorbant et les composantes des milieux complexes dans lesquels il est susceptible d'être ultérieurement utilisé.

4- Déploiement des matériaux d'échantillonnage passifs

Les matériaux optimisés présentant les meilleures caractéristiques pour la détection et l'analyse des polluants et microorganismes ciblés seront sélectionnés pour des campagnes d'analyses sur le terrain. Ils seront conditionnés sous forme de colonnes d'adsorption (films ou réacteurs spécifiques) qui seront testées pour l'échantillonnage passif sur différents sites environnementaux (eaux de surface et souterraines polluées). Les matrices aqueuses dans lesquelles seront déployés les échantillonneurs passifs seront également caractérisées (conductivité, D.B.O, D.C.O, matières en suspension) afin de déterminer l'influence de leurs caractéristiques sur les capacités d'adsorption/désorption des matériaux. Les virus adsorbés seront quantifiés par analyse moléculaire (RT-qPCR). Les micropolluants organiques seront quantifiés par HPLC/MS/MS après thermo-désorption. Les polluants métalliques adsorbés seront quantifiés par ICP-MS, après dissolution du matériau adsorbant. La compréhension des mécanismes de l'adsorption permettra d'envisager et d'optimiser les moyens de récupération des molécules et microorganismes cibles (par élution, dissolution des matrices adsorbantes, utilisation de micro-ondes par exemple).
Leurs propriétés d'adsorption/désorption seront évaluées dans des environnements réels. Ils seront par exemple déployés dans les eaux usées de l'Usine de Dépollution des Eaux polluées de Grand-Chambéry (73-Chambéry) et dans les grottes d'Azé (71), dans l'objectif non seulement d'analyser la pollution (nature des molécules organiques, composés métalliques, agents pathogènes), de déterminer son étendue et sa fréquence d'occurrence, mais aussi de la relier aux sources de pollution extérieures telles que certaines activités anthropiques : l'agriculture, l'industrie, la santé humaine, l'élevage, le tourisme, etc.

- Profil recherché : Chimiste ou physico-chimiste ayant validé un Master 2 ou ingénieur chimiste. Des connaissances complémentaires en chimie des matériaux, chimie inorganique, en analyse (techniques d'analyse du solide, techniques chromatographiques, etc.) et chimie organique seront demandées. Une expérience et des connaissances en chimie verte représenteront un point positif supplémentaire pour la candidature. Une grande curiosité, une forte motivation, une bonne autonomie, un goût pour la prise de risque, un esprit d'ouverture, une capacité à travailler en équipe, de bonnes aptitudes à l'écrit comme à l'oral ainsi qu'un bon niveau en langue anglaise seront demandés.
- Candidature : envoi par mail à ****@****.** et ****@****.** d'une lettre de motivation, d'un CV complet, des résultats universitaires (notes et classements de Licence et Master) et d'au moins deux lettres de recommandation (encadrants de stage, responsables de filière).