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Doctorant (H/F) dont le travail portera sur l'étude et le développement d'une technique de captation de microplastiques en milieu aqueux basée sur un couplage électrostatique/micro-fluidique

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : mardi 31 janvier 2023

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Informations générales

Référence : UMR5214-PETNOT-001
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : MONTPELLIER
Date de publication : lundi 9 janvier 2023
Nom du responsable scientifique : Petru NOTINGHER et Philippe COMBETTE
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 février 2023
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Contexte. Les microplastiques (particules de taille inférieure à 5 mm) proviennent de la dégradation de déchets (bouteilles, emballages…) et de l'abrasion d'objets du quotidien (semelles, filets de pêches, pneus, terrains synthétiques, vêtements…). Elles sont également dispersées dans l'environnement en tant que microbilles lors de pertes dans les transports ou lors du stockage de matières premières. Environ 150 000 tonnes de microplastiques sont émises chaque année en France, la majorité transitant vers la mer via les cours d'eau et les vents. Ces particules ont des effets néfastes autant pour l'environnement que pour la santé humaine. Ainsi, les microplastiques de taille < 150 µm peuvent pénétrer facilement dans le corps et être transportées par le sang dans la plupart des organes (en particulier le cerveau). Par leur nature, ils contiennent des perturbateurs endocriniens, responsables (entre autres) de cancers, de troubles hormonaux et d'inflammations, pour lesquels le coût des soins médicaux dépasse 26 Mds € au niveau de l'Europe. De plus, ces microplastiques ont une grande capacité à fixer les hydrocarbures et les métaux lourds, dont les effets négatifs sur la santé humaine n'ont plus à être démontrés. Lorsque l'on sait que chaque humain ingère, via la nourriture, l'eau et l'air, environ 5 grammes de microplastiques par semaine (soit l'équivalent d'une carte de crédit), la réduction drastique de cette pollution apparaît comme une nécessité évidente.
Etat de l'art. Les solutions utilisées actuellement pour filtrer les plastiques reposent essentiellement sur des procédés mécaniques, qui limitent la taille des particules récupérées à 200 µm (impossibilité pour l'eau de passer dans des maillages plus fins avec des pressions raisonnables, et colmatage très rapide du filtre). Des principes comme la centrifugation, l'extraction, l'adsorption, la sédimentation, la dégradation par des micro-organismes, les filtres multimédias, ou encore la séparation par tamis giratoire, sont utilisés pour séparer des petites particules. L'étude préalable de ces procédés a montré leurs limites, telles que la difficulté de mise en place en milieu naturel, l'encombrement du matériel, le colmatage et les difficultés d'adaptation aux microplastiques.
Objectifs scientifiques et technologiques. L'objectif de la thèse est de développer une technique permettant la récupération de microplastiques de taille inférieure à 200 µm en milieu aqueux. L'approche proposée est basée sur l'utilisation des propriétés diélectriques des particules et des phénomènes de nature électrostatique [1], triboélectrique [2], électrophorétique et diélectrophorétique [3-5], qui puisse permettre d'orienter ces particules vers une unité de stockage, idéalement sans action mécanique et sans limite de taille. La complémentarité avec des principes issus de la mécanique des fluides sera également étudiée afin de potentiellement optimiser la récupération. Le but des recherches est de mettre au point et de valider une solution viable de point de vue technique et adaptable à un déploiement à large échelle à travers la création d'une start-up.
Méthode. Les verrous scientifiques à lever durant le projet sont liés notamment aux masses et aux dimensions des particules visées, qui déterminent les forces mises en jeu et donc l'intensité et la fréquence des champs électriques à utiliser, à la technique de charge à employer éventuellement et aux propriétés diélectriques des matériaux et milieux. Les phénomènes électro-hydrodynamiques seront, dans un premier temps, abordés dans le contexte d'un milieu fortement hétérogène composé d'une phase aqueuse a priori polaire et de particules diélectriques solides dispersées. Le travail portera tout d'abord sur la caractérisation des matériaux concernés et sur la modélisation de leurs mouvements sous champ électrique, afin d'étudier la faisabilité des divers procédés et de dégager des pistes pour la mise en place de la solution à adopter. En parallèle, la structure géométrique du filtre sera étudiée afin de créer des effets de blocage hydrodynamique (à l'image du système de Tesla) permettant le contrôle de la circulation du fluide chargé dans un ensemble de canaux connectés. La ou les solutions identifiée(s) seront par la suite étudiées et optimisées, notamment par un couplage expériences/simulations.

Références
[1] S. Lindley, N. Rowson, Mg. El. Sep. 8, 1997, 101-113.
[2] A. V. M. Silveira, M. Cella, E. H. Tanabe, D. A. Bertuol, Proc. Saf. Env. Prot. 114, 2018, 219-228.
[3] A. Ramos, H. Morgan, N. G. Green, A Castellanos, J. Phys. D: Appl. Phys. 31, 1998, 2338-2353.
[4] A. Ramos, H. Morgan, N. G. Green, A. Castellanos, Jnl. Coll. Int. Sc. 217 (2), 1999, 420-422.
[5] H. Morgan, N. G. Green, AC Electrokinetics: colloids and nanoparticles, 2003.

Contexte de travail

Le travail aura lieu à l'Institut d'Electronique et des Systèmes (IES, UMR CNRS 5214), situé à Montpellier. Les activités de l'IES portent sur 5 axes thématiques (Matériaux, Énergie, Capteurs et instrumentation, Fiabilité et systèmes en environnement contraint, Photonique et ondes) associant 9 équipes de recherche. Les phénomènes diélectriques dans les matériaux et particules (en particulier les polymères) et leurs applications ainsi que les approches électro-hydrodynamiques aux micro-échelles constituent des sujets majeurs des équipes « Génie Électrique, Matériaux et Systèmes » et « Matériaux, Micro et Nanodispositifs », pour lesquelles elles bénéficient d'une forte reconnaissance internationale. Ces travaux, réalisés grâce à plusieurs thèses de doctorat, ont donné lieu à de nombreuses publications scientifiques (dont 61 RICL et 10 conférences invitées depuis 2016) et à 3 transferts technologiques depuis 5 ans. Le sujet s'inscrit naturellement dans les domaines de recherche de ces équipes, visant de nouveaux développements d'une thématique d'un grand intérêt sociétal et scientifique. Le doctorant ou la doctorante sera encadré(e) par deux enseignants-chercheurs ayant des compétences sur les deux domaines cités.

Contraintes et risques

Pas de risque particulier identifié.

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