Chapitre III Synthèse et caractérisation des billes
III.4 Méthode de synthèse de billes de biopolymère
Des billes de biopolymère peuvent être obtenues avec différentes méthodes, les trois les plus couramment utilisées sont :
Synthèse par extrusion : c’est une méthode qui consiste à faire tomber goutte à goutte une solution de polymère à l’aide d’une seringue dans un bain de réticulant dans lequel s’effectue la gélification. La réaction rapide entre le polymère et le réticulant à la surface permet de figer la forme sphérique de la goutte au sein de la solution. Le volume interne de la goutte gélifie par la suite au fur et à mesure de la diffusion du réticulant au travers de la surface de la bille en formation[78, 84, 114, 212]. Les billes obtenues sont homogènes en taille. Leur diamètre, généralement de l’ordre du millimètre, est ajusté en jouant sur différents paramètres, notamment le diamètre interne de l’aiguille et la distance entre l’aiguille et la solution de réticulant[213]. Cette technique est largement utilisée car elle est simple à mettre en œuvre[214].
Gélification d’un aérosol : cette méthode repose sur la pulvérisation d’une solution de polymère à l’aide d’un électro-spray. Les gouttelettes de taille micrométrique ainsi formées sont dirigées vers un bain contenant le réticulant afin de figer leur forme et leur taille[215].
Synthèse par émulsion : cette méthode repose sur la réticulation du polymère au sein d’une émulsion. La solution de polymère est dispersée au sein d’une phase hydrophobe en présence de tensioactifs. La formation de billes est obtenue en rajoutant un réticulant à la phase hydrophobe : la gélification des gouttes de solution de polymère est ensuite assurée par une réaction à l’interface des micelles. Les gouttes de l’émulsion servent de moule pour les gels d’alginate et on obtient des objets de taille micrométrique[216-219].
III.4.1 Synthèse des billes d’alginate et de chitosane
Dans le cadre de notre travail, les billes d’alginate et de chitosane magnétiques ont été préparées en utilisant une méthode par extrusion dont la mise en œuvre est simple. Dans ce cas, les billes sont de taille millimétrique, ce qui permet d’encapsuler facilement des agents supplémentaires pour modifier leurs propriétés.
91 Le choix du ferrofluide qui sera encapsulé dépend de la nature du polymère utilisé; il a été choisi de façon à ce que le signe de la charge des nanoparticules soit le même que celui de la charge du polymère pour éviter l’adsorption du polymère sur les nanoparticules afin de garder les sites actifs libres pour adsorber les polluants. Pour les billes de chitosane, un ferrofluide acide a été utilisé alors que pour les billes d’alginate, contenant des fonctions carboxylate, nous avons utilisé un ferrofluide citraté. Plusieurs synthèses de billes d’alginate et de chitosane ont été effectuées, nous donnerons le mode opératoire d’une synthèse modèle.
Synthèse des billes d’alginate
Nous avons choisi de réticuler l’alginate avec des ions calcium et dans ce cas, le gel se forme par échange ionique entre les ions calcium et les ions sodium de l’alginate de départ. Le protocole de synthèse des billes d’alginate (notées Alg) décrit dans la littérature[212] a été adapté à la synthèse de billes d’alginate magnétiques par A. Ngomsik[2] puis amélioré par V. Rocher durant sa thèse[3]. Les billes sont constituées d’une matrice alginate dans laquelle sont encapsulées des nanoparticules de maghémite fonctionnalisées par des ions citrate. Le mode opératoire détaillé est décrit ci-dessous et une photo du montage est présentée sur la figure III.8.
Préparation d’une solution d’alginate de sodium
3 g d’alginate de sodium sont dissous dans 200 mL d’eau distillée. Le mélange est agité avec un agitateur mécanique (moteur réglé à une vitesse de 450 tr.min-1
entrainant une palette en téflon) jusqu’à dissolution complète du solide. La solution d’alginate obtenue est translucide et visqueuse.
Préparation du mélange alginate de sodium/ferrofluide citraté
56,39 mL de ferrofluide citraté sont ajoutés à la solution d’alginate. L’ensemble est agité pendant deux heures pour obtenir un liquide marron foncé et visqueux. De l’eau distillée a été ajoutée pour avoir un volume total de 300 mL.
A ce stade, la concentration de l’alginate est de 10 g.L-1 et celle du fer de 0,25 mol.L-1.
Préparation des billes d’alginate
Le mélange alginate/ferrofluide est introduit dans une seringue munie d’une aiguille de diamètre interne 1,1mm. Grâce à un pousse-seringue qui permet d’avoir un flux régulier, le mélange est introduit goutte à goutte dans un bain de calcium (V=800mL ; C=0,5 mol.L-1). La distance qui sépare l’aiguille de la surface du bain est de 10 cm et le pousse seringue est réglé à 4,3 mL.min-1. On place un aimant près du bain de calcium pour attirer les billes et éviter leur coalescence lors de la gélification. Les billes obtenues sont laissées dans le bain de CaCl2 pendant 24h. La solution est aspirée à l’aide d’une trompe à eau et les billes sont lavées trois fois
avec 800 mL d’eau distillée sous agitation pendant 1h30min.
92 Figure III.8: montage expérimental pour la synthèse des billes magnétiques
Billes de chitosane
Le réticulant choisi est l’épichlorohydrine. La synthèse des billes de chitosane (notées Ch) a été effectuée en adaptant le protocole décrit par F. Zhao et al.[64]. Le ferrofluide utilisé ici est un ferrofluide constitué de nanoparticules de maghémite non fonctionnalisées dispersées dans une solution d’acide nitrique (pH~2). La charge positive des nanoparticules est alors due à la protonation des groupements hydroxyle présents à leur surface.
Préparation de la solution de chitosane
5g de chitosane sont dissous dans 250 mL d’eau distillée contenant 2,9 mL d’acide acétique (99,8%). Le mélange est agité mécaniquement (600 tr.min-1) à 50°C pendant 5h30min.
Préparation du mélange chitosane/ferrofluide
25,64 mL de ferrofluide sont ajoutés au mélange précédent. L’ensemble est agité pendant 2 heures.
A ce stade, la concentration en chitosane est de 18,1 g.L-1 et celle du fer de 0,2 mol.L-1.
Préparation des billes de chitosane
Le mélange est introduit dans une seringue et ajouté goutte à goutte dans 500 mL de NaOH (≈1 mol.L-1) avec un pousse-seringue.
Le diamètre interne de l’aiguille est égal à 0,8 mm, la distance aiguille-bain est de 10 cm et le pousse-seringue est réglé à un débit de 1 mL.min-1.
Les billes sont laissées dans le bain de soude pendant 2 jours. Elles sont ensuite séparées de la solution à l’aide d’un aimant.
Les billes sont lavées deux fois avec 200 mL d’eau distillée sous agitation pendant 30 min et pesées.
Réticulation des billes par l’epichlorohydrine (EPI)
Les billes sont placées pendant 2 heures à 50°C dans un bain contenant 500 mL de soude (≈2 mol.L-1) et de l’épichlorohydrine, (mEPI= 0,4 × masse(billes humides)).
Lavage des billes
Les billes sont lavées avec 500 mL d’éthanol pendant 30 min, puis avec de l’eau distillée (500 mL) jusqu’à élimination totale de l’épichlorohydrine en excès. Ceci est vérifié en effectuant un test avec AgNO3 dans les eaux de lavage, les ions Ag+ forment un précipité blanc avec les ions chlorure de l’épichlorohydrine.
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