4.2.1 Composés étudiés
Dans cette partie nous avons étudié les acides humiques provenant d’Aldrich (et purifiés selon la méthode présentée dans le chapitre introductif) et les acides humiques de la Suwannee River. Les acides fulviques ainsi que la matière organique de la Suwannee River ont également été analysés. Toutes ces substances humiques seront comparées à l’acide polyacrylique (sous forme de polyacrylate de sodium) à deux masses molaires différentes : 5100 et 2100 g/mol. Le PAA ainsi que les substances humiques de la Suwannee River ont été utilisés sans aucune purification supplémentaire.
4.2.2 Méthodes expérimentales
Les substances humiques et le PAA ont été étudiés en solution sans sel ajouté et à différents pH par trois différentes méthodes expérimentales complémentaires : la conductimétrie haute précision, la microscopie à force atomique (AFM) et la diffusion de lumière dynamique (DLS). Pour chaque méthode, nous avons travaillé dans une gamme de concentration adéquate afin de pouvoir distinguer les tailles individuelles des nanocolloïdes et également éviter un trop grand nombre d’agrégats.
Conductimétrie haute précision
Les expériences de conductivité ont été effectuées à 25±0,1˚C et la conductance mesurée à l’aide d’un pont Wayne Kerr 6425A. La constante de la cellule utilisée est de 0,1739 ± 0,001 cm−1. En pratique, la solution initiale est à une concentration relativement élevée en nanocol-loïdes (environ 10 g.L−1). Le pH des solutions a été ajusté en ajoutant de petites quantités de NaOH concentré. Les solutions sont alors laissées à équilibrer pendant 12h avant toute mesure. La solution initiale est alors progressivement diluée avec une solution de NaOH au même pH que la solution initiale jusqu’à atteindre une concentration en nanocolloïdes aux alentours de 0,1 g.L−1.
Les expériences de conductimétrie ne peuvent pas être réalisées pour des concentrations en nanocolloïdes en dessous de 0,05 g.L−1 car, à ces concentrations, la conductivité due aux ions Na+et OH−est bien supérieure à celle des nanocolloïdes. Toutes les solutions ont été préparées par pesée. La densité de chaque solution a été mesurée pour convertir les molalités en molarités. La masse moléculaire des substances humiques a également été estimée par densimétrie. La densité relative des acides humiques en solution a été évaluée à dHA=1,45. La masse volumique
d’une particule d’acide humique s’écrivant de la manière suivante : ρHA = wparticule AH
Vparticule AH
avec wparticule AH et Vparticule AH, respectivement la masse et le volume d’une particule d’acide humique. Si l’on suppose que les acides humiques ont une forme sphérique, la masse molaire MHAd’une particule d’AH devient [14] :
MHA = ρHA· NA· 4/3 · π · R3 HA
avec RHAle rayon d’une particule d’acide humique. La même méthode a été utilisée afin d’es-timer la masse molaire moyenne des particules d’acides fulviques et de la matière organique.
D’un point de vue pratique, les valences des petits ions (Na+ou OH−) et leur coefficients de diffusion à dilution infinie ont été tirés de la littérature [72]. La taille et la charge des espèces sont considérées comme constantes quelle que soit leur concentration. La charge effective zeff des colloïdes (AH, AF, MON ou PAA) intervient dans l’équation (3.1). Cette charge est ajustée afin de reproduire les points les plus dilués de la conductivité expérimentale. En effet, dans des conditions diluées, la théorie MSA-transport tend vers la loi limite de conductivité en√
C. A ces faibles concentrations, les corrections dues aux termes d’interaction de sphères dures correspondant à la taille finie des colloïdes sont négligeables. Une fois que la charge effective a été fixée, le rayon du colloïde- et donc son coefficient de diffusion selon la relation de Stokes-Eintein (2.1)- est ajusté afin de reproduire les autres points expérimentaux.
Les résultats obtenus par cette technique sont présentés dans la troisième partie de ce cha-pitre.
Diffusion de lumière dynamique (DLS)
Les expériences de DLS ont été effectuées à 25˚C à l’aide d’un NanoZS Zetasizer (Malvern Instruments Ltd, UK). Cette technique nous permet de déterminer le rayon hydrodynamique de colloïdes mais est très sensible aux agrégats et aux poussières. Ainsi les échantillons à étudier ont été filtrés avant les différentes mesures. Les solutions d’acide polyacrylique (5100 g/mol) et d’acides fulviques ont des concentrations comprises entre 5 et 15 % en masse et un pH d’environ 7 et ont été filtrées sur des filtres ayant une taille de pore de 20 nm (Whatman).
Cette méthode n’a pas pu être appliquée à la filtration des acides humiques car ceux-ci restent adsorbés de manière irréversible sur le filtre. Ainsi, les AH ont été filtrés par dialyse afin d’enlever la majorité des agrégats et des poussières. Une solution d’AH Aldrich purifiés à une concentration de 38,6 g/L et de pH=6,5 est versée dans un sac de dialyse ayant un seuil de coupure de 6000 - 8000 Da. Cette membrane est ensuite placée dans un bain contenant un
grande quantité de NaCl afin de diminuer la pression osmotique et d’éviter le gonflement du boudin de dialyse. Les molécules d’AH ayant une masse inférieure à 8000 Da peuvent diffuser dans la solution extérieure. Quand l’équilibre est atteint, la solution extérieure contenant les "petits" AH est placée dans une seconde membrane de dialyse ayant cette fois ci un seuil de coupure de 100 Da. Cette seconde membrane est placée dans un bain extérieur contenant 20 % en masse de polyéthylène glycol (PEG - 35 kDa). Le rôle de ce polymère est d’appliquer une compression osmotique sur la membrane afin de concentrer la solution intérieure contenant les acides humiques. Cette étape nous permet également de dessaler la solution intérieure.
La solution finale a une concentration en AH de 4,8 g/L et de 0,3 mol/L en NaCl. Cette concentration en AH a été déterminée par spectrométrie UV-visible après calibration. Pour les expériences de DLS, la solution finale est diluée 20 fois avec de l’eau déionisée. La solution contient donc alors 0,24 g/L d’acides humiques et 0,015 mol/L de NaCl.
Que ce soit pour les AH, AF ou le PAA, la concentration finale après filtration se situe entre 0,2 et quelques g/L. En dessous de ces concentrations, l’intensité diffusée est trop faible pour être mesurée. D’un autre côté, si les échantillons sont trop concentrés, l’intensité est alors principalement due aux agrégats (l’intensité diffusée est proportionnelle au rayon des particules à la puissance 6).
Microscopie à force atomique (AFM)
Pour les expériences d’AFM, les acides humiques et fulviques ont été diluées dans de l’eau déionisée à une concentration de 1 mg/L et le pH a été ajusté par ajout de soude concentrée. Une goutte de 5 µL de solution est ensuite déposées sur une surface de mica clivée (1 cm2) et laisser à évaporer à environ 50˚C dans une boîte de Petri.
Les images ont été enregistrées en mode oscillant à l’aide d’un microscope Nanoscope III (Digital Instruments). Une description détaillée de cette technique a été faite dans le chapitre 2. Pour l’AFM, les concentrations sont très faibles comparées à celles utilisées pour les ex-périences de conductimétrie et de DLS mais comme il y a une phase d’évaporation du solvant avant la mesure, il est important d’avoir une concentration suffisamment basse pour éviter les agrégats. En effet, pour des concentrations en solutions supérieurs à 10 mg/L, il ne nous est plus possible de voir la surface du mica. Dans ces conditions, une mesure précise de la hauteur des particules devient alors impossible.