Chapitre II : Matériel et méthodes
IV. Mise au point des techniques et des protocoles utilisés pour le fractionnement des colloïdes
IV.2. Ultrafiltration
IV.2.1. Principe
Le fractionnement des colloïdes par ultrafiltration frontale peut être effectué selon deux modes différents : le mode diafiltration ou le mode concentration.
Dans le fractionnement par diafiltration, le volume, dans la cellule de fractionnement, est maintenu constant. Pour cela, un flux continu d’échantillon est apporté dans la cellule et le volume du perméat (particules qui passent à travers la membrane) isolé est compensé par l’ajout d’une solution non polluante (c’est-à-dire par de l’eau ultrapure). Le rétentat (particules qui restent au-dessus de la membrane) est recyclé en retour dans le réservoir de la cellule de fractionnement avec l’échantillon ajouté par compensation.
Dans le mode concentration, l’échantillon à fractionner est poussé à travers la membrane par l’application d’une faible pression (<1,5 bar) (Buffle et Van Leeuwen, 1992;
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Wen et al., 1996). La concentration des colloïdes au-dessus de la membrane augmente avec le temps.
Lors de ce travail, le mode concentration a été préféré au mode diafiltration. En effet, en accord avec les travaux de Buffle (1988), l’ajout exigé d’une solution non polluante dans le mode diafiltration pour maintenir un volume constant dans la cellule de filtration peut provoquer des pertes pour beaucoup d’éléments métalliques et pour le COD, lesquels sont associés avec des macromolécules de poids moléculaires égaux ou plus petits que la limite de poids moléculaire nominal de la membrane.
Dans le but de minimiser les artéfacts causés par la coagulation des colloïdes à la surface de la membrane, de petits facteurs de concentration (3-13), et des faibles débits de 1,5 à 4,5 mL min-1 seront utilisés (Perret et al., 1994). De plus, une agitation douce sera appliquée sur la membrane pour réduire les effets de la concentration de polarisation due à la densification des macromolécules à la surface de la membrane (Burba et al., 1998).
IV.2.2. Protocole
L’ultrafiltration séquentielle est réalisée à partir de la fraction <0,22 µm en utilisant une cellule agitée 8200 Amicon® avec 5 types de membranes. Les tailles des membranes sont de 300, 50, 30, 10 (polyéthersulfone, Biomax PB, Millipore®) et 5 kDa (cellulose régénérée, Ultracel PL, Millipore®). Le gaz utilisé est de l’azote et la pression appliquée varie de 0,4 à 1,8 bar selon le poids moléculaire des membranes et la salinité de l’échantillon. A chaque étape, une partie du perméat est récupérée et acidifiée (pH ~ 2, HCl suprapur, Merck®) afin d’effectuer le dosage des métaux traces et de la matière organique réfractaire. La figure II-6 résume le protocole de filtration / ultrafiltration dans son ensemble pour le fractionnement des eaux estuariennes.
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Eau non filtrée
Filtrat
Filtrat
Une partie du filtrat acidifié pour l’analyse par SCP Perméat Rétentat 0,22µm-300kDa Perméat Rétentat 300kDa-50kDa Perméat Rétentat 50kDa-30kDa Perméat Rétentat 30kDa-10kDa Perméat Rétentat 10kDa-5kDa Membrane 300kDa Membrane 50kDa Membrane 30kDa Membrane 10kDa Membrane 5kDa Filtre 0,45µm Filtre 0,22µm
Une partie du filtrat acidifié pour l’analyse par SCP
Une partie du perméat acidifié pour
l’analyse par SCP
Une partie du perméat acidifié pour
l’analyse par SCP Une partie du perméat acidifié pour
l’analyse par SCP
Une partie du perméat acidifié pour
l’analyse par SCP Une partie du perméat acidifié pour
l’analyse par SCP Eau non filtrée
Filtrat
Filtrat
Une partie du filtrat acidifié pour l’analyse par SCP Perméat Rétentat 0,22µm-300kDa Perméat Rétentat 300kDa-50kDa Perméat Rétentat 50kDa-30kDa Perméat Rétentat 30kDa-10kDa Perméat Rétentat 10kDa-5kDa Membrane 300kDa Membrane 50kDa Membrane 30kDa Membrane 10kDa Membrane 5kDa Filtre 0,45µm Filtre 0,22µm
Une partie du filtrat acidifié pour l’analyse par SCP
Une partie du perméat acidifié pour
l’analyse par SCP
Une partie du perméat acidifié pour
l’analyse par SCP Une partie du perméat acidifié pour
l’analyse par SCP
Une partie du perméat acidifié pour
l’analyse par SCP Une partie du perméat acidifié pour
l’analyse par SCP
Figure II-6 : Schéma du protocole de filtration et d’ultrafiltration.
Les concentrations en métaux des rétentats sont calculées par différence entre la concentration du perméat de la taille précédente et celle du perméat correspondant à la membrane utilisée, en appliquant les facteurs de concentrations correspondants. Les facteurs de concentration pour les perméats sont calculés en effectuant le rapport entre le volume à filtrer et celui du perméat. Il est important de noter que les concentrations en éléments métalliques de certains perméats sont au niveau de la limite de détection de la méthode analytique utilisée.
Chapitre II : Matériel et méthodes
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IV.2.3. Traitement des membranes et de la cellule d’ultrafiltration
Le conditionnement des membranes d’ultrafiltration constitue une étape particulièrement importante du travail afin de minimiser les risques de contamination et d’éviter une modification de la taille des pores. Avant chaque utilisation, les membranes sont trempées dans de l’eau Milli-Q® pendant une journée. Elles sont ensuite lavées par immersion dans une solution d’acide nitrique 0,1 M dans l’eau Milli-Q® pendant une autre journée. Enfin, elles sont rincées, toujours par immersion, dans de l’eau Milli-Q® pendant trois jours en changeant régulièrement d’eau. Cette dernière étape est nécessaire afin d’éviter toute perturbation des colloïdes. Après utilisation, les membranes sont trempées dans une solution de soude (suprapur, Merck®) à 0,1 M dans l’eau Milli-Q® pendant 30 minutes. Elles sont ensuite rincées par immersion avec de l’eau Milli-Q® pendant une journée. Les membranes sont enfin stockées dans un mélange éthanol / eau à 10% à 4-6°C.
La cellule d’ultrafiltration (figure II-7) est lavée, avant chaque utilisation, en respectant le protocole suivant : a) rinçage avec de l’eau Milli-Q®, b) remplissage de la cellule avec l’eau Milli-Q® pendant deux jours en changeant l’eau plusieurs fois, c) remplissage de la cellule avec de l’eau Milli-Q® acidifiée (pH ~ 3, HCl suprapur, Merck®) pendant une journée, et enfin d) rinçage avec de l’eau Milli-Q® pendant trois jours. Entre chaque filtration, la cellule est démontée et nettoyée rigoureusement avec de l’eau Milli-Q acidifiée (pH ~ 2, HCl suprapur, Merck®) et rincée abondamment à l’eau Milli-Q®.
Chapitre II : Matériel et méthodes 61 180 mL 60 mL Arrivée du gaz Cellule (polysulfone) Barreau aimanté assemblé à une tige (acétal,
polysulfone) Sortie: récupération du perméat Valve de pression Membrane Support de la membrane (polysulfone)
Figure II-7 : Schéma de la cellule agitée 8200 Amicon®.