Design et synthèse de matériaux polymériques fonctionnels à propriétés électroniques contrôlées pour l’élimination de déchets pharmaceutiques

Abstract

Ce travail est consacré à la synthèse de matériaux polymériques fonctionnels dérivés de cellulose pour l’étude de l’adsorption de polluants émergents fréquemment détectés dans l’eau, en l’occurrence deux molécules de produits pharmaceutiques, le paracétamol et l’acide niflumique. Les matériaux adsorbants de la première série sont préparés par traitement alcalin de la cellulose par NaOHet KOH à 22 et 60 °C. Les études comparatives de sorption conduite à pH 6.2 pour le paracétamol et à pH 1.2 pour l’acide niflumique avec la cellulose brute et les quatre matériaux adsorbants ainsi préparés et porteurs de charges négatives à travers les fonctions alcoolate (−ONa et −OK) ont démontré que les matériaux alcalins permettent d’aboutir à un accroissement substantiel de la quantité adsorbable de produits pharmaceutiques. La quantité adsorbée de paracétamol est plus importante sur les matériaux sodés CNa22 et CNa60 que sur leurs homologues potassiques CK22 et CK60. D'autre part, l'analyse du processus de diffusion intra-particulaire montre que la vitesse de diffusion est nettement plus lente pour les adsorbants issus du traitement alcalin à chaud CK60 et CNa60 alors que ceux préparés à température ambiante CNa22 et CK22, se caractérisent par une adsorption rapide grâce à leurs propriétés texturales développées permettant un accès plus rapide à la porosité. Le modèle de Langmuir-Freundlich et celui de Sips décrivent tous deux très convenablement l’adsorption de l’acide niflumique sur CNT et CNa22 tandis que l’adsorption de paracétamolsur les adsorbants CNa22, CK22, CNa60 et CK60 est mieux décrite par le modèle de Redlich-Peterson. Enfin, les résultats de cette étude ont mis en évidence le rôle des interactions dispersives impliquant de faibles interactions de type liaison hydrogène entre les molécules des produits pharmaceutiques et les matériaux adsorbants. Au cours de la seconde partie, la synthèse d’un adsorbant hyper-réticulé a été développée par estérification de la cellulose avec le chlorure de sebacoyle en milieu basique. La structure mésoporeuse du matériau adsorbant engendrée par le greffage de ponts sebacoyle sur la cellulose lors de la réticulation s'est avérée être un facteur déterminant dans le comportement d'adsorption des produits pharmaceutiques. L’allure des isothermes d'adsorption de paracétamol et de l’acide niflumique sur le matériau réticulé sont de type S et s’ajustent parfaitement avec les modèles de Gu-Zhu, Frumkin-Fowler-Guggenheim et Hill-de Boer. Les résultats indiquent un mécanisme d'adsorption coopérative conduisant à la formation d'agrégats contenant n monomères de produits pharmaceutiques. Plus la valeur de n est faible, meilleure est l'adsorption du produit pharmaceutique. L’analyse des données expérimentales par les modèles de Frumkin-Fowler-Guggenheim et Hill-de Boer mettent en évidence des interactions latérales attractives pour les deux produits pharmaceutiques. Par ailleurs, l’étude de l’influence de la température montre que le processus d’adsorption est exothermique et qu’il s’agit d’une adsorption physique. D’autre part, les paramètres obtenus à travers les modèles cinétiques de pseudo-second ordre et de diffusion intra-particulaire sont étroitement liés aux arrangements des agrégats de molécules de produits pharmaceutiques. Enfin, les essais de désorption montrent que le paracétamol et l'acide niflumique subissent un processus d'adsorption physique réversible et que le mécanisme d'adsorption dominant est probablement une liaison hydrogène entre les molécules de produits pharmaceutiques et les sites oxygénés de surface du matériau adsorbant hyper-réticulé.