Nathan Bossa (CEREGE-INERIS) will defend his PhD thesis about " Nanotechnologies and building materials : Mechanisms of release of nanomaterials during use and degradation of photocatalytic cement" the 22th May 2015 at 10:00 am in CEREGE - Aix en Provence.
"Nanotechnologies et matériaux de construction : Mécanismes de relargage des nanomatériaux durant l'utilisation et la dégradation des ciments photocatalytiques."
La soutenance de ma thèse qui se déroulera le vendredi 22 mai 2015 à 10h00 dans la salle du Forum (rez de chaussée) à l'Europôle de l'Arbois (Aix en Provence).
JURY :
Bernd Nowack (Pr , EMPA Zurich, Suisse) Rapporteur
Christophe Geantet (DR CNRS, IRCELYON – Lyon) Rapporteur
Roland Pellenq (DR CNRS, CINAM MIT, Marseille, France) Examinateur
Jérôme ROSE (DR CNRS, CEREGE – Aix-en-Provence) Directeur
Perrine CHAURAND (IR AMU, CEREGE – Aix-en-Provence) Co-Directrice
Olivier AGUERRE-CHARIOL (Ingénieur INERIS, Verneuil-en-Halatte) Co-Directeur
Abstract :
The industrial scale production and wide variety of applications of manufactured nano-object, their aggregates and agglomerates (NOAA) and their possible release into the natural aquatic environment have produced an increasing concern among the nanotechnology and environmental science community.
NOAA are used in construction to improve the properties and functions of commonly used building materials like cement, glass, paint… A part of this production concerns a new type of cement, called self-cleaning cement which maintains clean and white wall fronts. Such building materials may also provide interesting pollution-reducing properties.
The technology is based on the photocatalytic property of TiO2-NOAA added in the cement matrix. During continuous UV radiation exposure, TiO2-NOAA lead to the oxidation (i.e. degradation) of compounds adsorbed at the cement surface. Such NOAA application in building construction is promising as it exhibits improved properties but its environmental validation (in terms of impacts and risks associated with the incorporation of TiO2 NOAA) is also required.
Indeed cement is altered during their use when exposed to water (e.g. rain draining on cement wall). An altered layer is then formed at its surface where numerous and complex reactions occur such as cement phase congruent or incongruent dissolution, secondary phase formation, etc... This layer exhibits an increase of porosity. Cement leaching behavior and associated elements released into the environment, is well described in the literature but the behavior of the incorporated TiO2-NOAA is currently unknown. Release of TiO2 NPs, more precisely, the emission of nano-products degradation residues (NDR) into the environment (waters, soils …) is suspected as alteration time increases.
The aim of this study is to determine the mechanisms of TiO2-NOAA release from a self-cleaning cement during aging process and to identify cement parameters controlling it. We performed cement accelerating aging procedure on cement with various initial porosities to generate different rates of cement matrix degradation. One of the main objectives was to address the influence of cement porosity on leaching behaviour of TiO2 NPs. To simulate the alteration phase, static leaching tests (liquid/solid ratio (L/S) of 100) were performed during 7 days. Each sample was placed within a dialysis membrane (10 kDa) filled with ultrapure water and submerged in a leachate solution (ultrapure water) to isolate the released particulate fraction from the sub-released soluble fraction. The elements released (particulate and soluble fractions) and their kinetic were quantified by ICP-OES and characterized with TEM.
We analyzed the solid phase (core to altered layer) using several X-ray based techniques : XRD (X-Ray Diffraction), µ-XRF (micro X-Ray Spectroscopy) and an unprecedented combination of nano and micro X-ray computed tomography to perform a complete altered cement matrix characterization including pore structure.
Original results concerning the low-stability of the cement matrix while NDR are released in fresh water will be detailed with regards to the size and surface properties of TiO2-NOAA. More over a deep investigation of the alteration mechanisms of cement will help deciphering the cement porous network properties that control TiO2-NOAA release. Based on our results a predictive strategy will be proposed.
Résumé :
La production à l'échelle industrielle et la diversité d'utilisation des nano-objets manufacturés, leurs agrégats et agglomérats (NOAA) et leur possible libération dans l'environnement aquatique naturel ont conduit à une préoccupation croissante parmi la communauté scientifique des sciences de l'environnement et des nanotechnologies.
Les NOAA sont utilisés dans la construction pour améliorer les propriétés des matériaux comme le ciment, le verre, la peinture ... Un nouveau type de ciment, appelé ciment autonettoyant, est produit. Ce dernier permet de garder les façades propres et blanches et possède des propriétés intéressantes qui permettraient de réduire la pollution.
Cette technologie est basée sur la propriété photocatalytique de NOAA-TiO2 ajoutés dans la matrice du ciment. Lors de l'exposition au rayonnement UV, les NOAA-TiO2 provoquent l‘oxydation (i.e. dégradation) des composés adsorbés à la surface du ciment. Une telle utilisation des NOAA dans les ouvrages d'art est prometteuse dans la mesure où elle permet une amélioration des propriétés du ciment. Cependant, sa validation environnementale est requise, en termes d'impacts et risques associés à l'incorporation des NOAA-TiO2.
En effet, le ciment est altéré lors de son utilisation lorsqu'il est en contact avec de l'eau (pluie, eau de percolation,..). Une couche altérée se forme alors à la surface où des réactions nombreuses et complexes se produisent telles que la dissolution congruente ou incongruente des phases cimentaires, la formation de phases secondaires…. Cette couche présente alors une augmentation de la porosité. Le comportement du ciment lors de sa lixiviation et des éléments associés relargués dans l'environnement est bien décrit dans la littérature, en revanche, le comportement des NOAA-TiO2 incorporés est actuellement inconnu. La libération de NOAA-TiO2, plus précisément, l'émission de résidus de dégradation de nano-produits (NDR) dans l'environnement (eaux, sols ...) est suspectée augmenter en fonction du temps d'altération.
Le but de cette étude est de déterminer les mécanismes de relargage des NOAA-TiO2 incorporés dans le ciment autonettoyant durant le processus de vieillissement et d'identifier les paramètres qui pourraient le contrôler. Une procédure de vieillissement accéléré a été appliquée sur des ciments photocatalytiques avec des porosités initiales différentes afin de générer des taux de dégradation différents. L'un des principaux objectifs était d'évaluer l'influence de la porosité initiale du ciment sur le comportement des NOAA-TiO2 lors de la lixiviation. Pour simuler la phase d'altération, des tests de lixiviation statiques (rapport liquide / solide (L / S) de 100) ont été effectués durant sept jours. Chaque échantillon a été placé à l'intérieur d'une membrane de dialyse (10 kDa) remplie d'eau ultrapure et immergée dans une solution de lixiviation (eau ultrapure) afin d'isoler la fraction particulaire relarguée et la fraction soluble relarguée. Les éléments relargués (fractions particulaires et solubles) et leurs cinétiques ont été quantifiés par ICP-OES et caractérisés par MET.
Nous avons ensuite analysé la phase solide (du cœur à la couche altérée) en utilisant plusieurs techniques aux rayons X, la DRX (diffraction des rayons X), μ-XRF (micro X-Ray spectroscopie) et une combinaison sans précédent de nano et micro X-ray tomographie pour effectuer une caractérisation complète de la matrice du ciment altéré comprenant la structure de pores.
Des résultats originaux concernant la faible stabilité de la matrice du ciment lorsque les NDR sont relargués dans les eaux de surface seront détaillés au regard des propriétés de taille et de surface des NOAA-TiO2. Par ailleurs, une enquête en profondeur des mécanismes d'altération du ciment aidera à déchiffrer les propriétés du réseau poral du ciment qui commande le relargage des NOAA-TiO2. Basée sur nos résultats, une stratégie prédictive sera proposée.
- Soutenance Thèse Nathan Bossa
