Passivation, fonctionnalisation et purification des PQC

Passivation, fonctionnalisation et purification des PQC 

Un défi majeur des récentes avancées en termes de synthèse des PQC consiste à améliorer la qualité des PQC produits. Ceci fait appel à l’introduction des hétéroatomes appropriés capables de personnaliser les caractéristiques des PQC.

Passivation des PQC 

La préparation des PQC laisse place à des particules ayant une surface dépourvue de couche protectrice contre les impuretés. De plus, la possibilité qu’ont les atomes d’oxygène et de carbone à réagir avec les composés organiques peut sérieusement influencer les propriétés photolumiscentes des PQC produits. À cet effet, la passivation est donc une protection de la surface qui est essentielle pour la stabilité et la longévité des PQC. Elle forme une couche de recouvrement isolante mince qui protège les PQC de l’adhésion des impuretés et améliore encore leur intensité de fluorescence (Dimos, K., 2015). De ce fait, les agents de passivation ont cette particularité qu’ils ne doivent pas contenir ou générer des éléments susceptibles de créer une interférence d’émission à la fluorescence initiale des PQC, tout en créant une couche protectrice autour des PQC contre les diverses impuretés. Certains composés sont fréquemment utilisés comme agents de passivation, PEG1500N (Sun et al., 2006) , 4,7,10- trioxa-1,13-tridecanediamine (Peng et al, 2009), 1- hexadecylamine (Zhang, 2013) , poly(ethylenimide)- b-poly(ethylene glycol)-b poly(ethylenimide) (Li et al, 2010). Étant donné que l’introduction de ces composés conduit à l’introduction de nouveaux groupes fonctionnels au sein des PQC, on assiste alors également à une fonctionnalisation des PQC.

Fonctionnalisation des PQC 

Ce procédé consiste à l’insertion d’une variété de groupes fonctionnels au sein des PQC. Le but principal est de doter les PQC de fonctionnalités spécifiques liées à divers groupes fonctionnels tels que les groupes carboxyl, carbonyl, hydroxyle. Plusieurs méthodes sont utilisées pour la fonctionnalisation des PQC. Entre autres une synthèse des nanoparticules avec des propriétés hydrophiles et organophiles à partir d’acide citrique et de composés aminés, une pyrolyse à 300o C conduit à des PQC fonctionnalisés. Aussi , une oxydation des PQC à l’aide d’une solution d’acide nitrique que l’on fait réagir par la suite avec du PEG1500N mène à des PQC aux fonctionnalités modifiées (Bourlinos et al 2018). De manière générale, la fonctionnalisation des PQC passe par l’incorporation de nouveaux groupes fonctionnels par des composés qui le plus souvent sont des composés azotés permettant d’accroitre la sensibilité des PQC a la variation des concentrations de certains ions, cela représente un bon point dans l’usage des PQC comme traceurs.

Purification des PQC

Améliorer la luminescence des PQC se fait également par la purification des particules produites (Kong et al 2012). Cette opération vise à séparer les nanoparticules des impuretés et différents éléments n’ayant pas participé à la réaction de synthèse. Ainsi, diverses méthodes sont employées pour purifier les PQC.

a. Centrifugation
Il s’agit de séparer à l’aide d’une rotation à haute vitesse la solution finale riche en PQC en deux phases ; le surnageant, généralement celle qui renferme les particules moins denses et le précipité qui est la phase inférieure contenant généralement les éléments plus denses.

b. Filtration
Cette méthode consiste à faire passer à travers une membrane filtrante la solution de PQC obtenue en vue de retenir les particules de taille supérieure à la taille des pores du filtre utilisé. Le filtrat obtenu est ainsi dépourvu de particules n’ayant pas réagi et riche en PQC.

c. Dialyse
Assez similaire au principe de la filtration, cette méthode consiste à faire diffuser une solution riche en PQC contenue dans un tube dont le seuil de poids moléculaire dépend de la taille des particules constituant le soluté.

d. Lyophilisation
Pour la précision des mesures, notamment du point de vue des concentrations, la lyophilisation permet de passer d’une solution à une poudre riche en PQC. Cette méthode consiste à faire congeler au préalable la solution de PQC à très basse température (-107 °C), puis l’échantillon est soumis à un processus d’aspiration qui permet d’extirper le solvant de l’état solide à l’état gazeux (sublimation). Par la suite on obtient une poudre riche en PQC qui peut être dispersée à nouveau dans divers solvants pour pouvoir contrôler les concentrations et ainsi effectuer d’autres mesures.

Les drêches de brasserie 

La drêche est un coproduit de la production de la bière, préparée à base de matières premières naturelles : malt, céréales, eau pure. Les drêches sont composées des enveloppes de grains concassées auxquelles adhèrent toutes les substances qui n’ont pas été solubilisées au cours des opérations de brassage. Elles ont une forte teneur en protéines du fait de leur faible solubilité pendant les processus de brassage et sont assez riches en carbone organique total, représentant de ce fait un bon point de départ pour la synthèse de PQC quand on sait que la drêche de brasserie est en majeure partie utilisée pour l’alimentation du bétail.

Production des drêches de brasserie 

Au Québec, est considéré comme microbrasserie un établissement où est fabriquée de la bière et des produits dérivés destinés à la vente. Aussi, sa production atteint les 500 000 hectolitres par an (Association des microbrasseries du Québec, 2015). Sachant qu’un hectolitre de bière produit 50 tonnes de drêches (Fărcaş et al. 2014), une microbrasserie fonctionnant au maximum de sa capacité peut donc avoir près de 10 000 tonnes de drêches produites annuellement. La drêche de brasserie est l’un des principaux déchets formés en grande quantité lors de la fermentation de la bière: elle représente environ 85% du total des sous-produits générés (Mussato, 2006).

Facteurs influençant la production de drêche 

a. Cadre économique
Le traitement des matières résiduelles issues de la production de bière constitue une étape incontournable et coûteuse, car il est régi par des lois environnementales strictes. À titre d’exemple, dans la MRC de Rimouski-Neigette au Québec, recycler une tonne de matière résiduelle coûte 3,33$/tonne pendant qu’enfouir une tonne de déchets coûte 122,24$/tonne (Rouillé, 2017). Considérant que 200 tonnes de drêches sont produites par 10 000 hl de bière (Fărcaş et al. 2014), ceci fait donc appel à une bonne gestion des matières résiduelles produites, car, a priori, recycler coûterait moins cher qu’enfouir. De ce fait, trouver la méthode la moins coûteuse de revalorisation des drêches a un impact non négligeable sur la production de la microbrasserie.

b. Cadre social
Cette partie fait appel aux acteurs humains. Il s’agit ici par exemple de la demande en bière de la région. À titre d’illustration, la consommation moyenne annuelle par habitant au Québec s’élève à 8,5 l/habitant soit 1,7 kg de drêche/habitant (Educalcool, 2017). La quantité de bières produite pour satisfaire la demande des populations influence considérablement la quantité de matières résiduelles générées par la suite. La quantité de drêche disponible dépend de la quantité de bière produite, influencée à son tour par la demande en bière. Cette dernière n’est pas constante au niveau local : une population donnée consomme davantage en été qu’en hiver. Ainsi la production de drêche est susceptible de varier en fonction de la demande en bière dans la région concernée.

c. La demande en énergie
La production de bière requiert beaucoup d’énergie, particulièrement à cause des cycles de refroidissement et de réchauffement. Le gaz naturel est la principale source d’énergie utilisée dans les brasseries canadiennes à 65%, comparativement à 24% pour l’électricité (Ressources naturelles Canada, 2011). Dépendamment de la taille et de la gestion de la brasserie, les coûts liés à l’énergie et aux services publics représentent 3 à 8% du budget annuel (Baldwin et al, 2012). De ce fait, pour satisfaire à la demande et maximiser leur production, les microbrasseries consomment une importante quantité d’énergie et générant une quantité importante de drêche de brasserie.

d. La réglementation
La microbrasserie est soumise au respect des normes de rejets de matières résiduelles vu que ses activités génèrent des déchets. En 2018, les redevances régulières sont de 12,21$ par tonne métrique, auquel s’ajoute une somme de 10,36$ en redevances supplémentaires (Éditeur officiel du Québec, 2018). Cela revient donc à 22,57$ par tonne métrique de matières résiduelles qui sont imposées pour l’élimination. Les microbrasseries doivent donc trouver des voies et moyens rapides pour recycler l’entièreté des rejets de matières organiques.