Offre de thèse Procédés de dépollution multi-voies dans des matériaux alternatifs : immobilisation inorganique et abattement organique

Contexte :

Ecole sous tutelle du ministère de l’économie, des finances et de la souveraineté industrielle et numérique, et école de l’Institut Mines Télécom, IMT Nord Europe a 3 missions principales : former des ingénieurs responsables aptes à résoudre les grandes problématiques du XXIème siècle ; mener des recherches débouchant sur des innovations à haute valeur ajoutée ; soutenir le développement des territoires notamment en facilitant l’innovation et les créations d’entreprises. Son objectif est de former les ingénieurs de demain, maîtrisant à la fois les technologies numériques et les savoir-faire industriels. Idéalement située au carrefour de l’Europe, à 1 heure de Paris, 30 minutes de Bruxelles et 1H30 de Londres, IMT Nord Europe a l’ambition de devenir un acteur majeur des grandes transformations industrielles, numériques et environnementales du XXIème siècle en combinant, tant dans ses enseignements et que dans sa recherche, les sciences de l’ingénieur et les technologies du digital.

Localisée sur 2 sites principaux d’enseignement et de recherche, à Lille et à Douai, IMT Nord Europe s’appuie sur plus de 20000m² de laboratoire pour développer un enseignement de haut niveau et une recherche d’excellence dans les domaines suivants :

• Systèmes Numériques

• Energie Environnement

• Matériaux et Procédés

Pour plus de détails, consulter le site internet de l’Ecole : www.imt-nord-europe.fr

Le poste est à pourvoir au sein du Centre d’Enseignement, de Recherche et d’Innovation « Matériaux

et Procédés ».

Les procédés de dépollution multi-voies dans des matériaux alternatifs constituent une approche particulièrement prometteuse pour traiter des matrices contaminées complexes (sols, sédiments, effluents), où coexistent très souvent polluants inorganiques (métaux, métalloïdes, anions) et polluants organiques persistants (HAP, pesticides, solvants, PFAS selon les cas). Contrairement aux solutions “mono-fonction” qui ciblent une seule famille de contaminants, l’objectif ici est de concevoir des matériaux et des schémas de traitement capables d’assurer simultanément : (i) une immobilisation durable des espèces inorganiques (réduction de mobilité et de lixiviation) et (ii) un abattement efficace des contaminants organiques (captage, transformation ou destruction), sans compromettre la stabilité globale du système.

Dans cette logique, les matériaux alternatifs — notamment issus de coproduits et résidus industriels ou de géomatériaux valorisables (cendres, laitiers, boues calcaires, sédiments traités, fractions minérales riches en Ca/Fe/Al, etc.) — peuvent être transformés en supports réactifs à fonctions multiples. Leur richesse en phases minérales actives (carbonates, oxydes/hydroxydes, silicates, aluminosilicates) permet de mettre en jeu plusieurs mécanismes d’immobilisation inorganique : précipitation de phases peu solubles, sorption sur surfaces minérales, échange ionique, incorporation dans des matrices stabilisées, ou encore formation de phases de type (hydroxy)apatite, carbonates métalliques ou hydroxydes. L’enjeu clé est de convertir cette réactivité en une stabilisation robuste dans le temps, compatible avec des conditions variables (pH, force ionique, présence de sels, vieillissement, cycles humide-sec).

En parallèle, le traitement des polluants organiques nécessite des fonctions souvent différentes, voire parfois antagonistes si elles sont mal couplées. Selon la nature des organiques ciblés, l’abattement peut reposer sur : (i) l’adsorption sur des domaines hydrophobes ou microporeux, (ii) la catalyse (par exemple via des phases ferreuses/oxyhydroxydes capables d’activer des oxydants), (iii) la dégradation par oxydation/réduction, ou (iv) des approches hybrides physico-chimiques et biologiques. La difficulté scientifique centrale consiste à rendre compatibles ces voies de traitement : éviter par exemple qu’une activation oxydante libère des métaux immobilisés, ou qu’une modification hydrophobe utile pour l’organique diminue la fixation des ions inorganiques.

Ainsi, le projet de thèse vise à concevoir, optimiser et évaluer des matériaux alternatifs “multi-couches” ou “multi-sites” capables de combiner ces deux performances dans une approche intégrée. Cela implique de relier finement structure–composition–fonction : identifier quelles phases minérales gouvernent l’immobilisation inorganique, quelles fonctionnalités (porosité, sites organiques, phases catalytiques) pilotent l’abattement organique, et comment leur cohabitation influence la réactivité et la durabilité. L’évaluation reposera typiquement sur des essais de lixiviation et de spéciation pour l’inorganique, des cinétiques/isothermes et suivis de transformation pour l’organique, ainsi que des tests en conditions réalistes (matrices complexes, ions concurrents, vieillissement, régénération). À terme, l’ambition est de proposer des solutions de dépollution performantes, durables et déployables, tout en s’inscrivant dans une logique d’économie circulaire par la valorisation de ressources minérales secondaires.

Missions et activités :

a) Étude bibliographique sur les procédés de dépollution multi-voies appliqués aux matériaux alternatifs : mécanismes d’immobilisation inorganique (précipitation, sorption, incorporation, carbonatation/phosphatation) et d’abattement organique (adsorption, catalyse, oxydation/réduction), polluants cibles (métaux/anioniques vs HAP, pesticides), et conditions d’influence (pH, force ionique, compétiteurs, vieillissement).

b) Sélection, préparation et mise en forme de matériaux alternatifs (coproduits industriels, géomatériaux valorisables, composites réactifs) : pré-traitements et fonctionnalisation, puis mise en forme en poudres/granules/monolithes adaptés à des usages en lits filtrants ou en amendements réactifs.

c) Caractérisation physico-chimique et minéralogique des matériaux élaborés avant/après traitement : identification des phases et surfaces actives et suivi des transformations (XRD, FTIR, SEM-EDS, TG-DSC, BET, ζ-potentiel, pHpzc/CEC), afin de relier structure–composition–fonction aux performances multi-voies.

d) Évaluation des performances d’immobilisation inorganique : essais de lixiviation/relargage et tests de stabilité, quantification des abattements et interprétation mécanistique (spéciation, extractions séquentielles si applicable, bilans de masse), avec objectifs de réduction de mobilité et de compatibilité environnementale.

e) Évaluation des performances d’abattement organique : essais en batch et/ou en colonne (cinétiques, isothermes, compétiteurs, matrices réelles), suivi du devenir des organiques, et comparaison de scénarios “adsorption seule” vs “adsorption + transformation” lorsque pertinent.

f) Durabilité, régénération et intégration procédé : tests de vieillissement, cycles de charge/régénération, stabilité mécanique/hydraulique (mise en colonne), et pré-dimensionnement d’un schéma de traitement multi-étapes (barrière réactive, filtre en série, ou matériau bifonctionnel), avec recommandations pour un déploiement en conditions proches du terrain.