Détection des microplastiques dans les systèmes à fibres creuses par fluorescence et fluorimétrie in situ

Detection of microplastics in hollow-fiber systems using fluorescence and in-situ fluorimetry

R. PEINADOR-DAVILA, P. GINISTY

La détection et la compréhension du comportement des microplastiques (MP) dans les pro – cédés membranaires constituent un enjeu majeur pour le traitement des eaux et la caractérisation des milieux filtrants. Cette étude présente une approche expérimentale combinant la coloration hydrophobe au Nile Red/n-heptane (NR-H) et la détection fluorimétrique in situ à l’aide d’un capteur Cyclops 7F, appliquée à des suspensions modèles de MP (polyéthylène, polystyrène, polycarbonate, polychlorure de vinyle, polyalcool vinylique). Les suspensions ont été préparées dans une matrice saline naturelle (eau de La Rochelle) afin de reproduire des conditions réalistes de coloration et de filtration d’une eau réelle dopée en MP. Les spectres de fluorescence enregistrés avec un spectrofluorimètre Xenius SAFAS (λ_exc = 500 nm) mettent en évidence des maxima d’émission entre 590 et 650 nm, dans la gamme de détection du Cyclops 7F. Les essais réalisés sur un module à fibres creuses en polyéthersulfone (PES) ont permis de suivre, en temps réel, l’évolution du signal fluorescent au cours de la filtration et de la concentration des particules de MP au voisinage de la membrane. Les profils d’intensité révèlent une accumulation préférentielle au centre des fibres, attribuée à l’effet combiné du flux axial (ΔP) et des possibles interactions électrostatiques entre les polymères et la paroi membranaire. Les validations avec une micro-spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (μFTIR) confirment la nature polymérique des particules détectées. Cette approche intégrée offre un outil simple, rapide et reproductible pour étudier le comportement dynamique des MP dans les systèmes membranaires, ouvrant la voie à un suivi optique et quantitatif du colmatage.

The detection and behavior of microplastics (MP) in membrane filtration systems remain key challenges in water treatment and filter media characterization. This study introduces an integrated experimental approach combining hydrophobic Nile Red/n-heptane (NR-H) staining and in-situ fluorometric detection using a Cyclops 7F sensor, applied to model microplastic suspensions (polyethylene, polystyrene, polycarbonate, vinyle polychloride, vinyle polyalcohol) Suspensions were prepared in natural saline water (La Rochelle, France) to simulate representative filtration and dye conditions of real water, doped with MP. Fluorescence spectra recorded with a SAFAS Xenius spectrofluorometer (λ_exc = 500 nm) displayed emission peaks between 590 and 650 nm, matching the Cyclops 7F detection range. Experiments conducted on a polyethersulfone (PES) hollow-fiber module enabled real-time tracking of fluorescence during filtration and microplastics particles concentration along the membrane. Axial intensity profiles revealed preferential particle accumulation in the central fiber region, attributed to the combined effects of pressure-driven flow (ΔP) and potential electrostatic interactions between polymer surfaces and the membrane wall. Micro Fourier Transformation Infra-Red spectroscopy (μFTIR) analyses confirmed the polymeric nature of the fluorescent particles. This combined fluorescence–μFTIR method provides a fast, reproducible and operational tool for characterizing MP particles dynamics and fouling behavior in membrane systems, paving the way for opticalbased process monitoring and quantification.

Projet présenté au Congrès Mondial de la Filtration (WFC14).

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Détection des microplastiques dans les systèmes à fibres creuses par fluorescence et fluorimétrie in situ

La pollution par les microplastiques (MP) représente aujourd’hui une problématique environnementale et technologique majeure. Ces particules, issues de la dégradation de matériaux polymériques ou d’émissions industrielles directes, sont désormais détectées dans tous les compartiments aquatiques – eaux de surface, effluents, sédiments et réseaux de traitement [ANDRADY, 2011]. Leur taille réduite (< 5 mm, souvent < 100 μm) favorise leur dispersion et leur interaction avec les milieux biologiques et les procédés de traitement des eaux. Au sein des procédés membranaires, les microplastiques peuvent s’accumuler à la surface ou dans la structure poreuse des membranes, induisant des phénomènes de colmatage, [SUARD et al., 2020] de rétention sélective ou de relargage secondaire. La compréhension de ces interactions est donc essentielle pour la conception de systèmes de filtration plus robustes, efficaces et durables [BARBIER et al., 2022].

Les méthodes analytiques actuellement utilisées pour identifier les microplastiques reposent principalement sur la spectroscopie infrarouge (FTIR) et la spectroscopie Raman [COLE, 2016], offrant une haute précision chimique, mais au prix de protocoles longs et complexes incluant une filtration préalable, des screenings et des comptages manuels. Ces limitations ont conduit à développer des approches optiques plus rapides, notamment celles basées sur la fluorescence du Nile Red (NR) [NALBONE et al., 2021 ; MEYERS et al., 2024], un colorant lipophile présentant une forte affinité pour les surfaces hydrophobes des polymères. Le Nile Red permet une détection visuelle rapide sous lumière bleue ou UV, rendant possible la localisation directe des particules plastiques [SHIM et al., 2016 ; PRATA et al., 2023], dans des matrices aqueuses. Cependant, les protocoles de coloration classiques utilisant le Nile Red en phase aqueuse présentent plusieurs contraintes comme un marquage hétérogène lié à la faible solubilité du colorant, des interférences avec la matière organique dissoute produisant des signaux fluorescents parasites, et une reproductibilité limitée selon la nature du polymère ou la salinité du milieu. Pour pallier ces limitations, une version hydrophobe du protocole a récemment été développée : le Nile Red dissous dans le n-heptane (NR-H). Ce solvant apolaire améliore la sélectivité du marquage en favorisant l’adsorption du colorant sur les microplastiques et en réduisant les interactions avec la phase aqueuse [MEYERS et al., 2024]. Dans le contexte de cette étude, le NR-H est utilisé pour préparer des suspensions modèles fluorescentes de microplastiques calibrés, représentant plusieurs familles de polymères courants : polyéthylène (PE), polystyrène (PS), polycarbonate (PC), polychlorure de vinyle (PVC) et polyalcool vinylique (PVA). Ces suspensions sont élaborées à partir de poudres calibrées fournies par des distributeurs spécialisés permettant de contrôler la taille et la concentration des particules. Elles constituent une base expé rimentale standardisée pour simuler et étudier le comportement des microplastiques dans les systèmes membranaires.

Mots clés : Colmatage membranaire, Fibres creuses, Fluorescence, Microplastiques, Nile Red, μ-FTIR