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Élution des chlorures

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E.2.    Élution des espèces ioniques dans les colonnes

E.2.1.    Élution des chlorures

Figure 66 Suivi de l'écoulement dans les colonnes de sol – Exemple Col N°1 : (1) injection du  traceur ; (2) injection des métaux. 

Au vu des résultats reportés sur la Figure 66, la linéarité entre le volume écoulé (V) en fonction du  temps implique un débit constant en sortie des colonnes. Ce débit correspond à environ 4,375  cm3/min et 5,237 cm3/min respectivement lors de l’injection des solutions traçante et trimétallique. 

A l’exception de l’injection trimétallique, les valeurs des coefficients de régression linéaire (R2 = 1)  pour l’injection du traceur traduisent une stationnarité de l’écoulement dans des colonnes. Le cas  des métaux peut être imputable à des erreurs d’acquisition de volume ou de temps sachant que le  suivi ait été effectué manuellement au moyen d’un chronomètre et d’une éprouvette graduée.  

E.2.   Élution des espèces ioniques dans les colonnes 

Ces résultats concernent les concentrations en chlorures et en ions métalliques [C] mesurées en  sortie des colonnes ramenées à leur concentration initiale [C0) introduite à l’entrée, en fonction du  rapport de V/V0, sous la forme d’une courbe dite « courbe d’élution ». 

E.2.1.   Élution des chlorures 

Comme nous avons souligné précédemment, le traçage consiste à faire passer une substance  conservative à travers la colonne de sol. Les mesures de la concentration en chlorures en sortie du  dispositif expérimental permettent d’obtenir la courbe d’élution. Des mesures de conductivité  électrique et de chromatographie ionique sur les échantillons collectés en sortie des colonnes ont été  effectuées. Ces deux méthodes de mesure ont permis d’effectuer une étude comparative entre la  conductivité électrique des solutions avec la courbe d’élution des chlorures obtenue à l’aide des  analyses chimiques. 

Les résultats ont montré que la conductivité électrique et la mesure par chromatographie ionique  des chlorures apportent, d’une manière particulière, la même information (Cf. Figure 67). Bien que  Paris Anguela (2004) dans une recherche similaire, ait montré que la courbe de la conductivité  électrique des solutions en sortie des colonnes et celle obtenue à partir des analyses chimiques par  chromatographie  de  l’ion  Cl  ont  été  superposées.  En  revanche,  notre  travail  a  révélé  des  informations complémentaires relatives au comportement des chlorures dans la matrice solide. Une  similitude entre la courbe de conductivité électrique et celle des chlorures a été toutefois observée  dans la partie ascendante de ces courbes. Il peut être supposé ici que les chlorures, injectés à un  instant donné, se retrouvent seuls en sortie des colonnes. Le décalage de la courbe de conductivité  électrique par rapport à celle des chlorures dans la partie descendante témoigne l’existence  d’éléments plus conducteurs dans les solutions. Néanmoins, l’apport des ions Na+ et la présence  initiale d’autres ions (Ca2+, Mg2+, etc.…) dans le sol peuvent probablement être à la base de  l’augmentation de la conductivité électrique à cette phase. 

 Un pic de restitution symétrique est le signe d’un milieu homogène, 

 La présence de plusieurs pics de restitution est le signe d’un court‐circuit dans la colonne ou  d’un écoulement régionalisé (dû à la présence de macrospores par exemple).  

 Une courbe de percée qui présente un front d’arrivée raide et une trainée peut traduire des  zones d’eau stagnante. 

Dans notre cas, la courbe d’élution des chlorures témoigne d’une asymétrie caractérisée par une  montée rapide jusqu’à atteindre une concentration relative maximale, une descente abrupte et enfin  une trainée. Cette asymétrie accompagnée d’une trainée importante est révélatrice d’un écoulement  hétérogène (Van Genuchten et Wierenga, 1976; Gaudet et al., 1977; Février, 2001; Lassabatère,  2002), probablement caractérisé par des zones stagnantes à l’intérieur des colonnes. D’après ce que  a rapporté Hlavackova (2005), ces zones stagnantes sont des endroits où le traceur pénètre et ressort  lentement ; c’est‐à‐dire qu’une partie du milieu n’est pas balayée par le fluide, mais échange  lentement avec le traceur par diffusion moléculaire avec la zone active du sol. Par ailleurs, la  dynamique de montée et de descente de la concentration des chlorures dans les colonnes est 

similaire. Le point d’inflexion de la partie ascendante des courbes, se situant à environ 2 V0, indique  que le système nécessite plus de 2 volumes de pores pour que les chlorures soient totalement  lessivés du sol.  

E.2.1.1.   Étude de la non‐réactivité des chlorures  

L’augmentation des ions Na+ [apportés par le traceur (NaCl) et la solution neutre (NaNO3)] dans la  phase  liquide  peut  créer des  échanges au  niveau  des  surfaces  électronégatives  du sol  avec  éventuellement une libération d’autres cations et d’ions H+. Vu la présence des cations majeures en  solution, la conductivité électrique maximale mesurée en sortie des colonnes (926 µS/cm) devrait  être légèrement supérieure à celle de la solution mère injectée (1089 µS/cm). Après le passage du  traceur, la conductivité maximale de la solution sortante devrait être augmentée suite à l’échange  ionique entre les diverses espèces dissoutes. L’effet de l’échange ionique sur le transfert du traceur  dans le sol semble malgré tout limité plus particulièrement à la partie ascendante des courbes de  conductivité et de chlorures.  

A la lumière des résultats du bilan de masse (BM) et du facteur de retard (R), calculés respectivement  au moyen des moments d’ordre 0 et d’ordre 1, l’ion chlorure peut être considéré comme un bon  traceur de l’écoulement, comme le montre le Tableau 34. 

Tableau 33 : Paramètres d'écoulement et d'injection du traceur 

Paramètres  Col N°1  Col N°2  Col N°3  Moyenne  Écart‐type 

q(cm/min)  0,275  0,275  0,275  0,275  0,000 

tT (min)  45,704  45,725  45,714  45,714  0,011 

TSm (min)  46,843  47,135  47,569  47,262  0,419 

Vexp (cm/min)  0,360  0,357  0,354  0,356  0,032 

TSC (min)  28,838  28,838  28,838  28,84  0,000 

BM (‐)  0,975  0,988  0,986  0,983  0,007 

R (‐)  0,832  0,842  0,857  0,846  0,013 

qT       = vitesse darcienne d’injection du traceur 

tT   = temps du créneau d’injection du traceur 

TSm   = temps de séjour moyen 

Vexp = vitesse effective expérimentale 

TSC   = temps de séjour convectif 

BM = Bilan de masse 

R = Facteur de retard 

Bien que le transfert des chlorures puisse être partiellement influencé, mais cela n’a pas empêché  pour autant une restitution significative en sortie des colonnes. En effet, pour les trois colonnes, le  BM est proche de 1, résultat attendu pour un traceur convectif. Ce résultat est en accord avec le  guide de l’OECD (2002) affirmant que le BM peut‐être compris entre 70 et 110 %. Le léger déficit sur  le BM peut s’expliquer : (i) d’une part, par le fait que la durée de l’expérience est le plus souvent trop  courte pour atteindre une concentration nulle des chlorures en sortie des colonnes ; (ii) et d’autre  part, les erreurs sur la mesure des concentrations en chlorures.  

L’infériorité des facteurs de retard (R) à 1 justifie les interactions instantanées que le traceur a subies  au cours de son transfert dans les colonnes. Les deux phénomènes évoqués pour justifier des  facteurs de retard inférieurs à 1 sont l’exclusion anionique causée par la charge négative des  particules (Hebrard‐Labit, 1998) ou la présence de volumes exclus de l'écoulement (Février, 2001; 

Lassabatère, 2002). Le second phénomène aurait pu être vérifié par la notion d’« écoulement  régionalisé ». Cette approche n’a malheureusement abordé dans le cadre de ce travail. En revanche,  l’exclusion anionique est supposée évidente dans notre cas en raison de la teneur en argiles (17 g/kg  de sol sec) mesurée dans l’échantillon de sol.  

La présence des argiles dans le sol peut contribuer à l’augmentation des charges négatives en créant  des interactions électrostatiques entre les minéraux du sol et les solutés dans la phase liquide. En  outre, le pH d’essai (8,26) peut être également un des facteurs contribuant à l’augmentation des  charges négatives. D’après Chabroullet (2007), la surface des argiles possède des sites amphotères  favorisant l’apparition de charges localement positives en milieu acide et négatives en milieu alcalin. 

De telles charges provoquent une répartition des espèces anioniques en solution à proximité de la  surface des minéraux argileux, limitant par conséquent leur accès à la totalité de la porosité du sol. 

Dans ce fait, les espèces anioniques (l’ion chlorure dans notre cas) s’écoulent dans un volume poral  restreint et ont tendance à avancer en moyenne plus rapidement que les molécules, d’où le  phénomène d’exclusion anionique. Dans les conditions physico‐chimiques naturelles, ce phénomène  a fait déjà objet de nombreuses études (Wieranga et Van Genuchten, 1989; Miller et al., 1999; 

Pallud, 2000; Février, 2001). 

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