CHAPITRE II : MATERIELS ET METHODES
3. Méthodes
3.5. Caractérisation des terres
3.5.1. Caractérisation physico-chimique
3.5.1.1. Granulométrie
La granulométrie a été déterminée par le Laboratoire d’Analyse des Sols d’Arras (Hauts-De-France, France) sans décarbonatation des sols (NF X 31-107).
3.5.1.2. pH (eau)
Le pH des sols a été déterminé par le Laboratoire d’Analyse des Sols d’Arras avec un ratio sol/eau de 1/5 (v/v) (NF ISO 10390).
3.5.1.3. Surfaces spécifiques
Les surfaces spécifiques des sols ont été mesurées sur le site Charmois du Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux (LIEC) (Vandœuvre-Lès-Nancy, Grand Est, France). La détermination de la surface spécifique d’un échantillon repose sur la mesure de la quantité de gaz adsorbée à la surface de celui-ci. Pour ce faire, la théorie de Brunauer, Emmett et Teller (théorie BET) relative à une adsorption multicouche a été appliquée. Le gaz généralement utilisé est le diazote (N2) à sa température normale de liquéfaction (77 K). L’échantillon est placé dans une ampoule en verre sous vide. Après une phase préliminaire de dégazage – à 30 °C ici – permettant de nettoyer la surface de l’échantillon, l’introduction progressive de N2 permet de tracer l’isotherme d’adsorption à 77 K de ce dernier sur l’échantillon (Figure 29).
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Figure 29 : Exemple d’isotherme d’adsorption de N2 à 77 K (à partir de (Rouquerol et al. 2003)) En déterminant l’ordonnée à l’origine et la pente de la partie linéaire de l’isotherme, l’équation transformée BET (25) – valable tant que les pressions relatives d’équilibre (P/P0) ne dépassent pas 0,35 – permet de calculer la quantité de gaz adsorbée sur la couche monomoléculaire, ou monocouche. 𝑃 𝑃0 𝑛𝑎(1−𝑃 𝑃0) = 𝑛1 𝑚 𝑎𝐶+𝑛𝐶−1 𝑚 𝑎𝐶 𝑃 𝑃0 (25) Avec :
- P : pression vapeur de N2 [Pa] ;
- P0 : pression de vapeur saturant de N2 [Pa] ;
- na : quantité de N2 adsorbée à la pression relative d’équilibre P/P0 [mol] ;
- na
m : quantité de N2 nécessaire pour recouvrir la surface de l’échantillon d’une monocouche [mol] ;
- C : constante liée à l’énergie d’adsorption de la monocouche, à l’énergie de liquéfaction de N2, à la température de l’adsorption et à la constante universelle des gaz parfaits [-].
La surface spécifique est alors calculée à l’aide de l’équation (26) ci-dessous.
𝑠 =𝑛𝑚𝑎
𝑚 𝑁𝑎𝜎𝑚 (26)
Avec :
- s : surface spécifique de l’échantillon [m2 g-1] ; - m : masse de l’échantillon [g] ;
- Na : constante d’Avogadro [= 6,02.1023 mol-1] ;
- σm : surface occupée par une molécule adsorbée à la surface d’un solide recouvert d’une couche monomoléculaire [= 1,62.10-19 m²].
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3.5.2. Matrice minérale
3.5.2.1. Analyse thermogravimétrique (ATG)
L’analyse thermogravimétrique consiste à mesurer la perte de masse d’un échantillon provoquée par une augmentation progressive de la température de l’échantillon sous atmosphère inerte. Les différentes phases constituant un sol se dégrade à des températures différentes. Ainsi, les pertes de masse successives mesurées lors de l’augmentation de température permettent d’identifier et de quantifier les phases minérales majoritaires constituant l’échantillon.
L’appareil utilisé préalablement calibré nécessite entre 20 et 30 mg d’échantillon de sol pour l’analyse. Le gaz utilisé est le diazote (N2). La gamme de températures appliquée s’étend de 25 à 1100 °C et l’augmentation de la température s’effectue à 10 °C min-1.
3.5.2.2. Diffraction des Rayons X (DRX)
L’identification des phases minérales cristallines des sols a été effectuée par diffraction des rayons X (DRX). Le principe de cette méthode est de bombarder un échantillon avec des rayons X et de regarder l’intensité et l’orientation dans l’espace des rayons X diffusés. Si les rayons X diffusés interfèrent entre eux de manière constructive (loi de Bragg, équation 27), alors le phénomène de diffraction apparait et les rayons X sont détectés.
2𝑑 sin 𝜃 = 𝑛𝜆 (27)
Avec :
- d : distance interréticulaire [m] ; - θ : demi- pangle de déviation [rad] ; - n : ordre de diffraction [-] ;
- λ : longueur d’onde des rayons X [m].
Les intensités des rayons X diffractés en fonction des angles de déviation sont alors tracées dans un diffractogramme. Chaque phase minérale cristalline pure possède une signature caractéristique, ce qui permet leur identification. Pour un échantillon possédant plusieurs phases, les différentes signatures sont superposées dans le diffractogramme obtenu.
3.5.2.3. Teneur en carbonate de calcium (CaCO3)
La teneur en CaCO3 des sols a été déterminée par le Laboratoire d’Analyse des Sols d’Arras en mesurant le volume de dioxyde de carbone dégagé après acidification du sol à l’acide chlorhydrique en milieu fermé (NF ISO 10 693).
3.5.2.4. Teneurs en fer et éléments-trace métalliques (ETM) totaux
Les teneurs en fer et ETM (Cr, Cu, Ni, Zn, Co, Pb, Cd, Tl, Mo) totaux des sols ont été déterminées par le Laboratoire d’Analyse des Sols d’Arras. Après mise en solution des sols par les acides fluorhydrique et perchlorique (NF X 31-147), les éléments sont dosés par spectrométrie d’émission atomique par plasma à couplage inductif (ICP-AES ; NF ISO 22036) ou par spectrométrie de masse par plasma à couplage inductif (ICP-MS ; 17294-2) lorsque la sensibilité est insuffisante (Pb, Cd, Tl, Mo).
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3.5.3. Matières organiques
3.5.3.1. Carbone Organique Total (COT)
Le COT des sols a été déterminé par combustion sèche à 1000 °C (NF ISO 10694) par le Laboratoire d’Analyse des Sols d’Arras.
3.5.3.2. Analyse élémentaire CHNS/O
Les analyses élémentaires CHNS/O des extraits organiques (MOE) et des goudrons de houille ont été effectuées au Service Central d’Analyse du CNRS (Lyon, Auvergne-Rhône-Alpes, France).
3.5.3.3. Spectroscopie Infrarouge (IR)
De la spectroscopie IR a été effectuée sur certains extraits organiques afin d’identifier les groupements fonctionnels majoritaires présents dans ces derniers. Elle repose sur l’énergie absorbée par la molécule lors d’une transition entre les niveaux vibrationnels de cette molécule provoquée par l’interaction de la molécule avec une onde électromagnétique de fréquence déterminée. Plus précisément, chaque liaison entre les atomes de la molécule vibre – par élongation ou déformation – à une fréquence dépendant de la nature des atomes et de l’environnement de la liaison. La liaison entre alors en résonance et la molécule absorbe l’énergie apportée par l’onde électromagnétique. Les spectres IR représentent les bandes d’absorption en fonction du nombre d’onde (cm-1), qui est l’inverse de la longueur d’onde. Pour les molécules organiques, la gamme de nombres d’onde balayée est de 500 à 4000 cm-1.
3.5.3.4. Pétrographie organique
Finalement, un comptage par pétrographie organique des particules organiques et minérales des deux terres étudiées a été réalisé par le laboratoire Weatherford (Houston, Texas, Etats-Unis) afin de déterminer la nature de la matière organique des sols. Cinq cents particules ont été comptées par échantillon.