PARTIE II. H YPOTHESES SUR LES CAPACITES DE RETENTION ET D ’ EMISSION DES
2.2.3 Cinétiques et isothermes de sorption des différents matériaux constitutifs du substrat
Les deux matériaux organiques constitutifs du substrat extensif montrent une capacité de sorption beaucoup plus élevée que celles du matériau minéral, la pouzzolane. Les capacité de sorption du substrat reconstitué à partir de ces trois matériaux en fonction des proportions transmises par le fournisseur ont également été mesurées. Les valeurs obtenues sont significativement corrélées (supérieures à 0,95) avec la moyenne des capacités des matériaux considérés individuellement pondérées par leur pourcentage massique, en particulier aux faibles concentrations. Les valeurs restent également dans la même gamme aux fortes concentrations. Les temps d’équilibre des différents matériaux sont relativement élevés (de l’ordre de 1h30 à 5 h) et comparables entre eux aussi bien individuellement qu’en mélange. Il est donc difficile de savoir la façon dont les temps d’équilibres individuels jouent sur le mélange.
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Figure 28 - Evolution de la capacité de sorption du Cu par les principaux matériaux constitutifs du substrat extensif considérés individuellement et en mélange
2.2.4 Discussion : les caractéristiques physiques et chimiques de chaque
matériau influent sur le fonctionnement global de la structure
Un effet du pH techniquement difficile à évaluer
Il n’a pas été possible de caractériser précisément l’effet d’une augmentation du pH sur la capacité de rétention des matériaux, du fait de la précipitation des métaux à pH élevé. Cependant, si une précipitation de ces ions s’est produite à pH élevé en laboratoire, elle peut également se produire en condition réelle et contribuer à une rétention d’une partie des ions apportés à la structure végétalisée.
Une diminution de la capacité de sorption des matériaux non concassés confirmée
Les temps d’équilibre pour la sorption sur le substrat extensif et l’argile expansée sont significativement supérieurs pour les matériaux non concassés par rapport aux concassés. Initialement réalisés en vue de la modélisation des transferts de polluants dans la toiture végétalisée (Annexe XI), les concentrations utilisées pour les cinétiques de sorption sur les matériaux non concassés sont significativement plus faibles que celles utilisées pour les matériaux concassés, afin d’être moins éloignées des teneurs présentes dans les dépôts atmosphériques. Or des concentrations plus faibles devraient induire des temps d’équilibre plus faibles (Ho & Ofomaja, 2006). Cette tendance serait donc encore plus marquée à concentration égale. Ceci s’explique par le
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fait que les plus petites particules permettent un contact plus rapide entre les ions et les sites de sorption (Yu et al., 2006).
La capacité de sorption sur l’argile expansée non concassée est plus faible d’un tiers pour Cu et de la moitié pour Zn par rapport au matériau concassé. Cette tendance provient probablement d’une augmentation de la surface spécifique par le concassage du matériau, induisant une augmentation du nombre de sites de sorption (Bhatti et al., 2009 ; Hanif et al., 2009). L’impact sur le substrat est quasiment négligeable. Cela peut s’expliquer par l’hétérogénéité de ce matériau (granulométrie) et de l’affinité variable des métaux pour l’écorce de pin, la tourbe et la pouzzolane, principaux composants de ce mélange. En effet les constituants organiques (tourbe et écorce de pin) ont montré les plus fortes capacités de sorption de Cu et Zn. Or ce sont également les composants présents dans les plus petites phases granulométriques (Annexe V). Ils auront donc probablement été moins influencés par le concassage.
Des capacités de rétention d’un mélange comparables à la moyenne pondérée de celles de chacun de ses composants
La caractérisation des matériaux individuels a également permis de mesurer la capacité de sorption de la pouzzolane, encore peu étudié à ce jour. La capacité de ce matériau à sorber les métaux s’avère très faible. Celle-ci présente pourtant de l’hématite (Partie II paragraphe 1.2.1) susceptible de retenir les métaux (Bradl, 2004). Cette faible capacité de sorption influence donc négativement celle du substrat.
Le temps d’équilibre avec le mélange semble gouverné par celui du matériau présentant le plus long temps d’équilibre. Cependant cela reste à confirmer car les trois matériaux considérés ont des temps d’équilibre comparables. Ils sont également relativement longs par rapport à ce qui peut être observé dans la littérature pour les mêmes matériaux comme l’écorce de pin (Nehrenheim & Gustafsson, 2008). Cela peut provenir de la nature des matériaux en eux-mêmes ou encore des vitesses d’agitation utilisées dans la littérature qui sont souvent plus élevées que celle utilisée dans le cadre de ces essais. Ces faibles vitesses de rotation ont été choisies dans ce contexte d’étude de toiture végétalisée car en condition réelle aucune agitation n’est présente. Il est important de ne pas trop surestimer les cinétiques et capacités de sorptions via ce paramètre afin d’obtenir des temps d’équilibre proches de ceux rencontrés sur les toitures expérimentales.
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Pistes pour la conception de toitures végétalisées aux capacités épuratoires optimisées
Ces résultats confirment la pertinence de l’usage d’argile expansée pour la construction de matériaux de toitures végétalisées aux capacités épuratoires optimisées. En effet, l’argile expansée présente une capacité de sorption plus élevée que celles des matériaux organiques, qui pourtant contrôlent une part importante des liaisons avec les métaux, notamment avec Cu. Elle pourrait également remplacer avantageusement la pouzzolane, qui présente une faible capacité de sorption, pour constituer la part minérale des substrats. En effet, l’argile expansée offre les mêmes types de fonctions qui sont attendues de la part minérale d’un substrat que la pouzzolane, telles que la capacité de rétention d’eau élevée et la faible masse volumique. Le pouvoir de sorption pourrait encore être amélioré en diminuant la granulométrie du matériau par concassage, tout en veillant à ne pas trop augmenter la masse volumique globale.
La comparaison de la moyenne des capacités de sorptions individuelle pondérée par le pourcentage massique de chaque matériau constitutif du substrat est globalement comparable à celle du mélange reconstitué avec ces mêmes matériaux et proportions. Ceci peut être utile lors de la conception d’un substrat. En effet, en caractérisant seulement chaque matériau individuellement, une estimation de tout un panel de mélanges réalisés à partir de différentes proportions de chacun d’entre eux peut être obtenue à partir de calculs rapides.
Enfin, une plus faible capacité de sorption est enregistrée pour le substrat reconstitué par rapport au substrat commercial. Cela pourrait provenir des amendements complémentaires qui n’ont pas été utilisés dans le mélange reconstitué. Ces éléments représentent cependant une très faible proportion du mélange (de l’ordre de 1 à 2 kg m-3). Or dans la mesure où l’impact d’un composant sur la capacité de sorption globale semble lié à cette proportion, il est peu probable que cela explique ces variations significatives. Cette différence pourrait donc provenir des capacités de sorption propres des principaux éléments constitutifs du substrat. En comparant les capacités de sorption de l’écorce de pin et de la tourbe étudiée dans le cadre de ces essais, avec le même type de matériaux étudiés dans la littérature (Tableau 19), les gammes de capacités de sorption sont d’ailleurs comparables mais pas parfaitement égales. Selon son origine, son mode de production ou encore son âge, les capacités de sorption de différents matériaux d’un même « type » comme des écorces de pin par exemple peuvent donc être différentes. Cela souligne l’importance d’une caractérisation fréquente des capacités de rétentions d’ETM des « matières premières » utilisées par les entreprises pour fabriquer leurs substrats, si celles-ci souhaitent mettre en avant les capacités épuratoires de leurs produits.
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