1.3.6.1 Surfactants
Les surfactants sont des molécules amphiphiles qui possèdent une « tête » polaire (hydrophile) et une « queue » apolaire (hydrophobe). Selon la nature du groupement polaire, on distingue les surfactants anioniques, cationiques, non ioniques et amphotère. En raison de leur caractère amphiphile, les molécules de surfactants peuvent se dissoudre dans l’eau sous forme de monomères, s’adsorber à une interface, ou être incorporées avec d’autres molécules de surfactants pour former une micelle.
Figure 1.5 Formation d’une micelle dans la solution de surfactant
La concentration (ou la gamme étroite de concentrations) à partir de laquelle on observe la formation de micelles est appelée la concentration micellaire critique (CMC). La CMC, qui dépend de facteurs tels que la nature du surfactant, la température, la force ionique et la présence de traces de solvant organique ou même de composés organiques, est la concentration à laquelle certaines propriétés de la solution (telle que la tension de surface) présentent une variation brusque de leur valeur. Le nombre de molécules de surfactants qui constitue une micelle est
appelé le nombre d’agrégation. Les micelles peuvent prendre une forme sphérique, sphéroïdale ou en bâtonnets. Quand la partie hydrophobe du surfactant est une chaîne d’hydrocarbures, les micelles vont être constituées d’une partie centrale hydrocarbonée avec des groupements polaires à la surface qui servent à maintenir la solubilité dans l’eau. Après incorporation dans les micelles, les cinétiques de réaction ainsi que les équilibres chimiques et les propriétés des solutés peuvent être radicalement modifiés. Même à des concentrations inférieures à la CMC, les surfactants peuvent s’associer avec un nombre d’agrégation faible pour former des dimères, trimères, etc. Par conséquent, en dessous de la CMC, une légère augmentation de la solubilité des HAP peut être observée majoritairement due au partage des HAP et en particulier ceux les plus hydrophobes, avec ces agrégats (Yeom et al., 1995; Brouwer et al., 1994). Cependant, il a été montré qu’une nette augmentation de la solubilité des HAP n’est observée qu’à des concentrations en surfactant supérieures à la CMC (Edwards et al., 1991).
L’efficacité d’un surfactant donné pour solubiliser un HAP particulier peut être estimée en déterminant le rapport de solubilisation molaire (MSR molar solubilization ratio) et le coefficient de partage micelle/eau (Km). La valeur du MSR correspond au nombre de moles de HAP solubilisées sur le nombre de moles de surfactants présents sous forme de micelles (Tiehm, 1994; Prak et Pritchard, 2002). Dans une solution, on a la relation (Edwards et al., 1991) :
Équation 1.1 MSR=
(
SHAP,micelle−SHAP,CMC)
/(
Csurf −CMC)
où :
MSR : Rapport de solubilisation molaire (MSR molar solubilization ratio) SHAP,CMC : Solubilité apparente du HAP dans la solution à la CMC (mol L-1) ;
SHAP,micelle : Solubilité apparente du HAP dans la solution à une concentration du -1
Csurf : Concentration du surfactant à laquelle SHAP,micelle est évaluée (mol L-1). CMC : Concentration micellaire critique
Le coefficient de partage micelle/eau (Km) représente la distribution du soluté entre les micelles et la phase aqueuse. Il est égal au rapport de la fraction molaire de HAP solubilisés dans la pseudo-phase micellaire (Xm) sur la fraction molaire de HAP solubilisés dans la pseudo-phase aqueuse (Xa) (Edwards et al., 1994) :
Équation 1.2 a m m X X K =
La fraction molaire du HAP dans la pseudo-phase micellaire peut être calculée de la manière suivante (Edwards et al., 1991):
Équation1.3 Xm=
(
SHAP,micelle−SHAP,CMC)
/(
Csurf −CMC+SHAP,micelle−SHAP,CMC)
=MSR/(
1+MSR)
La fraction molaire du HAP dans la pseudo-phase aqueuse peut être estimée ainsi (Edwards et
al., 1991) :
Équation 1.4 Xa =SHAP,CMC.Veau
où Veau : volume molaire de l’eau (i.e. 0.01805 L mol-1 à 25°C).
Le coefficient de partage peut donc être déterminé à partir de la valeur du MSR expérimentale selon l’Équation ci-dessous (Edwards et al., 1991) :
Équation 1.5 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = MSR MSR S V K CMC HAP eau m 1 . 1 ,
Pour un surfactant non ionique donné, les valeurs de log Km semblent être corrélées avec les coefficients de partage octanol-eau des HAP (i.e. relation linéaire avec log Kow) (Edwards et al., 1991).
Un autre paramètre important qui décrit les propriétés physiques des surfactants est le bilan hydrophile-lipophile (HLB : hydrophile-lipophile balance) qui est déterminée par le rapport entre la partie hydrophile et la partie hydrophobe de la molécule de surfactant. La valeur du HLB d’un surfactant augmente donc avec son caractère hydrophile (Tiehm, 1994).
1.3.6.2 Lavage de sol
Le lavage de sol est un procédé ex situ basé sur l’idée d’un rinçage à l'eau pour enlever des contaminants. Le processus d’extraction des contaminants organiques et/ou inorganiques du sol peut se faire d’une des deux manières suivantes (Mulligan et al., 2000a, b):
• En les dissolvant ou en les transférant à la solution de lavage ;
• En les concentrant dans un plus petit volume de sol par séparation particulaires, gravimétrique, flottation et/ou attrition.
Le lavage de sol est un procédé chimique souvent associé à des procédés minéralurgiques (Mann, 1998). Cette technique de traitement est une technologie de transfert des polluants qui nécessite un traitement des contaminants en aval. Elle s’applique aux sols, sédiments, roches et boues d’épuration. Son principe est assez simple. Les contaminants adsorbés sur les fines particules de sol sont séparés et extraits de la masse de sol. Le pouvoir de lavage de l’eau est augmenté par l’ajout d’agents tensioactifs, d’agents chélatants et par un ajustement du pH.
Pour les sols présentant des contaminations mixtes et hétérogènes, il est difficile de mettre en place une cellule de lavage unique qui puisse être active sur l’ensemble des contaminants. Dans ces cas particuliers, il est nécessaire de procéder à un traitement comprenant plusieurs cellules de lavage, chacune adaptée à un type de contaminant (Van et al., 2002). La clé pour un lavage
efficace des sols résulte de l’arrangement et la configuration des unités de procédés, ainsi que de la caractérisation et la compréhension des interactions polluants/sol (Mann, 1998). Un chapitre détaillé du « Remediation technologies screening matrix and reference guide » fait état des caractéristiques des sols influençant les paramètres du procédé de lavage dont la distribution granulométrique, le type de sol, la structure et les propriétés physiques, la présence de moisissures, la nature et la concentration des polluants, la teneur en COT, la texture et la capacité d’échange cationique (Van et al., 2002). Les contaminants candidats au lavage de sol sont principalement les métaux, les organiques semi-volatils, les HAP, les pesticides, les BPC et les éléments faiblement radioactifs (Mann, 1998). Si le lavage des HAP est généralement associé à l’action d’un tensioactif, le lavage des métaux peut être réalisé à l’aide de divers facteurs comme le pH, l’ajout de chélatants, de biosurfactants ou d’oxydants.
Cette approche présente une réelle rationalité économique du fait des concentrateurs placés en amont de la cellule de lavage qui permet de concentrer les polluants dans un plus petit volume de sol à traiter par lavage. Ainsi, de moins grandes quantités de surfactant et d’eau sont utilisées. Ce procédé permet de traiter tant les composés organiques qu’inorganiques (Mann, 1998). Actuellement, cette technique est utilisée de façon intensive en Europe mais est beaucoup moins répandue aux États-Unis. Le coût moyen de cette technologie, incluant l’excavation, est d’environ 170 $US tm-1 à traiter selon les sols, les contaminants et les traitements préalables nécessaires (Van et al., 2002).
La flottation est un procédé physico-chimique très complexe dont le principe repose sur les propriétés de surface naturelles ou stimulées de la matrice considérée (caractère hydrophile ou hydrophobe) (Bouchard, 2001). Le système consiste en une pulpe (matrice/eau/agents de flottation) maintenue sous agitation et subissant, sur des intervalles de temps bien définis, des injections d’air à des débits très précis. C’est ce dernier processus qui permet de faire flotter les contaminants par un transport sélectif des particules hydrophobes. En effet, les particules présentant des surfaces hydrophobes se fixent aux bulles d’air lorsqu’elles entrent en collision avec elles, alors que les particules hydrophiles restent en solution. Les bulles d’air entraînent les particules jusqu’à la surface de la pulpe où elles forment une mousse chargée (Bouchard, 2001).
Figure 1.6 Schéma d’une cellule de flottation (Bouchard, 2001)