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Mécanismes d’interactions des métaux avec les constituants de la matrice sédimentaire

1 Etude bibliographique

1.4 Comportement environnemental à long terme des sédiments gérés à terre

1.4.1 Mécanismes d’interactions des métaux avec les constituants de la matrice sédimentaire

matrice sédimentaire

Les principaux processus responsables du devenir et de la mobilité des ETM dans les

sols et les sédiments sont représentés dans la Fig.9. Il s'agit de l’échange ionique, l’adsorption

sur les phases minérales porteuses, la complexation avec la matière organique particulaire ou

dissoute ainsi que les réactions de précipitation/coprécipitation et de dissolution de minéraux.

Figure 9 Principaux mécanismes res

Mn+, Mj(Lor)i(n+i)+ et Mj(Linorg)i(n+ inorganique en solution respectiveme précipitation ou encore les ETM inte

2

1.4.1.1 Adsorption non-spéc

L’adsorption non spéc

organique ainsi qu’en surface d

der Waals et coulombiennes at

du solide qui sont alors compe

contre-cation ne forme pas de

sphère externe [25,90]. Cette a

est essentiellement contrôlée

surface solide. Malgré le carac

sélectivité en fonction de la

complexe de sphère externe.

présente une affinité d'autant

chargés et de faible rayon d’h

par adsorption est déterminée p

négatives de surfaces du solid

d’adsorption principal pour le

CEC du sédiment, les argiles é

aux charges variables de la MO

#!2

responsables du devenir et de la mobilité des ETM à l’in

(n+i)+ représente les ETM libres ou complexés à un

ment. M représente les ETM retenus à la surface par ads nternalisés dans la phase particulaire, solide ou dans les o

pécifique et adsorption spécifique

pécifique intervient en surface des sites acid

e de la charge négative permanente des argiles.

attirent les cations présents en solution vers les

pensées par une quantité équivalente de contre

de liaison covalente avec la surface, il form

te adsorption réversible connue sur le terme d’é

par la diffusion, la stœchiométrie et l’affinit

ractère non spécifique de l’échange ionique, il

la valence des éléments ainsi que du degré

e. La théorie de la double couche [91] mon

ant plus grande pour des ions que ceux-ci so

’hydratation [92,25]. La faculté d’un solide à

ée par la mesure de la CEC, elle résulte de l’ens

lide. L’échange ionique est souvent présenté co

les argiles [93]. Les argiles et la MON contri

étant peu influencées par une augmentation de

MON

. l’interface solide-liquide. un ligand organique et adsorption, complexation, s organismes vivants.2

cides de la matière

es. Les forces de Van

les charges négatives

tre-cations [25]. Si le

rme un complexe de

d’échange cationique

inité des ions pour la

il existe une certaine

gré d’hydratation du

ontre que la surface

sont plus fortement

à retenir des cations

ensemble des charges

comme le processus

tribue fortement à la

de pH contrairement

#92

L'adsorption spécifique correspond à la formation de liaisons partiellement

covalentes avec des ligands de surface, constituant un complexe de sphère interne. Il est

considéré comme une adsorption spécifique [23,94] puisque la formation des liaisons

covalentes dépend des configurations électroniques de l’ion complexé et des groupements de

surface [25]. Cette adsorption, aussi dénommée complexation, dépend également du pH et de

l’hydrolyse des métaux [95]. Elle se produit à la surface des (hydr)oxydes [96,97], à la surface

et sur les sites de bord de feuillets des argiles, sur les substances humiques. La capacité de

sorption des oxydes de fer est variable et dépend de leur degré de cristallinité, des impuretés

associées, de la présence d’éléments co-précipités et de leur degré d’altération [98].

Les groupements fonctionnels des substances humiques se comportant comme des

ligands complexant [41] sont principalement les groupements acide carboxylique (-COOH),

hydroxyle (-OH), thiol (-SH) et les groupements basique de type amine (-NH

2

), carbonyle

(C=O), alcool (-OH) et thioéther (S-OR).

1.4.1.2 Précipitation et co-précipitation

Il est souvent décrit que les réactions de coprécipitation/précipitation font partie des

principaux processus de rétention des ETM dans la phase solide [23]. Ces réactions peuvent

se dérouler soit à la surface des phases solides, soit dans la phase aqueuse du milieu, se

traduisant respectivement par un accroissement de la surface du solide ou par la formation

d’un nouveau solide. Dans les milieux naturels, les métaux sont susceptibles de précipiter

sous forme de carbonates, d’oxydes, d’hydroxydes, de phosphates ou en encore de sulfures.

Cd, par exemple, peut précipiter en otaviate (CdCO

3

) à pH élevé et en CdS en conditions

réductrices [21]. Dans les sols, Pb peut être contrôlé à pH élevé par des phosphates peu

solubles (pyromorphite). Zn, à l’exception de la franklinite (ZnFe

2

0

4

), est moins soluble

quand il est adsorbé que sous forme minérale. Mn est contrôlé par la pyrolusite (MnO

2

) en

conditions oxydantes et la manganite (MnO(OH)) en conditions plus réductrices [3].

S'agissant de coprécipitation, lorsque des alumino-silicates précipitent il peut y avoir

incorporation de Zn dans les structures à la place d'Al. De même, Pb peut précipiter dans les

oxydes de Mn, les illites, les smectites et la MON [23].

#:2

L’étude des isothermes d’adsorption permettent de formuler une description

mathématique qui relie la concentration d’un élément donné en solution à sa concentration

dans la phase solide par un coefficient de partage solide-liquide Kd, sans référence aux

mécanismes impliqués [21]. Le coefficient de partage obtenu dépend des paramètres

physico-chimiques, de la nature de la phase solide sol ou sédiment, de sa texture ainsi que de la teneur

en MON. Les modèles de Freundlich et de Langmuir sont couramment utilisés pour décrire

l’adsorption des ions sur les matrices solides [99], bien qu'ils aient été initialement conçus

pour décrire l’adsorption des gaz à la surface des solides et qu'il existe d’autres modèles pour

décrire la sorption des métaux selon l’interaction mis en jeu [20,100]. Si les Kd sont des

paramètres très utiles et faciles à obtenir, l’utilisation d’isothermes ne peut donner des

résultats entièrement satisfaisants à cause des différents processus de sorption spécifiques

selon les métaux impliqués [21,101]: les réactions de précipitation sont par exemple intégrées

en tant qu’adsorption. Bien que les modèles produits par les isothermes puissent décrire les

données expérimentales, ils sont insuffisants pour comparer entre elles différents types de

matrices de sols ou de sédiments car aucune approche mécanistique n’est prise en compte.

D'un point de vue cinétique, la plupart des réactions de sorption se déroulent en

quelques heures, bien que certaines réactions ioniques soient instantanées et que d’autres

puissent s’étendre sur plus d'une année. La désorption peut présenter des cinétiques plus

lentes qui confèrent une irréversibilité apparente ou une hystérésis [102,103]. Cependant, pour

des temps de contact suffisamment long, la désorption peut correspondre à la réversibilité de

l'adsorption [104]. Concernant la MON, on observe des désorptions rapides associées aux

éléments labiles ainsi que des réactions lentes rendant les éléments considérés moins

disponibles [105].