Méthode de caractérisation des solides

2.1 Caractérisation physico-chimique

2.1.1 Caractérisation chimique

- pH

Les pH H

2

O et KCl des matériaux ont été mesurés dans le surnageant d’une suspension de

solide avec respectivement de l’eau ultrapure et du KCl 1M (rapport solide/solution = 1 : 2,5.)

avec une électrode de verre.

- Capacité d’échange cationique (Bertin et al.)

La détermination de la capacité d’échange cationique des matériaux a été réalisée au

Laboratoire d’Analyse des Sols de l’INRA à Arras en novembre 2009 par une extraction au

chlorure de cobaltihexamine. 5,0 g d’échantillon ont été pesés et mélangés à 100 ml de

solution de chlorure de cobaltihexamine à 5,0 cmol l

^-1

, le mélange a ensuite été agité à 20°C

pendant une heure puis centrifugé et filtré. L'ion cobaltihexamine absorbe une radiation de

475 nm de longueur d'onde et sa concentration résiduelle en solution se détermine par

spectrocolorimétrie, la fraction adsorbée étant déterminée par différence. La technique utilisée

et décrite dans la norme NF X 31-130.

- Teneur en carbone total

Pour les échantillons de minerais, la détermination de la teneur en carbone totale des

échantillons a été réalisée au service d’analyse des roches et des minéraux (SARM) du CRPG

à Nancy au moyen d’un analyseur carbone soufre SC-144DR. Pour ces analyses, 350 mg

d’échantillons ont été introduis dans une nacelle et placés dans un environnement d’oxygène

pur à 1350°C ce qui provoque la combustion et l’oxydoréduction des différents éléments

contenus dans l’échantillon. Le carbone se transforme en CO

2

que l’on peut mesurer grâce à

un spectromètre d’infrarouge placé en sortie du four.

- Teneur en matière organique

Pour les échantillons de sols, la teneur en matière organique a été déterminée au laboratoire de

l’Embrapa Cerrado à Brasilia selon la méthode dite de Wackley et Black décrite dans la

norme NF X31-109 est utilisée pour déterminer le carbone organique dans les sols agricoles.

Cette méthode permet le dosage direct du Carbone organique par colorimétrie après oxydation

de la matière organique par du bichromate de potassium en excès, en milieu sulfurique et à

135°C. En effet, la quantité de chrome III+ formée est proportionnelle à la teneur en carbone

organique présente dans le sol.

2.1.2 Caractérisation physique

- Granulométrie

La granulométrie des échantillons a été réalisée par le Laboratoire d’Analyse des Sols de

l’INRA à Arras selon la norme NF X 31 – 107. Les proportions des classes de particules

suivantes ont été déterminées :

•

Argiles : < 2 µm

•

Limons fins : 2 µm à 20 µm

•

Limons grossiers : 20 µm à 50 µm

•

Sables fins : 0,05 mm à 0,2 mm

•

Sables grossiers 0,2 mm à 2 mm

La détermination des fractions les plus fines (< 50 µm) a été effectuée au moyen de trois

prélèvements successifs (à la pipette dite de Robinson) dans une suspension de sol en cours

de sédimentation. La fraction des sables fins a été séparée par passage sur tamis de 50 µm et

sous courant d'eau de la suspension après prélèvements des fractions fines. Les prélèvements

et tamisage ont été réalisés après destruction de la matière organique par l'eau oxygénée

(H

₂

O

₂

) sur une prise d'essai d'environ 10 g. Enfin, la dispersion finale a été réalisée par un

court passage aux ultrasons après addition de dispersant [(NaPO

₃

)

₆

+ Na

₂

CO

₃

] et après avoir

au préalable séparé les sables grossiers (> 0,200 mm) par tamisage. Les pesées après

évaporation et séchage des fractions prélevées à la pipette ont permis de déterminer les

proportions des différentes classes granulométriques.

- Teneur en eau à saturation et porosité effective

Pour la teneur en eau à saturation (porosité effective), 10 g d’échantillon ont été pesés et

placés dans des cylindres de 4,8 cm de haut dont le fond a été remplacé par un filtre de

diamètre de pore de 35 µm. Les cylindres ont été placés dans un bac, sur une grille en contact

avec la surface de l’eau afin que l’eau remonte par capillarité. Après 48 h de contact, les

cylindres ont été pesés et la porosité effective a été obtenue par différence entre la teneur en

eau naturelle et la teneur en eau à saturation.

- Densité particulaire (D)

-La densité particulaire des échantillons de sols a été mesurée au laboratoire de l’Embrapa

Cerrado. Les échantillons ont été préalablement tamisés à 2mm puis 20g de chaque

échantillon ont été pesés et placés dans un flacon de 50ml. 15ml d’alcool éthylique ont ensuite

été ajoutés dans chaque flacon et homogénéisé pendant 30 minutes pour permettre à l’alcool

de s’imprégner dans le solide. Le volume d’alcool nécessaire pour compléter l’intégralité des

flacons de 50 ml est ensuite mesuré et la densité particulaire s’obtient par la formule :

D = m

_S

/ (50-V

_A

)

Avec D la densité particulaire, m

_S

la masse d’échantillon initiale et V

_A

le volume d’alcool

nécessaire à remplir l’intégralité du flacon de 50ml.

-Conductivité hydraulique (Ks)

La mesure de la conductivité hydraulique à saturation a été réalisée sur des cylindres de sol

non remanié avec un perméamètre à charge constante. Les échantillons ont d’abord été

d’abord mis à saturer saturés pendant 24 h dans des bacs d’eau distillée afin d’éviter la

formation de poches d’air dans les échantillons. La conductivité hydraulique a ensuite été

mesurée sur chaque cylindre en utilisant un perméamètre à charge constante (Reynolds et al.

2002). Ces mesures ont également été réalisées au laboratoire de l’Embrapa Cerrado.

2.2 Méthode de caractérisation des phases minérales porteuses d’ETM

2.2.1 Diffraction des rayons X (DRX)

L’analyse par DRX a permis de déterminer les différentes espèces minérales présentes dans

les échantillons (garniérite, limonite et stériles). Ces analyses ont été réalisées au Laboratoire

d’Environnement et de Minéralurgie (LEM-CNRS, Nancy, France) pour tous les échantillons

préalablement tamisés à 2 mm. Les diffractogrammes ont été enregistrés à température

ambiante en utilisant un diffractomètre BRUKER-D8 avec une source au cobalt (Co Kα1 λ =

1,7902 Å). Le diffractomètre était équipé d’un goniomètre (θ, 2θ) et d’un détecteur sensible à

la position (PSD). Un diffractogramme supplémentaire a été enregistré sur un dépôt orienté de

garniérite après traitement à l’éthylène glycol pour parvenir à différencier les différents types

de smectites.

2.2.2 Microscopie électronique en transmission (Ponizovsky et al.)

L’analyse des échantillons par MET a permis d’observer les différentes espèces minérales et

d’avoir une première idée de la répartition des ETM dans ces phases. L’observation des

phases minérales ainsi que l’ensemble des microanalyses chimiques associées ont été réalisées

sur un microscope électronique en transmission Philips CM20 (200kV), couplé avec un

spectromètre de dispersion en énergie des rayons X, EDAX (SCMEM, Faculté des Sciences,

Université Henri Poincaré, Nancy, France). Quelques milligrammes de poudre d’échantillon

(< 200 µm) ont été suspendus dans de l’éthanol puis dispersés par ultrasons. Une goutte

d’échantillon a ensuite été déposée sur une grille en cuivre recouverte d’un film de carbone.

2.2.3 Spectroscopie RAMAN

Les spectres Raman ont été enregistrés avec un spectromètre monochromateur de type Jobin

Yvon T64000 équipé d’un microscope confocal au Laboratoire de Chimie Physique et

Microbiologie pour l’environnement (LCPME-CNRS, Nancy, France). La spectroscopie

Raman a en effet été utilisée pour compléter la caractérisation minéralogique et définir les

groupements de surface métal-OH des phases porteuses naturelles. Les échantillons sous

forme de poudre ont été orientés manuellement sur une surface métallique polie et placés sur

le plateau d’un microscope Olympus BHSM équipé d’objectifs x 10 et x 50. Les spectres

Raman ont été obtenus par excitation de l’échantillon par un rayon laser à 514 nm sur un

diamètre d’environ 0,8 mm et une puissance de 2 mW.

2.2.4 Mossbauer

La spectrométrie d’absorption Mössbauer est une méthode permettant de déterminer le degré

d'oxydation et l'environnement d'éléments chimiques. Cette technique a été employée dans

cette étude pour caractériser les différentes formes de Fe présents dans l’échantillon de

limonite. Cette analyse a été réalisée au LCPME (Villers-lès-Nancy) par spectrométrie

Mössbauer par transmission et sur un appareil permettant de descendre à basse température (7

K). Les spectres Mössbauer obtenus étaient constitués d'un ensemble de multiplets dont la

forme et la position (déplacement chimique) permet d’obtenir des informations sur le nombre

d'oxydation, mais aussi sur la nature et la géométrie des plus proches voisins de l'élément

chimique étudié.

Dans le document Dynamique du nickel et d'autres éléments en traces métalliques (Co, Cr, Cu et Mn) dans des matériaux miniers ultramafiques (Page 68-72)