Au delà des résultats expérimentaux et des informations acquises sur le comportement géochimique des deux types de matrices complexes étudiées, nous souhaitons consacrer cette partie à la mise en relief de points clés méthodologiques sur le couplage entre expérimen-tation et modélisation géochimique dans la perspective de pouvoir appliquer cette méthode à d’autres matrices et d’autres approches expérimentales. Cette partie est illustrée à partir des résultats déjà présentés et de résultats complémentaires acquis lors de l’optimisation de la modélisation des batchs ANC.
Nous aborderons dans un premier temps, l’intérêt des mesures ANC-BNC pour étudier les mécanismes à l’équilibre thermodynamique. Nous traiterons ensuite de la méthodologie d’exploitation des courbes expérimentales que nous proposons et nous démontrerons la non additivité des mécanismes de dissolution des phases solides. Nous présenterons de manière détaillée le rôle de certains mécanismes géochimiques dans la modélisation des batchs : complexation de surface sur la matière organique ou sur d’autres surfaces solides et prise en compte de la phase gazeuse dans les batchs. Nous terminerons par un bilan qui présentera les points clefs de la modélisation géochimique représentative d’un test ANC-BNC ainsi que les étapes principales à prendre en compte dans ce type de méthode.
1 Un protocole expérimental modélisable à l’équilibre
Le test expérimental ANC-BNC utilisé dans les différents cas d’étude de ce doctorat a
le principal avantage de permettre à chacun des batchs d’atteindre l’équilibre thermodyna-mique à la fin du temps de mise en contact.
Le graphique présenté par la figure 01 illustre l’atteinte de l’équilibre thermodynamique des batchs. Chaque point expérimental correspond à un batch donné, avec une quantité d’acide ou de base définie. La stabilité du pH entre les deux mesures à 44 et 48 heures permet, en comparaison avec les mesures de l’état initial à t=0, de conforter cette hypothèse. Cette observation est d’autant plus importante que le principe même de la modélisation qui est associé à ce test ANC-BNC suppose l’équilibre thermodynamique en chacun des points du modèle.
On peut donc modéliser ces résultats expérimentaux avec des réactions géochimiques et des constantes de réactions basées sur l’hypothèse d’équilibre thermodynamique tel que PHREEQC le prend en compte. En cas contraire, il aurait fallu implémenter des cinétiques de précipitation et dissolution pour les phases en présence, ce qui peut s’avérer ardu et compliqué. Néanmoins, cela n’exclut pas que cet aspect ne soit pas respecté pour d’autres matrices solides. On suggère donc de surveiller le pH en fin de temps de contacts par deux mesures espacées de quelques heures pour s’assurer de l’atteinte de l’équilibre.
Ce cas d’étude présenté ici correspond à l’expérimentation ANC-BNC de l’article 1 et 2 : échantillonnage de 2015 sur les sédiments de bassin d’infiltration DjR.
154 MÉTHODOLOGIE GÉNÉRALE
5 Nécessité de prendre en compte la matière organique
Certaines matrices solides polluées ont des teneurs très élevées en matières organiques (au delà de 10% en masse). C’est le cas des sédiments urbains de bassin d’infiltration étudiés dans cette thèse. Il convient donc d’intégrer ce compartiment dans la modélisation. La matière organique peut être assimilée, dans ce cas, à un acide faible présentant un ensemble de sites d’échanges de protons.
La complexation de surface des éléments majeurs et traces métalliques peut être intégrée
à l’assemblage du modèle géochimique par le bloc SURFACE. Il permet de définir la
quantité de sites de complexation (d’échange de protons) et le type de site de chacune des surfaces considérées. Trois approches sont disponibles dans PHREEQC : les surfaces à double
couche diffuse (DDL) selon les processus définis parDzombak et Morel, les surfaces dites de
Complex Distribution MUltiSIte Com ou CD-MUSIC définis parHiemstra et Van Riemsdijk
et les surfaces non électrostatiques (Dzombak1990 ;Hiemstraet Van Riemsdijk1996).
Dans notre cas d’étude, nous travaillerons sur ce dernier scénario (car le plus simple et ne nécessitant pas l’optimisation d’un nombre important de paramètres pour ce seul mécanisme) et ne prendrons donc pas en compte les processus électrostatiques. Cette approche considère deux types de sites de complexation pour un solide donné : un site de complexation dit "fort" et un site de complexation dit "faible". La définition de l’état initial de la surface est une étape délicate dans le modèle. Elle peut être définie implicitement à partir de sa mise en équilibre avec une solution de composition fixe ou explicitement en définissant les quantités initiales d’éléments majeurs ou traces métalliques présents sur la surface. Ces informations peuvent être tirées d’extractions sélectives par exemple.
La complexation de surface des éléments sur la matière organique suit la réaction 1,
associée à la constante de LangmuirL(équation 2). La représentation de la matière organique
est donc définie par l’utilisateur et rajoutée à la base de données. Les constantes de Langmuir de ces exemples et des données utilisées pour le travail de l’article des sédiments urbains du bassin d’infiltration DjR proviennent d’une analyse utilisant le modèle NICA-Donnan des
travaux de Milne (Milneet al. 2003).
≡S+M ↵≡ SM (1)
L= [≡SM] [M].[≡S] =
[Q]
[M].(Qmax−Q) (2)
oùLest la constante de Langmuir etQla quantité adsorbée.
Pour démontrer le rôle de la MO sur les propriétés acido-basiques des surfaces solides, nous avons mené un travail sur l’impact de la quantité de matière organique, en pourcentage
par rapport à la quantité de phases minérales, sur lepH0(pH sans ajout de base ou d’acide)
et le pouvoir tampon. La représentation graphique du pH0 en fonction du pourcentage de
matière organique dans un exemple d’assemblage met en évidence son pouvoir acidifiant
(figure 06). Le pH0 est très vite impacté en présence de matière organique. Cependant, on
atteint une asymptote en acide où l’ajout de la MO finit par ne plus impacter lepH0.
La matière organique possède donc un pouvoir tampon. Les graphiques de la figure 07 présentent le pouvoir tampon de la MO en fonction des proportions de MO. Il faut un ajout de bases de plus en plus grand pour atteindre l’asymptote basique lorsque les concentrations en MO augmentent. La courbe dérivée souligne bien l’existence de deux zones tampons qui
correspondent aux constantes de la MO autour de valeurs respectives de pH de 3 et 8 (Milne
158 MÉTHODOLOGIE GÉNÉRALE Hors, le potentiel d’oxydoréduction influence la dissolution de la pyrite et de la mobilisation
du fer. Cela est représenté par le pic de production lorsque 6<pH<6,5. Par ailleurs, en
zone acide, la production "illimitée" de N2 du batch ouvert tamponne la solution lors de
l’ajout deHNO3 (figure 09).
Le pouvoir d’oxidation de l’O2 a un impact sur le fer ferreux (Fe(II)) produit par la
dissolution de la pyrite. En effet, en zone basique ce fer ferreux est oxydé en fer ferrique
(Fe(III)) par le dioxygène. Cela a donc également un impact sur la dissolution de la pyrite mais également sur la spéciation du fer en solution.
Enfin, le CO2 a ici un impact sur la dissolution de la calcite, qui est régi par les trois
équations présentées ici (3). Lorsque la pression partielle du CO2 est basse, ce sont
princi-palement les réactions (1) et (3) qui prédominent alors que lorsque la pression partielle du
CO2est plus élevée, c’est la réaction (2) qui devient significative.
(1) H++ CaCO3↵Ca2++ HCO3−
(2) H2CO3+ CaCO3↵Ca2++ 2 HCO3−
(3) H2O + CaCO3↵Ca2++ HCO3−+ OH−
(3)
En conclusion, il paraît donc essentiel de prendre en compte la phase gazeuse lors de la représentation de l’expérimentation ANC-BNC par la modélisation géochimique sur PHREEQC. L’alternative la plus proche de la réalité se trouve donc être le scénario "Real Batch" où la pression atmosphérique et le volume initial sont définis selon l’expérimentation et le volume est ensuite fixé.
7 Proposition d’un protocole général
Pour conclure, tous ces travaux, que ce soient sur des phases pures, des phases réelles complexes ou même des cas d’études fictifs ont permis, en association avec la littérature, de
mettre en place les différentes étapes d’un protocole présenté dans la figure 013.
Dans un premier temps, il s’agira de travailler sur la mobilisation deséléments majeurs,
avant de pouvoir introduire la mobilisation des éléments traces métalliques (première série : A d’étapes de la figure 013). La première étape de ce protocole est une phase préparatoire. La matrice doit être caractérisée le plus finement possible afin de pouvoir la représenter fidè-lement. Ce travail doit être complété, si possible, par une étude bibliographique sur ce type de matrice afin de préciser les phases minérales principales et organiques qui la composent et d’en déduire les mécanismes prépondérants associés. Enfin, une modélisation inverse à partir des résultats du batch "neutre" (à l’eau pure) sera intéressante pour déterminer les autres phases solides potentiellement à l’équilibre dans le batch.
La seconde étape de ce protocole consistera à définir le cadre de travail général, comme par exemple, l’introduction de la matière organique si les teneurs sont supérieures à 1%. Les phases minérales principales sont introduites et les quantités ajustées pour que les paramètres physico-chimiques et principalement l’évolution du pH soient cohérents avec les résultats expérimentaux.
La troisième étape porte sur l’identification et la quantification des différentes phases
minérales susceptibles de se solubiliser ou précipiter mais également des autres types de réactions à prendre en compte comme la complexation de surface ou encore l’échange d’ions. Les étapes 2 et 3 sont réitérées jusqu’à l’obtention d’un modèle pertinent et cohérent avec les résultats expérimentaux de l’ensemble des éléments majeurs étudiés.
La quatrième étape vise à valider le modèle dans un objectif de prévision très précis, par une analyse de sensibilité complémentaire. Un travail reproduisant le même protocole mais
160 MÉTHODOLOGIE GÉNÉRALE La seconde étape porte sur l’identification et la quantification des phases porteuses et des
différents compartiments impliqués dans la mobilisation des ETM. Les résultats de la
modé-lisation géochimique sont comparés avec les résultats expérimentaux. Cette étape est réitérée jusqu’à l’obtention d’un modèle satisfaisant, c’est-à-dire un modèle dont l’ensemble des pa-ramètres sont cohérents avec les résultats expérimentaux. Cette notion peut être quantifiable
grâce aux différents coefficients de détermination (par exemple le coefficient de
détermina-tion R2 ou encore la racine normalisée de l’erreur quadratique moyenneN RM SE). Cette
étape est également ajustée et/ou entraîne un réajustement des étapes de modélisation des éléments majeurs. Il faut donc réitérer tout le processus jusqu’à l’obtention d’un modèle sa-tisfaisant, autant sur les paramètres physico-chimiques, que sur la mobilisation des éléments majeurs ou la mobilisation des éléments majeurs et traces.
C’est à la fin de tout ce protocole de modélisation géochimique, et uniquement lorsque le modèle est satisfaisant par rapport aux données expérimentales qu’il paraît pertinent d’extraire toutes les données pour produire les graphiques de représentation des paramètres physico-chimiques, de la mobilisation des éléments majeurs et traces métalliques mais aussi, et surtout de leur spéciation, en fonction du pH.
Enfin, ces données modélisées devraient être confrontées, dans la mesure du possible, à des observations fines de caractérisation de la spéciation dans la phase solides. les données d’extraction séquentielles sélectives peuvent donner des indications sur la spéciations per-mettant de valider ou invalider certaines hypothèses. En complément la microanalyse (MEB, TEM) peut aussi donner des éléments d’information interessants quant à la spéciation en phase solide.