I. Généralités
II.5. Stress osmotique
Pour concentrer les différentes suspensions de smectites obtenues après le tri en taille et obtenir une large gamme de suspensions variant en concentration et en force ionique, nous avons utilisé le principe du stress osmotique.
II.5.1. Principe
L’osmose est un transfert de solvant à travers une membrane sous l’action d’un gradient de concentration. La pression nécessaire pour compenser ce flux est appelée, à l’équilibre, pression osmotique (Πosm). En d’autres termes, cette méthode consiste à imposer à une suspension d’argile donnée le potentiel chimique de l’eau et du sel afin d’atteindre l’équilibre osmotique. La suspension est insérée dans une membrane semi-perméable puis placée dans un réservoir contenant une solution de macromolécules permettant ainsi de fixer le potentiel chimique de la solution. On peut donc concentrer ou diluer la suspension selon que le potentiel imposé est supérieur ou inférieur à celui de l’eau de la suspension. Très utilisée en biologie [28], cette technique a été déjà été appliquée pour concentrer des suspensions de latex ou de Laponite en utilisant comme macromolécule du Dextran de masse moléculaire élevée [29-31]. Dans le cadre de cette thèse, le polymère utilisé pour imposer la pression osmotique est du polyéthylèneglycol (PEG, Mw ≈ 20000 g.mol-1, Roth) pour des concentrations variant entre 3 et 30 g.L-1. Les valeurs de pression osmotique correspondantes sont représentées sur la figure II-7 d’après les données obtenues par Richard P. Rand sur ce polymère (http://www.brocku.ca/researchers/peter_rand/)
Figure II-7. Correspondance entre la concentration en polyéthylèneglycol (Mw = 20000 g.mol-1) et la pression osmotique associée.
II.5.2. Conditions expérimentales
Toutes les suspensions utilisées au cours de cette thèse ont été préparées par stress osmotique en utilisant des tubes de dialyses (membranes en cellulose régénérée, Visking, 34mm, Roth) ayant un seuil de coupure de 14000 Da. Avant utilisation, les membranes sont rincées dans de l’eau osmosée pour éliminer les éventuelles impuretés et conditionnées à la force ionique voulue (10-3, 10-4 ou 10-5 M.L-1) pendant une nuit. En parallèle, les solutions de différentes pressions osmotiques sont préparées par dilution du PEG 20000 dans des solutions de chlorure de sodium (ou lithium) afin que la force ionique finale de la solution varie entre 10-5 et 10-3 M.L-1.
Lors de la mise en place de l’expérience, les pinces de dialyses sont stérilisées pour détruire d’éventuels microorganismes. Les membranes sont remplies ensuite avec la suspension d’argile puis placées dans des éprouvettes graduées contenant la solution saline de PEG (figure II-8). Chaque éprouvette est fermée avec du Parafilm et stockée à 20°C à l’abri de la lumière. Afin de satisfaire les conditions du stress osmotique, le volume d’argile introduit dans les tubes de dialyse ainsi que le volume du réservoir varient en fonction de la pression osmotique appliquée (tableau II-7).
Figure II.8. Représentation schématique d’une expérience de stress osmotique. Tableau II-7. Conditions expérimentales du stress osmotique.
Pression osmotique (Pa) Volume d'argile (cm3) Volume du réservoir (cm3) < 1300 60 250 1300 à 3200 90 500 > 3200 120 1000
Sachant que le réservoir (éprouvette) n’est pas infini, les solutions de PEG sont renouvelées au bout de deux semaines. L’expérience est stoppée au bout d’un mois, ce délai étant suffisant pour assurer
l’équilibre osmotique [29,31]. A la fin de l’expérience, les suspensions d’argile sont récupérées et la fraction volumique est calculée telle que :
vol m
C
ρ
φ
= (II-5)où Cm est la concentration massique de l’argile déterminée par perte de poids après séchage, en tenant compte de l’humidité relative en fonction de l’isotherme d’adsoprtion d’eau des smectites [32-33] et
ρvol la masse volumique de l’argile évalué à 2.62, 2.7 et 3 g.cm-3, respectivement pour la beidellite, les montmorillonites et les nontronites.
II.5.3. Résultats
La figure II-9 présente les courbes de pression osmotique obtenues pour une suspension de taille 3 de beidellite. Cependant, l’ensemble des résultats obtenus pour la nontronite NAu-1 d’une part et la beidellite et les montmorillonites d’autre part, sera développé en détail, respectivement dans les chapitres III et V de cette thèse.
Figure II-9. Courbes de pression osmotique d’une suspension de beidellite (taille 3) à différentes forces ioniques.
La forme des courbes de pression osmotique est similaire quelque soit la nature de l’argile (cf. chapitre V), la taille ou la force ionique (chapitre III) de la suspension. De plus, la diminution de la force ionique induit une augmentation de la pression osmotique en accord avec l’écrantage des charges de la double couche diffuse présente autour des particules de smectite. D’autre part, pour de faibles fractions volumiques, la pression osmotique augmente rapidement jusqu’à 1500 Pa puis plus modérément jusqu’à 2500 Pa. Contrairement aux suspensions de laponite [30] ou de montmorillonites
SWy-2 [15], les suspensions de beidellite ne présentent aucun « pseudoplateau » de pression osmotique dans cette gamme de concentration. Au-delà de 2500 Pa, les pressions osmotiques augmentent de nouveau rapidement. Ces valeurs de pression osmotique seront très utiles pour comprendre les forces électrostatiques mises en jeu dans ces suspensions (chapitre V).
II.6. Bibliographie
1. Post, J.L., Cupp, B.L., Madsen, F.T. Beidellite and associated clays from the DeLamar mine and Florida Mountain area, Idaho. Clays Clay Min., 1997, 45, 240-250.
2. Keeling, J.L., Raven, M.D., Gates, W. Geology and characterization of two hydrothermal nontronites from weathered metamorphic rocks at the Uley graphite mine, South Australia. Clays Clay Min., 2000, 48, 537-548.
3. Moll, W.F.Jr. Baseline studies of the Clay Minerals Society Source Clays: Geological origin.
Clays Clay Min., 2001, 49, 374-380.
4. Christidis, G.E., Scott, P.W., Marcopoulos, T. Origin of the bentonite deposits of eastern Milos, Aegan, Greece: Geological, mineralogical and geochemical evidence. Clays Clay Min., 1995, 43, 63-77.
5. Collins, J.H. Remarks on Gramenite from Smallacombe, and on the Chloropal group of minerals.
Mineralog. Mag., 1877, 1, 67-72.
6. Ross, C.S., Shannon, E.V. The chemical composition and optical properties of beidellite. J. Wash. Acad. Sci., 1925, 15, 467-468.
7. Gruner, J.W. The structural relationship of nontronites and montmorillonites. Am. Miner., 1935,
20, 475-483.
8. Ross, C.S., Hendricks, S.B. Minerals of the Montmorillonite group. U.S. Geol. Surv. Prof. Paper, 1945, 205-B, 23-79
9. Güven, N. Smectites. In Hydrous Phyllosilicates (exclusive of micas), Bailey, S. W., Ed. Mineralogical Society of America: Washington, DC, 1988, 19, Chapter 13, 497-559.
10. Vantelon, D. Répartition des cations dans la couche octaédrique des montmorillonites : Répercussions sur les propriétés colloïdales. Thèse Doct. INPL, Nancy Université, 2001, 251 p.
11. Vantelon, D., Pelletier, M., Michot, L.J., Barres, O., Thomas, F. Fe, Mg and Al distribution in the octahedral sheet of montmorillonites. An infrared study of the OH-bending refion. Clay Min., 2001, 36, 369-379.
12. Gates, W.P., Slade, P.G., Manceau, A., Lanson, B. Site occupancies by iron in nontronites.
Clays Clay Min., 2002, 50, 223-239.
13. Hauser, E.A., Reed, C.E. Studies in thixotropy. II. The thixotropy behavior and structure of bentonite. J. Phys. Chem., 1937, 41, 911-934.
14. Russell, J.L. Studies on thixotropic gelation. II. The coagulation of clay suspensions. Proc. Roy. Soc. A, 1936, 154, 550-560.
15. Michot, L.J., Bihannic, I., Porsh, K., Maddi, S., Baravian, C., Mougel, J., Levitz, P. Phase diagrams of Wyoming Na-montmorillonite clay. Influence of particle anisotropy. Langmuir, 2004, 20, 10829-10837.
16. Orsini, L., Remy, J.C., Henon, P. Utilisation du chlorure de cobaltihexamine pour la détermination simultanée de la capacité d’échange et des bases échangeables des sols. Science du Sol, 1976, 4, 269-275.
17. Brindley, G., Brown, G. Crystal structures of clay minerals and their X-ray identification.
Mineralogical Society, Monograph No. 5, London, 1980, 495p.
18. Weir, A.H., Greene-Kelly, R. Beidellite. Am. Mineral., 1962, 47, 137-146.
19. Bérend, I. Les mécanismes d’hydratation de montmorillonites homoioniques pour des pressions relatives inférieures à 0.95. Thèse Doct. INPL, Nancy Université, 1991, 308 p.
20. Ferrage, E., Lanson, B., Sakharov, B.A., Geoffroy, N., Jacquot, E., Drits, V.A. Investigation of dioctahedral smectite hydration properties by modeling of X-ray diffraction profiles: Influence of layer charge and charge location. Am. Mineral., 2007, 92, 1731-1743.
21. Post, J.L., Borer, L. Physical properties of selected illites, beidellites and mixed-layer illite-beidellites from southwestern Idaho, and their infrared spectra. Applied Clay Sci., 2002, 22, 77-91.
22. Lantenois, S., Muller, F., Bény, J.M., Mahiaoui, J., Champallier, R. Hydrothermal synthesis of beidellites: Characterization and study of the cis- and trans-vacant character. Clays Clay Min., 2008, 56, 39-48.
23. Farmer, V.C., Russell, J.D. The infrared spectra of layer silicates. Spectrochimica Acta, 1964,
20, 1149-1173.
24. Zviagina, B.B., McCarty, D.K., Środoń, J., Drits, V.A. Interpretation of infrared spectra of dioctahedral smectites in the region of OH-stretching vibrations. Clays Clay Min., 2004, 52, 399-410.
25. Mering, J., Oberlin, A. Electron-optical study of smectites. Clays Clay Min., 1967, 15, 3-25.
26. Cadene, A., Durand-Vidal, S., Turq, P., Brendle, J. Study of individual Na-montmorillonite particles size, morphology and apparent charge. J. Colloid Interf. Sci., 2005, 285, 719-730.
27. Bickmore, B.R., Bosbach, D., Hochella Jr., M.F., Charlet, L., Rufe, E. In situ atomic force microscopy study of hectorite and nontronite dissolution: Implications for phyllosilicate edge surface structures and dissolution mechanisms. Am. Mineral., 2001, 86, 411-423.
28. Parsegian, V.A., Fuller, N., Rand, R.P. Measured work of deformation and repulsion of lecithin bilayers. Proc. Nat. Aca. Sci., 1979, 76, 2750-2754.
29. Bonnet-Gonnet, C. Dégonflement et regonflement osmotiques de dispersions de Latex. Thèse Doct., Univeristé de Paris VI, 1993, 243 p.
30. Mourchid, A., Delville, A., Lambard, J., Lécolier, E., Levitz, P. Phase diagram of colloidal dispersions of anisotropic charged particles: equilibrium properties, structure, and rheology of Laponite suspensions. Langmuir, 1995, 11, 1942-1950.
31. Lécolier, E. Suspensions aqueuses de particules colloïdales anisotropes et chargées : structure et dynamique. Thèse Doct., Univeristé d’Orléans, 1998, 148 p.
32. Bérend, I., Cases, J.M., François, M., Uriot, J.P., Michot, L.J., Masion, A., Thomas, F. Mechanism of adsorption and desorption of water vapor by homoionic montmorillonites: 2. The Li+, Na+, K+, Rb+ and Cs+ -exchanged forms. Clays Clay Miner., 1995, 43, 324-336.
33. Michot, L.J., Bihannic, I., Pelletier, M., Rinnert, E., Robert, J.L. Hydration and swelling of synthetic Na-saponites: Influence of layer charge. Am. Mineral., 2005, 90, 166-172.