Etude experimentale de l'effet de la tension superficielle de l'eau de pluie sur la mobilisation de particules de sol

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Etude experimentale de l’effet de la tension superficielle

de l’eau de pluie sur la mobilisation de particules de sol

Yvana Brill

To cite this version:

Yvana Brill. Etude experimentale de l’effet de la tension superficielle de l’eau de pluie sur la mobil-isation de particules de sol. [Stage] IUT Génie Biologique. Université Louis Pasteur (Strasbourg 1), Strasbourg, FRA. 2010, 40 p. �hal-02815953�

Etude expérimentale de l'effet de

la tension superficielle de l’eau de pluie

sur la mobilisation de particules de sol

Rapport de stage de deuxième année

BRILL Yvana

Département Génie Biologique, Encadrement :

Option génie de l’environnement M. Eric MICHEL - Chargé de recherche Promotion 25 : 2008/2010

Remerciements,

Arrivée au terme de la réalisation de ce stage, il m’est donnée de rédiger cette traditionnelle page de remerciements. Je tiens donc à remercier sincèrement toutes les personnes qui ont, à différentes échelles, participé à l’aboutissement de ces deux mois et demi d’études.

Je tiens tout d’abord à adresser un grand merci à M. Eric MICHEL pour m’avoir confiée ce sujet, pour sa disponibilité, ses précieux conseils et surtout pour sa patience et sa pédagogie à mon égard.

Je tiens également à remercier M. Charles DANQUIGNY d’avoir transmis ma demande de stage aux bonnes personnes.

Un merci également à M. Maminirina JOELSON pour son soutien et sa précieuse aide pour la maîtrise du logiciel MatlabTM.

Je remercie ensuite toute l’équipe de l’UMR EMMAH sol et surtout Mme Christine BOUTTE pour leur accueil chaleureux et leur disponibilité en cas de problèmes.

Enfin je remercie Mlles Jeanne DOLLINGER, Sarah GREMILLIET et Maïté RICHERT pour leur soutien à toute épreuve et leur bonne humeur qui auront rendu certaines journées plus faciles.

Table des matières

1.5 Mesure de concentration en colloïdes ... 6

1.6 Mesure de la concentration en tensioactif ... 7

1.7 Mesure de la tension superficielle d’un effluent ... 7

1.8 Manipulation en « Batch » ... 8

2. Résultats expérimentaux ... 9

2.1 Résultats expérimentaux obtenus pour une infiltration ... 9

2.2 Effet de l’ajout de tensioactif dans une eau de pluie sur le flux d’eau ... 11

2.3 Adsorption du Triton X-100 par le sol ... 11

2.4 Evolution du la concentration en tensioactif dans le sol au cours du temps ... 13

2.5 Effet de l’ajout de tensioactif dans une eau de pluie sur la mobilisation de colloïdes ... 14

3. Interprétation et discussion ... 15

3.1 La différence de mobilisation avec et sans Triton X-100 est-elle liée à un écoulement de l’eau différent ? ... 15

3.2 Devenir du tensioactif dans les colonnes de sol et son influence sur la mobilisation des particules ... 15

3.3 Vers un mécanisme décrivant l’effet du tensioactif sur la mobilisation ... 17

CONCLUSION ... 19

Glossaire ... 20

Bibliographie ... 21

Webographie ... 22

ANNEXES ... 23

1

INTRODUCTION

Lors d’un évènement pluvieux, les polluants présents à la surface d’un sol (pesticides, métaux lourds, noyaux radioactifs, virus, bactéries…) sont entraînés vers les profondeurs et ainsi vers les eaux souterraines. Les polluants hydrophiles migrent rapidement à travers la matrice du sol, dans sa phase aqueuse. Le passage des polluants hydrophobes est cependant plus complexe, ceux-ci ayant une plus forte affinité avec la phase solide du sol. Au cours des années 80, des recherches ont mis en évidence l’implication des colloïdes* dans ce transport

(D.M. Nelson & al., 1986 ; McCarthy & al., 1989). Ces particules microscopiques de sol sont

présentes dans la solution du sol et sont reconnues comme étant des vecteurs de pollution puisqu’elles peuvent adsorber des polluants à leur surface et ainsi faciliter leur transfert vers les nappes.

Les colloïdes étant des bouts microscopiques de sol, ils doivent tout d’abord se détacher de la phase solide. De nombreux paramètres contrôlent ce phénomène de détachement, dont le pH et la structure du sol, mais aussi l’intensité de la pluie et sa force ionique. En modélisant l’influence de ces différents facteurs sur la mobilisation des particules, nous pourrions mieux prédire l’arrivée des polluants dans les eaux souterraines et ainsi prendre des mesures afin d’éviter que certains polluants n’arrivent jusqu'à la nappe.

Au cours de mon stage, je me suis intéressée à un facteur susceptible de modifier le détachement les colloïdes très peu étudiés jusqu’ici : la tension superficielle* de l’eau. Modifiant le régime d’écoulement de l’eau et faisant varier l’intensité des forces capillaires* à l’œuvre dans le sol, elle pourrait influencer la mobilisation des colloïdes, mais également leur transport dans la solution du sol. Différentes études visant à étudier l’effet de la tension superficielle de l’eau sur l’écoulement ont été menées essentiellement sur des milieux poreux modèles (Henry et al., 2003 ; Karagunduz et al., 2001). Une seule étude s’intéresse au transport de colloïdes, toujours à l’aide d’une situation expérimentale modèle (Zhuang et al., 2010). Il n’y a pas à notre connaissance d’étude de l’effet sur la mobilisation de la tension interfaciale de l’eau en sol intact (présence d’écoulements préférentiels et mobilisation de particules autochtones du sol).

Pour combler ce manque, après le prélèvement de différentes colonnes de sol, des évènements pluvieux successifs sont simulés, tout d’abord avec une eau exempte de substance tensioactive qui va modifier la tension superficielle de l’eau d’infiltration, puis avec une eau de pluie contenant une concentration connue de tensioactif. Après chacune des infiltrations, les concentrations en colloïdes et en tensioactif sont déterminées.

Ce rapport reprendra les différents outils et méthodes de travail mis en œuvre afin d’aboutir aux résultats nécessaires à la compréhension des phénomènes impliquant la tension superficielle de l’eau et intervenant dans le transfert des polluants dans la zone non saturée du sol. Ceux-ci nous permettrons alors de mettre en évidence les limites du projet.

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Présentation de l’INRA

Créé en 1946, l'Institut National de la Recherche Agronomique (INRA) est un établissement public à caractère scientifique et technologique, placé sous la double tutelle du ministère de l'Enseignement supérieur et de la Recherche et du ministère de l’Agriculture et de la Pêche. Premier institut de recherche agronomique en Europe, deuxième dans le monde, l'Inra mène des recherches finalisées pour une alimentation saine et de qualité, pour une agriculture compétitive et durable, et pour un environnement préservé et valorisé.

Fondé en 1953, le centre INRA d’Avignon (INRA PACA depuis le 1er janvier 2010) est divisé en 27 unités. Son budget étant de 54 millions d’euros en 2010, il est le 4e plus important centre parmi les 19 centres INRA nationaux.

Mon stage s’est déroulé dans l’Unité Mixte de Recherche Environnement Méditerranéen et Modélisation des Agro-Hydrosystèmes (EMMAH), et plus précisément dans l’équipe « Sol, transferts et cycles biogéochimiques » du centre. L’objectif de cette équipe est d’améliorer les connaissances, outils et méthodes concernant la problématique des transferts de masse (eau, solutés, colloïdes) et des transformations biogéochimiques pouvant affecter ces transferts du sol jusqu’à et dans la nappe sous-jacente.

L’équipe, pluridisciplinaire, regroupe physiciens, biogéochimistes et hydrogéologues. Le contexte privilégié de ces travaux est celui du changement global (changement climatique et d’usage des terres ou des pratiques agricoles) pour essayer d’appréhender l’effet de ces changements sur la modification des transferts. D'un point de vue finalisé, l’équipe se focalise plus spécifiquement sur les impacts, d’un point de vue climatique, des événements intenses/extrêmes (canicule, sécheresse, pluies intenses) et d’un point de vue changements des pratiques, sur l’utilisation d’eau recyclée pour l’irrigation en cas de baisse de disponibilité de la ressource en eau.

Une place importante est donnée à la modélisation et au développement méthodologique pour caractériser variables et paramètres du sol et sous-sol, ainsi que leur hétérogénéité spatiale (suivi de l’atmosphère du sol, tomographie électrique, rayons X, ondes électromagnétiques…)

3

1. Matériel et méthodes

1.1 Colonne de sol

1.1.1 Prélèvement d’une colonne de sol

Pour nos manipulations, différents sols ont été prélevés. Pour cela, les colonnes de sol sont extraites du terrain par « carrotage ». Le protocole de prélèvement utilisé s’est déroulé en 3 étapes :

1) Enfoncement vertical de la colonne en PVC préalablement découpée aux dimensions souhaitées (hauteur : 20 cm ; diamètre : 11 cm) et biseautée à la base 2) Excavation du sol se situant autour de la colonne en prenant garde de ne pas

modifier la structure du sol dans la colonne

3) Prélèvement de la colonne en coupant la terre à sa base.

Les colonnes sont ensuite préparées afin de pouvoir subir les infiltrations. Pour cela, on les munit d’une grille à leur base afin que la terre ne tombe pas de la colonne. Le tout est fixé grâce à un anneau qu’on silicone à la colonne.

1.1.2 Colonne « Collias »

La colonne « Collias » a été prélevée en janvier 2010 sur le site de l’INRA d’Avignon et sur une² profondeur de onze centimètres. Ce sol provient cependant de la région de Collias mais a été déposé il y a plus de vingt ans dans une case lysimétrique* sur le site de l’INRA d’Avignon. Le profil à l’endroit d’extraction peut être considéré comme appartenant à un même horizon. Ce sol est de type limono sableux argileux (Calcisol).

1.1.3 Colonne « INRA »

Ce sol a été prélevé mi-avril 2010, sur une parcelle agricole appartenant à l’INRA d’Avignon et subissant différentes cultures. Le profil à l’endroit d’extraction peut être considéré comme appartenant à un même horizon. Ce sol est de type limono sableux argileux (Calcisol).

Les caractéristiques des deux sols sont en ANNEXE 1.

4

1.2 Eau de pluie

Pour la simulation des évènements pluvieux, nous utilisons une solution de chlorure de magnésium (MgCl2) à 10-1 mol/L. Cette solution infiltrante de force ionique connue et

constante est appliquée sur la colonne de sol durant une heure et avec une intensité de 290 g/h, soit 26,5 mm/h.

1.3 Tensioactif : Triton X-100

1.3.1 Définition : La tension superficielle

Les molécules d’un fluide exercent entre elles des forces attractives. Ces forces peuvent être de type Van Der Waals* (dans la plupart des huiles) et/ou de type liaison hydrogène* (eau). Dans le cœur du liquide, la résultante de ces forces est nulle, ce qui permet la cohésion du fluide. Cependant, à la surface, les molécules sont soumises à des forces dont la résultante est elle orientée vers le liquide, l’attirance pour les molécules de l’air étant très faible (Figure 1). L’interface eau/air n’est donc pas stable. Les molécules du fluide tendent à minimiser le rapport surface/volume en formant une interface courbe. Cette cohésion des molécules génère l’apparition d’une force tangente à la surface. Ce phénomène est appelé tension superficielle (ou de surface). Elle est exprimée en énergie par unité de surface (J/m²) ou en force par unité de longueur (N/m).

Figure 1 : Schéma des forces s’exerçant sur les molécules d’un liquide

La tension superficielle d’un fluide intervient dans de nombreux phénomènes comme la formation de gouttes ou de bulles. Elle varie en fonction de la nature du fluide et la température. La tension de surface de l’eau pure est généralement de l’ordre de 72 mN/m à 25°C.

1.3.2 La molécule tensioactive

Les tensioactifs sont classifiés selon la nature de leur tête hydrophile ionique (anionique, cationique) ou non ionique.

Liquide Gaz

Figure 2 : Représentation schématique d’une molécule tensioactive

Tête hydrophile

Queue hydrophobe

Par définition, un tensioactif est un agent ou produit modifiant la tension superficielle d’un solvant en solution *1+. Une molécule tensioactive est composée de deux parties : une partie hydrophile (ou lipophobe) et une autre hydrophobe (ou lipophile).

5

En ajoutant un agent tensioactif dans une solution aqueuse, les molécules de tensioactif partitionnent entre le cœur du liquide et l’interface. Celles à l’interface réduisent les contraintes de surface du fluide, ce qui provoque une chute de la tension superficielle.

Lorsqu’on ajoute une molécule tensioactive à une concentration supérieure à la concentration micellaire critique* (CMC), des micelles* se forment. Les micelles sont des agrégats, le plus souvent sphériques, de molécules tensioactives. Dans l’eau, celles-ci se disposent de façon à ce que leur partie hydrophile soit en contact avec le liquide et leur partie hydrophobe vers l’intérieur de la micelle exempt d’eau. Elles ne modifient pas la tension de surface du fluide. Une fois la CMC atteinte, l’ajout de tensioactif ne fera plus varier la tension superficielle de la solution.

1.3.3 Le triton X-100

Le Triton X-100 est un tensioactif non ionique. C’est un octylphénoxypolyéthoxyéthanol soluble en milieu aqueux, de formule brute (C2H4O)nC14H22O. En l’ajoutant à une solution à une concentration connue, on en fait

fortement varier la tension de surface, celle du Triton X-100 étant de 35 nN/m. Nous avons choisi le Triton X-100, celui-ci étant simple à utiliser car il mousse peu. De plus, étant un tensioactif non ionique, il ne modifie pas la force ionique de l’eau de pluie et ainsi les caractéristiques de la colonne. Enfin, il est couramment utilisé dans la remédiation des aquifères (Sahoo et al., 1997 ; Rodriguez-Cruz et al.,2004).

Figure 5: Représentation topologique du Triton X-100 (Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Tension_superficielle) Figure 3 : Solution aqueuse

contenant une concentration en tensioactif supérieure à la CMC

Figure 4 : Variation de la tension superficielle en fonction de la concentration en agent tensioactif

n = 9,5

Balance 2 Balance 1 Simulateur de pluie Colonne de sol non remanié Entonnoir Effluent Pompe à impulsions Solution infiltrante

6

Dans le cadre de notre étude, nous utilisons le Triton X-100 avec une concentration d’1 g/L de solution infiltrante, c’est-à-dire largement au-dessus de la CMC. Cette concentration a été choisie afin d’être certain que tout le tensioactif ne s’absorbe sur la colonne et qu’il reste suffisamment de Triton X-100 dans les effluents pour modifier la tension superficielle. De plus l’effet de l’ajout de tensioactif sur la mobilisation de particules autochtones en sol intact n’étant pas documenté dans la littérature et n’ayant jamais été étudié encore dans l’unité EMMAH, nous souhaitions obtenir les effets les plus importants possibles.

1.4 Dispositif

Le dispositif expérimental utilisé pour réaliser des essais d'infiltration et de drainage sur les colonnes non remaniées est montré en figure 6 ci-contre. Un simulateur de pluie constitué de 28 aiguilles hypodermiques, de 0.5 mm de diamètre, permet d'irriguer la surface de la colonne. Une pompe à impulsions permet de contrôler l'intensité et la durée de la pluie. La base de la colonne repose sur une plaque perforée (trous de 2 mm). Les eaux de drainage sont acheminées par un entonnoir jusqu'à un flacon qui repose sur la Balance 2. Celle-ci enregistre le poids des effluents toutes les cinq secondes (ANNEXE 2). Ces enregistrements permettent d’obtenir l’évolution temporelle du flux d’eau (mm/h) en bas de la colonne (« hydrogramme »). La colonne repose sur la Balance 1. Ces mesures permettent de suivre la teneur en eau moyenne dans la colonne en fonction du temps. L'échantillonnage des flacons contenant les effluents permet d'analyser la concentration des particules lessivées et leur évolution temporelle tout le long de l’événement pluvieux (« particulogramme »).

1.5 Mesure de concentration en colloïdes

La mesure de la concentration des particules dans les effluents est exprimée en masse solide par unité de volume liquide (concentration massique). Etant donné que la masse des particules lessivées est très faible, la concentration massique ne peut être obtenue par simple pesée sur une balance. Ceci nous oblige à utiliser un spectrophotomètre afin de déduire la concentration de particules à partir de la mesure de la densité optique des effluents.

L’absorption de la lumière est mesurée avec un spectrophotomètre UV/VIS à 400 nm (valeur communément utilisée dans la littérature). Le principe de la spectrophotométrie repose sur la mesure du rapport entre l’intensité du rayonnement émis par l’appareil et celle du rayonnement après la traversée de la solution. Le spectrophotomètre donne la valeur de la densité optique (DO):

DO = log10(I0/I)

7

La valeur obtenue pour la densité optique est ensuite corrélée à une concentration massique en particules de la solution grâce à une droite d'étalonnage préalablement établie. Pour ce faire, des mesures par spectrophotométrie ont été effectuées sur une solution d’étalonnage très concentrée et sur ses dilutions. La solution d’étalonnage est préparée en dissolvant des échantillons de sol (prélevés autour des colonnes à l’endroit de prélèvement) dans de l’eau et en prélevant le surnageant. On obtient ainsi une solution « mère » très concentrée qui contient une quantité de particules suffisamment grande pour être détectée par une balance sensible dont l’erreur sur la pesée est faible par rapport à la masse de particules. A partir de la solution « mère », on réalise plusieurs solutions diluées : 10 x, 20 x, 50 x, 200 x, 500 x, 1000 x, et 4000 x. Le volume de la solution « mère » étant connu, on la fait sécher complètement à l’étuve à 100°C. La pesée du résidu sec ainsi obtenu permet de connaître la concentration massique en particules de la solution « mère ». Les concentrations des solutions diluées sont ensuite déduites à partir de la concentration « mère », chacune suivant son degré de dilution. La mesure de la densité optique de la solution « mère » et de ses dilutions permet de dresser une corrélation linéaire entre la concentration et la densité optique. Les résultats obtenus sont en ANNEXE 3.

1.6 Mesure de la concentration en tensioactif

La concentration en tensioactif dans les effluents est également déterminée par spectrophotométrie et repose donc sur le même principe que la mesure de concentration en colloïdes. La lecture se fait cependant dans l’ultraviolet, à 277 nm (Rodriguez-Cruz et al., 2004). Cette longueur d’onde correspond au maximum d’absorption du cycle benzénique de la molécule de Triton X-100 (ANNEXE 4).

Les absorbances mesurées permettent de déduire la concentration en tensioactif grâce à une droite d’étalonnage précédemment établie (ANNEXE 5). Les mesures se font sur le surnageant obtenu après 30 minutes de centrifugation des effluents à 9000 tours/min. Notons cependant qu’à la longueur d’onde de mesure, il est possible de détecter d’autres éléments contenus dans le sol. Nous avons choisi comme blanc la valeur moyenne des absorbances mesurées à 277 nm pour les 20 échantillons d’effluent recueillis lors d’une infiltration sans Triton X-100 sur la colonne de sol étudiée. De plus, nous n’avons pas observé de dépendance dans le temps (au cours d’une infiltration) de cette absorbance.

1.7 Mesure de la tension superficielle d’un effluent

Les mesures d’absorbance ne déterminent que la concentration en Triton X-100 dans un effluent. Or de nombreuses substances tensioactives sont présentes dans le sol (issues de la dégradation de la matière organique). La tension de surface de l’eau ayant traversée une colonne de sol est donc très certainement très différente de celle de l’eau pure. Pour la mesurer, il a fallu mettre en place un dispositif de mesure de la tension superficielle. Pour cela, nous nous sommes servis de la méthode ADSA (Axisymmetric Drop-Shape Analysis). Celle-ci consiste en un traitement informatique d’une photographie d’une goutte de

8

l’effluent. Le principe est le suivant : on sait calculer à l’aide de l’équation de Laplace-Young (del Rio & Neumann, 1997), pour une tension de surface  donnée, le profil théorique d’une goutte d’un liquide de densité donnée, dans un fluide de densité connue également. Alors, inversement, en déterminant le profil de la goutte sur une photographie et connaissant les densités des deux fluides, on peut remonter à la tension superficielle de l’effluent analysé.

Le dispositif est décrit en ANNEXE 6.

1.8 Manipulation en « Batch »

Afin de connaître le comportement du Triton X-100 dans un sol, on effectue des manipulations en « Batch ». Pour cela, on met, dans un premier temps, en place une gamme de concentration en Triton X-100 allant de 2 g/L à 0,05 g/L. L’eau de dilution (et le blanc) est l’eau de pluie utilisée lors des manipulations. On met ensuite en contact 20 mL de solution par gramme de sol. Les tubes préparés sont ensuite agités mécaniquement pendant 5 minutes et 48 heures, 5 minutes correspondant à une estimation du temps de contact de la solution infiltrante avec le sol de la colonne lors d’une infiltration, et 48 heures pour observer les effets à long terme. Après l’agitation, les échantillons sont placés à la centrifugeuse pendant 30 minutes à 9000 tours/min, puis sont lus au spectrophotomètre à 277 nm afin d’en déterminer la concentration en tensioactif.

0 5 10 15 20 25 30 0 0.5 1 1.5 2 F lu x (m m /h ) Temps (h) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0 0.5 1 1.5 2 C o n ce n tr a ti o n co llo ïd e s (m g /L ) Temps (h)

Figure 7b : Allure typique d’un particulogramme Figure 7a : Allure typique d’un hydrogramme

(I)

(II)

(III)

9

2. Résultats expérimentaux

2.1 Résultats expérimentaux obtenus pour une infiltration

2.1.1 La forme typique d’un hydrogramme

Au cours d’un événement pluvieux, les enregistrements continus (toutes les 5 secondes) du poids des effluents en sortie de la colonne permettent d’obtenir le flux d’eau (mm/h) en bas de colonne en fonction du temps (h) : la courbe obtenue est appelée hydrogramme.

Tous les hydrogrammes obtenus suite aux simulations ont la même forme typique en trois phases (Figure 7a ci-contre) : une première phase (I) correspondant à l’établissement de l’écoulement et qui se traduit par une augmentation rapide du flux, une deuxième phase (II) qui correspond au régime d’écoulement permanent, et une troisième phase (III) correspondant à l’arrêt de l’irrigation et qui se traduit par une diminution rapide du flux jusqu’à la fin de drainage. Une simulation de pluie durant une heure, les phases (I) et (II) correspondent au flux lors de la pluie et la phase (III) à celui après l’arrêt de la pluie.

2.1.2 La forme typique d’un particulogramme

Les particulogrammes (Figure 7b ci-contre) sont obtenus à partir des mesures de concentration en colloïdes au spectrophotomètre à 277 nm. Ils présentent tous un pic initial élevé suivi d’une décroissance de la concentration vers un niveau bas et constant. Ce pic de concentration a lieu pendant la phase I de l’hydrogramme (Figure 7a ci-contre).

Ce comportement a été typiquement observé dans des études portant sur la mobilisation de particules dans des colonnes de sol non remaniées (Jacobsen et al., 1997; Schelde et al., 2002; El-Farhan et al., 2000; Kjaergaard et al., 2004; Zhuang et al., 2007).

2.1.3 La courbe cumulée

La « courbe cumulée » (Figure 8) est définie comme étant la masse cumulée de particules lessivées en fonction de la masse d’eau cumulée en sortie de la colonne. Elle est facilement déduite à partir du particulogramme en multipliant pour chaque flacon la concentration de particules mesurée par le volume d’eau correspondant et en faisant la somme sur l’ensemble des flacons. La courbe cumulée est évidemment toujours croissante. Dans la plupart des cas, la courbe cumulée possède elle aussi une forme typique : une augmentation rapide de la masse de particules mobilisées sur les quelques premiers flacons suivie d’une augmentation beaucoup plus faible jusqu’à la fin du drainage.

La masse d’eau éluée étant quasi la même au cours d’une simulation (l’intensité de la pluie étant la même), la courbe cumulée est un bon outil de comparaison de l’élution de colloïdes au cours de la manipulation. Pour comparer les différentes simulations, nous choisirons cette représentation des résultats.

10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 50 100 150 200 250 300 C u m u l p a rt icu le s (m g ) Cumul eau (g)

De nombreux paramètres influencent la mobilisation des colloïdes au cours d’un évènement pluvieux. L’un des paramètres important est le temps de pause entre deux pluies (Majdalani et al., 2007). Une durée de pause plus longue entraîne une mobilisation de particules plus forte.

Les courbes cumulées ci-dessous (Figure 9) correspondent à des infiltrations sur une même colonne mais avec des temps de pause différents. On observe bien une plus forte mobilisation de particules lorsque le temps de pause augmente, vérifiant l’importance de la durée de l’arrêt entre deux pluies. Lorsque l’on compare des courbes cumulées ou des particulogrammes issus d’expériences de simulation de pluie différentes, il est donc important de le faire pour des expériences qui ont été réalisées après un temps de pause identique.

Les simulations de pluies avec ou sans Triton X-100 sont toujours effectuées sur mêmes colonnes de sol, ceux-ci étant considérés comme non remaniés et possédant donc un réseau de macropores spécifique à chacun. Dix-neuf infiltrations ont été effectuées sur chacunes des deux colonnes de sol, mais pour l’interprétation des résultats, seules les expériences avec un temps de pause de 23 heures ont été utilisées.

Figure 8 : Allure typique d’une courbe cumulée

Flu x (mm/ h ) 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 INRA#8 Flu x (mm/ h ) 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 INRA#9 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 INRA#10 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 INRA#11 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 INRA#14 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 INRA#15 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 INRA#16 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 INRA#17 Temps Temps

Figure10 : Hydrogrammes de la colonne « INRA » sans (noir) et avec (vert) tensioactif

11 0 5 10 15 20 25 30 35 0 50 100 150 200 250 300 C u m u l p a rt icu le s (m g ) Cumul eau (g)

2.2 Effet de l’ajout de tensioactif dans une eau de pluie sur le flux d’eau

La figure 10 ci-contre nous montre les hydrogrammes de différentes simulations effectuées sur la colonne de sol « INRA ». En noir sont tracés les hydrogrammes obtenus avec une solution infiltrante exempte de Triton X-100 et en vert ceux avec une pluie chargée en tensioactif. Les hydrogrammes de la colonne « Collias » sont en ANNEXE 7. Tous les hydrogrammes des deux colonnes de sol sont très semblables. Les temps de percées, le temps nécessaire pour atteindre le régime stationnaire ou encore le temps de décroissance après l’arrêt de la pluie ne diffèrent pas significativement entre les différentes infiltrations. On n’observe donc aucune différence significative entre une infiltration à l’eau de pluie avec ou sans tensioactif.

2.3 Adsorption du Triton X-100 par le sol

Il est nécessaire, dans un premier temps, de nous intéresser au comportement du Triton X-100 dans un sol. En effet, en présence d’un sol, le Triton X-100 s’adsorbe sur celui-ci. Cette adsorption est liée aux caractéristiques du sol. C’est pourquoi nous effectuons des manipulations en « Batch » en mettant en contact le sol étudié et le tensioactif choisi, et en faisant varier le temps de contact. Les résultats des manipulations sont représentés sur la figure 11 ci-dessous.

Figure 9 : Courbes cumulées de la colonne de sol « Collias » pour des

durées de pause différentes

90,5 h

71 h

12

0

20

40

60

80

100

120

0.1

1

10

Tout d’abord, nous pouvons observer sur la figure 11 ci-dessus que quelque soit la concentration en tensioactif appliquée au sol, une proportion importante est adsorbée. Le temps de contact n’intervient pas, le taux d’adsorption du Triton X-100 (TX) étant du même ordre de grandeur pour 5 minutes et 48 heures d’agitation.

Le sol de la colonne « Collias » semble saturer ou former des micelles pour une concentration supérieure à 0,5 g/L, le taux d’adsorption diminuant pour des concentrations en tensioactif plus élevées. Le sol de la colonne « INRA » sature ou forme des micelles avec des concentrations supérieures à 0,8 g/L. Cette différence de concentration de saturation ou de formation de micelle peut être liée à la composition des deux sols (Figure en ANNEXE 1), le sol « INRA » étant plus riche en argile et ayant donc une plus grande surface d’adsorption disponible pour le Triton X-100.

Figure 11 : Adsorption du Triton X-100 par les sols « INRA » et « Collias »

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Concentration TX Collias#37

Concentration TX Collias#39

Concentration TX Collias#40

Concentration TX Collias#41

Concentration TX Collias#42

C

o

n

ce

n

tra

ti

o

n

(g

/L

)

Temps (heure)

0

0.1

0.2

0.3

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0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Concentration TX INRA#14

Concentration TX INRA#15

Concentration TX INRA#16

Concentration TX INRA#17

C

o

n

ce

n

tra

ti

o

n

T

X

(g

/L

)

Temps (heure)

Figure 12 : Concentration en Triton X-100 (TX) eluée au cours du temps, lors d’infiltration successives sur les colonnes de sol « INRA » (à gauche) et « Collias » (à droite)

13

2.4 Evolution du la concentration en tensioactif dans le sol au cours du

temps

Lors des simulations de pluie avec tensioactif, ce dernier est ajouté à une concentration de 1 g/L. Grâce aux mesures spectrophotométriques à 277 nm, nous pouvons déterminer la concentration de TX élué au cours du temps. La figure 12 ci-contre présente les résultats de ces mesures suite à des infiltrations avec TX sur les colonnes de sol « INRA » et « Collias ». Toutes les courbes correspondent à des simulations de pluies d’une heure avec un temps de pause de 23 heures. La ligne en pointillés indique la concentration micellaire critique (CMC) du Triton X-100, soit 0,158 g/L (Lee et al., 2000).

Les concentrations de tensioactif éluées par la colonne « INRA » se situent toutes au dessus de la CMC. La pluie apportant 1 g/L de Triton X-100, plus de la moitié sort de la colonne sans s’y adsorber. De même, nous pouvons observer qu’au fur et à mesure des infiltrations, de plus en plus de Triton X-100 est élué : la proportion de molécules s’accrochant au sol diminue légèrement.

Pour la colonne « Collias », nous observons également qu’au fur et à mesure des infiltrations, de plus en plus de Triton X-100 est élué. La concentration reste cependant sous la CMC excepté pour les dernières infiltrations (infiltration #40 à 42). Une grande proportion du Triton X-100 apporté par la solution infiltrante est donc retenue dans le sol. Cette proportion est d’autant plus grande lors de la première infiltration (#37). Seule une petite partie du tensioactif infiltré est élué, le reste restant dans le sol.

On note cependant que l’aspect des courbes du sol de « Collias » diffère beaucoup de celui des courbes de la colonne de sol « INRA ». La proportion de Triton X-100 varie également fortement entre les deux colonnes de sol : environ cinq fois plus de tensioactif sort de la colonne « INRA ».

0

20

40

60

80

100

0

50

100 150 200 250 300 350

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Masse cumulée d'effluent (g)

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s

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)

Masse cumulée d'effluent (g)

Figure 13 : Courbes cumulées sans (noir) et avec (vert) ajout de Triton X-100 à l’eau de pluie des infiltrations sur les colonnes de sol « INRA » (à gauche) et de « Collias » (à droite)

14

2.5 Effet de l’ajout de tensioactif dans une eau de pluie sur la mobilisation

de colloïdes

Les graphiques de la figure 13 nous montrent les courbes cumulées de différentes simulations de pluies effectuées sur les colonnes de sol « INRA» et « Collias ». En noir sont représentées les expériences sans ajout de tensioactif et en vert celles avec tensioactif. Le temps de pause entre deux évènements pluvieux est constant (23heures).

Lors des manipulations, la même intensité de pluie a toujours été appliquée (290 g/h). Dans un premier temps, on peut observer sur les différentes courbes que l’eau amenée à la colonne par la pluie, soit 290 g pour une heure de pluie, sort quasi intégralement, la masse cumulée d’eau finale se rapprochant de cette valeur.

Pour les résultats obtenus sur la colonne « INRA », on observe une différence de mobilisation de particules marquée. La concentration en colloïdes est en effet deux à trois fois plus importante lorsque la solution infiltrante ne contient pas de Triton X-100. Cette différence de mobilisation a lieu essentiellement lors du pic de concentration initial. En effet, sans tensioactif, les premiers points des courbes correspondant au pic de concentration sont plus élevés que ceux des courbes avec tensioactif, traduisant une mobilisation initiale moins importante.

Cette différence de mobilisation de particules est moins marquée dans le cas de la colonne de sol « Collias », les courbes cumulées obtenues avec les infiltrations sans tensioactif ayant une plus grande variabilité. On peut cependant observer la même tendance que pour les infiltrations effectuées sur la colonne de sol « INRA ».

15

3. Interprétation et discussion

Les résultats obtenus indiquent une différence de mobilisation en colloïdes entre les simulations avec Triton X-100 et celles sans. On observe qu’en présence de tensioactif, on mobilise deux fois moins de particules pour la colonne « INRA » et à peine un peu moins pour la colonne « Collias » que lorsque l’eau de pluie est exempte de toute substance tensioactive.

Deux questions se posent alors, notamment pourquoi la présence de tensioactif diminue-t-elle la mobilisation des particules ? Pourquoi observe-t-on une telle différence de mobilisation entre les colonnes de sol « Collias » et « INRA » ?

3.1 La différence de mobilisation avec et sans Triton X-100 est-elle liée à un

écoulement de l’eau différent ?

Concernant l’influence d’un tensioactif sur l’écoulement de l’eau dans un sol, les résultats des différentes infiltrations n’indiquent aucune variation significative. Les hydrogrammes obtenus après infiltration avec Triton X-100 (Figure 10) sont similaires à ceux des pluies sans tensioactif. Ceci contredit les expériences menées par Henry et al. (2003) qui mettait en évidence une modification de l’écoulement de l’eau en fonction de la tension superficielle de l’effluent traversant un milieu modèle poreux et non un vrai sol. Aucune différence significative n’a été mis en évidence pour le drainage, après arrêt de la pluie, et ce malgré l’état similaire des colonnes après une heure de pluie, le temps de pause n’influençant plus. L’ajout de tensioactif ne semble pas non plus avoir d’influence sur le temps de percée ou les cinétiques des régimes transitoires.

3.2 Devenir du tensioactif dans les colonnes de sol et son influence sur la

mobilisation des particules

3.2.1 Le tensioactif

La concentration en Triton X-100 éluée par la colonne « INRA » est très importante : elle est trois fois supérieure à la concentration micellaire critique durant le régime permanent et est, dès le début de la pluie, au dessus de la CMC (Figure 12). Tout au long de la pluie, la tension superficielle de l’eau de la colonne « INRA » est donc minimale, soit 35 mN/m (tension de surface du Triton X-100), contrairement à celle de la colonne « Collias » dont très peu de points dépassent la CMC. La tension superficielle de l’effluent de la colonne « Collias » est donc comprise entre 35 mN/m (Triton X-100à une concentration supérieure à la CMC) et 72 mN/m (eau pure) tout au long des expériences.

Le dispositif de mesure de tension superficielle n’a pu être mis en place qu’une semaine avant la rédaction de ce rapport, et les mesures de tension superficielle n’ont pas pu être faites de façon systématique. Karagunduz et al. (2001) ont cependant tracé une courbe de la tension superficielle de l’eau en fonction de a concentration en Triton X-100

16

ajoutée à celle-ci (Figure 14 ci-dessous). On peut observer une relation linéaire entre la tension de surface de l’eau et sa concentration en Triton X-100 jusqu’à atteindre la CMC. Celle-ci dépassée, la tension de surface ne varie plus et vaut environ 35 mN/m (tension superficielle du Triton X-100).

La différence de concentration en tensioactif élué entre les deux colonnes (cinq fois plus grande pour la colonne « INRA » que pour la colonne « Collias ») est pourrait être liée à la différence de composition des deux sols et notamment de la teneur en matière organique. En effet une partie de cette matière organique est hydrophobe (Piccolo et al., 1999). Les queues hydrophobes des molécules tensioactives fuyant l’eau, elles peuvent se fixer dans la matière organique. La mesure du taux de carbone organique réalisée dans les deux sols étudiés nous indique cependant que la concentration en carbone organique dans le sol de la colonne « Collias » (73,25  5,08 mgC/L) est relativement proche de celle de la colonne « INRA » (83,24  3,98 mgC/L).

D’autres hypothèses peuvent expliquer la plus forte adsorption du Triton X-100 dans la colonne « Collias ». Dans nos colonnes de sol intact, l’écoulement se fait principalement à travers des chemins d’écoulements préférentiels, c’est-à-dire des macropores qui sont, par exemple, des espaces laissés par des racines ou terriers de vers de terre. La surface de contact eau-sol, et donc l’adsorption du Triton X-100, va donc dépendre de l’étendue du réseau de macropores. Ces chemins d’écoulement préférentiel n’ont cependant pas été mis en évidence pour les deux colonnes utilisées. Au vu des résultats obtenus sur adsorption du tensioactif dans les colonnes (Figure 12), on peut donc émettre l’hypothèse que le réseau de macropores est plus important dans la colonne de sol « Collias » que dans celle « INRA ». Cette hypothèse ne peut cependant être vérifiée.

Figure 14 : La tension superficielle d’une eau en fonction de sa concentration en Triton X-100

(Source : Karagunduz et al., 2001)

17 3.2.2 Influence sur la mobilisation

Les courbes cumulées des deux colonnes (Figure 13) sont corrélées à l’élution du Triton X-100 au cours du temps (Figure 12). En effet, nous pouvons observer que les masses cumulées de particules correspondant aux infiltrations avec tensioactif sont plus faibles que celles correspondant aux infiltrations sans tensioactif. La mobilisation en particules de sol est donc plus faible lorsque la quantité de tensioactif dans la colonne augmente. Ceci contredit l’hypothèse de Henry et al. (2003) qui suggère que la présence de tensioactif pourrait diminuer la stabilité des agrégats du sol et conduire à une mobilisation accrue de particules colloïdales.

La diminution de mobilisation est vérifiée dans les deux colonnes. Cependant, on peut observer une forte diminution de la mobilisation de colloïdes dans la colonne de sol « INRA » que dans celle de « Collias ». Cette différence peut être liée à la différence de tension superficielle des eaux sortant de la colonne. En effet, les effluents de la colonne « INRA » ont toujours une tension superficielle minimale (35 mN/m), leur concentration en Triton X-100 étant largement supérieure à la CMC. Par contre, la colonne « Collias » adsorbe une grande partie du tensioactif infiltré. La concentration éluée dépasse rarement la CMC, limitant ainsi la chute de la tension superficielle et ainsi la mobilisation des particules.

Par exemple, pour le premier événement avec tensioactif subit par la colonne « Collias » (expérience #37), la concentration en Triton X-100 est de l’ordre de 0,05 g/L dans les effluents, ce qui correspond à une tension superficielle encore assez élevée, de l’ordre de 40 mN/m (Figure 14). On voit que la mobilisation correspondant à cet événement est du même ordre de grandeur que celle correspondant à une mobilisation sans tensioactif (courbes noires Figure 13 droite) On peut cependant noter une augmentation de la concentration en Triton X-100 éluée au fur et à mesure des manipulations, et de façon concomitante une diminution plus marquée de la mobilisation.

3.3 Vers un mécanisme décrivant l’effet du tensioactif sur la mobilisation

Nous pouvons observer sur la figure 13 que les « queues » des courbes cumulées sont quasi parallèles. Cette différence de mobilisation de particules est moins marquée dans le cas de la colonne de sol « Collias », la variabilité des courbes obtenues sans Triton X-100 étant plus grande, mais on peut cependant observer la même tendance. Le principal impact du tensioactif sur la mobilisation des colloïdes est donc visible au début de la manipulation, lors du pic de concentration en colloïdes.

D’après le modèle de Michel et al. (2010), la forte mobilisation initiale en colloïdes est due aux contraintes capillaires se développant dans les pores du sol entre deux pluies. La figure 15 ci-dessous illustre ce phénomène. Durant un évènement pluvieux, les pores du sol se chargent en eau (a). Après l’arrêt d’une pluie, les pores se vident en partie de l’eau précédemment « stockée ». Les forces capillaires n’étant pas identiques entre les plus petits et les plus gros pores, ces derniers s’assèchent plus vite (b). Des forces capillaires

18

différentielles se créent, fragilisant ainsi les parois séparant un pore vide d’un pore plein. Lors de la pluie suivante, ces parois de sol se fracturent et sont emportées par l’eau de pluie (c). Ces parois ne sont rien d’autre que les colloïdes que nous retrouvons dans les effluents, ce qui explique le pic de concentration initiale.

Dans ce modèle, la tension interfaciale intervient deux fois :

1) elle influence le nombre de pores qui vont se vider pour un temps donné 2) elle règle la force des contraintes capillaires.

Des simulations ont été réalisées avec ce modèle, en faisant varier la tension interfaciale de l’eau entre 72 et 35 mN/m. Ces simulations sortent du cadre de ce rapport, mais leur résultat confirme les résultats expérimentaux obtenus : en faisant varier les différents paramètres du modèle, on observe une diminution de mobilisation toujours modérée, lorsque la tension superficielle passe de 72 à 35 mN/m, cette variation conduit au plus à diviser la mobilisation par un facteur deux.

Figure 15 : Modèle de mobilisation des colloïdes développé par Michel et al., 2010

19

CONCLUSION

Les colloïdes étant des vecteurs de pollutions, les polluants s’adsorbant sur eux, si on modifie leur mobilisation et ainsi leur arrivée aux eaux souterraines, on modifie également l’arrivée des polluants dans la nappe. La compréhension des phénomènes de transfert de polluants passent donc par l’expérimentation en laboratoire afin de comprendre les mécanismes et les différents facteurs influençant la mobilisation de colloïdes.

Au cours de mon stage, je me suis intéressée à l’influence que peu avoir un agent tensioactif sur la mobilisation des colloïdes. Après différentes simulations de pluies avec ou sans tensioactif, nous aboutissons à différents résultats :

 l’ajout de tensioactif à l’eau de pluie est sans effet sur l’écoulement de l’eau dans la colonne de sol, le flux à la sortie de celle-ci ne variant pas.

 la concentration en tensioactif éluée au cours du temps diffère selon les colonnes de sol. Ces variations entre les différents sols pourraient être liées à la structure de ceux-ci (chemins d’écoulement préférentiel dans les macropores).

 lorsque la concentration en tensioactif augmente dans la colonne de sol, la mobilisation des colloïdes diminue.

L’étude aura permis de découvrir l’effet d’un tensioactif sur la mobilisation des colloïdes : en appliquant du tensioactif sur un sol, on diminue la mobilisation de particules de sol et ainsi on limite le transport des polluants à travers le sol et vers les eaux souterraines. La concentration en Triton X-100 choisie pour les infiltrations est cependant très importante (1 g/L). Or le Triton X-100 est un produit dangereux pour l’environnement [2]. L’appliquer à une telle concentration serait donc nocif. Si on décidait d’utiliser un tensioactif pour limiter le transport des polluants accrochés à des particules de sol, il faudrait étudier et donc choisir un tensioactif moins nocif pour l’environnement.

L’un des projets de l’unité de recherche EMMAH est l’utilisation d’eaux usées pour l’irrigation. Or celles-ci contiennent de grandes quantités de molécules tensioactives. Leur utilisation pourrait donc limiter le transfert des pesticides appliqués de la surface vers la nappe sous-jacente, mais avec quels impacts sur l’environnement proche ?

D’un point de vue personnel, ce stage a été très enrichissant pour moi. Il m’a tout d’abord apporté une expérience professionnelle dans le domaine de la recherche, partie du monde du travail encore inconnue pour moi il y a deux mois et demie. Remises en question et esprit critique se sont avérés être des outils indispensables à l’avancée d’un projet. J’ai également pu découvrir quelques notions de la physique du sol, peu abordée durant ma formation, De plus, j’ai pu approfondir mes connaissances pratiques, ayant due m’adapter à de nouveaux dispositifs expérimentaux. Ce stage aura dans tous les cas confirmé mon souhait de continuer mes études dans le domaine de la lutte contre les pollutions.

20

Glossaire

Case lysimétrique : dispositif permettant d’étudier et de mesurer l’évolution de l’eau dans

un sol naturel, agricole, forestier, expérimental

Colloide : particule (dans notre cas de sol) mettant un temps infini à décanter et de taille

comprise entre 10 nm et 10 µm.

Concentration micellaire critique (CMC) : concentration d’un tensioactif au-delà de laquelle

il se forme des micelles

Force de Van der Waals : interaction électrique de faible intensité entres atomes ou

molécules

Force capillaire : interactions entre un solide et un liquide

Liaisons hydrogène : liaison physique non covalente, reliant des molécules en impliquant un

atome d’hydrogène

Micelle : agrégat de tensioactifs

21

Bibliographie

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Webographie

ANNEXES

ANNEXE 1 : Caractéristiques des sols utilisés

ANNEXE 2 : Acquisition informatique des données lors d’une simulation de pluie. ANNEXE 3 : Droites d’étalonnage [colloïdes] = f(Abs400)

ANNEXE 4 : Spectre d’absorption du Triton X-100 ANNEXE 5 : Droite d’étalonnage Abs277 = f([TX])

ANNEXE 6 : Dispositif de mesure de la tension superficielle d’un fluide ANNEXE 7 : Hydrogrammes de la colonne de sol « Collias »

ANNEXE 1

ANNEXE 1 : Caractéristiques des sols utilisés

Tableau : Composition des sols des colonnes « Collias » et « INRA »

Caractéristique Taille « Collias » « INRA »

Argile <2 µm 13,9 % 46,3 % Limons fins 2-20 µm 17,5 % 39,8 % Limons grossiers 20-50 µm 28,9 % 7,8 % Sables fins 50-200 µm 23,9 % 4,9 % Sables grossiers 200-2000 µm 15,8 % 1,2 %

0

10

20

30

40

50

10

100

1000

10

INRA

Collias

%

Taille particules (µm)

Figure : Composition des sols des colonnes « Collias » et « INRA » en fonction de la taille des particules

ANNEXE 2

ANNEXE 2 : Acquisition informatique des données lors d’une

simulation de pluie.

Lors des simulations de pluies, l’acquisition des données se fait par le système informatique. Celui-ci relève toutes les 5 secondes les masses appliquées sur les deux balances du dispositif.

La courbe blanche suit l’évolution de la masse de la colonne au cours du temps, c’est-à-dire l’eau qu’elle contient, la tare étant effectuée au début de l’expérience sur le poids de la colonne elle-même. On observe tout d’abord une forte croissance avant d’atteindre un régime stationnaire.

La courbe rouge représente quant à elle la masse de l’effluent recueillit au cours du temps. Chaque chute de la masse correspond au changement de tube servant à récupérer l’effluent. L’échantillonnage est plus resserré au début de l’expérience, la concentration en colloïdes variant beaucoup durant cette période. La courbe rouge nous indique également le temps de percée de la colonne, c’est-à-dire le moment où la première goutte sort de la colonne.

Temps de percée

ANNEXE 3

ANNEXE 3 : Droites d’étalonnage [colloïdes]= f(Abs400)

Figure : Droite d’étalonnage de la concentration en colloïdes en fonction de l’absorbance à 400 nm pour la colonne de sol « Collias »

Figure : Droite d’étalonnage de la concentration en colloïdes en fonction de l’absorbance à 400 nm pour la colonne de sol « INRA »

Les droites d’étalonnage ont été obtenues à partir de dilutions d’une solution mère de sol dans de l’eau de pluie lues au spectrophotomètre, à 400 nm. Les coefficients de corrélation étant proches de 1, les gammes peuvent être validées. Les coefficients directeurs des droites nous permettent d’obtenir une concentration en colloïdes ([colloïdes]) éluée grâce à son absorbance à 400 nm (Abs400) : [colloïdes] = Abs400*coefficient directeur-ordonné à l’origine

ANNEXE 4

ANNEXE 4 : Spectre d’absorption du Triton X-100

Figure : Spectre d’absorption du Triton TX-100 entre 240 et 800 nm

Afin d’optimiser la méthode de mesure de la concentration en tensio-actif dans les effluents, il a fallu déterminer la longueur d’onde pour laquelle on observe l’absorbance maximale du Triton X-100. Pour cela, on effectue un spectre d’absorption entre 240 et 800 nm.

La courbe noire correspond au spectre d’absorption de l’eau de pluie ayant également servie de blanc et celle en rouge au spectre d’absorption de l’eau de pluie additionnée de tensio-actif à 1 g/L. On peut ainsi observée que l’absorbance maximale du Triton X-100 est obtenue pour une longueur d’onde de 277 nm.

ANNEXE 5

ANNEXE 5 : Droite d’étalonnage Abs

= f([TX])

Figure : Droite d’étalonnage de la concentration en Triton X-100 en fonction de l’absorbance

La droite d’étalonnage a été obtenue à partir de dilutions de Triton X-100 dans de l’eau de pluie lues au spectrophotomètre, à 277 nm. Le coefficient de corrélation étant proche de 1, la gamme peut être validée. Le coefficient directeur de la droite, soit environ 2,41, nous permet d’obtenir une concentration du tensioactif ([TX]) utilisée grâce à son absorbance à 277 nm (Abs277) :

[TX] = Abs277/2,41 y = 2,4097x R² = 0,9991 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 A b sor b an ce à 277 n m Concentration en TX (g/L) Gamme d'étalonnage Abs₂₇₇= f([TX])

ANNEXE 6

ANNEXE 6 : Dispositif de mesure de la tension superficielle d’un

fluide

Figure : Schéma du dispositif ADSA de mesure de la tension superficielle

Pour la mesure de la tension superficielle d’un fluide, nous utilisons un dipositif ADSA (Axisymmetric Drop-Shape Analysis). Celui-ci est composé de différents éléments :

 une source lumineuse fournissant assez d’éclairage pour la photographie

 un capillaire coupé horizontalement, rendu hydrophobe(afin d’éviter que la goutte remonte sur les parois du tube) et muni d’une microseringue de 250 µL.

 un microscope muni d’une réglette dans la lentille

 un appareil photographique

 un ordinateur muni du logiciel MatlabTM ainsi que du programme de modélisation. Dans un premier temps, on prélève le fluide à analyser à l’aide de la microseringue que l’on place ensuite à l’extrémité du capillaire. On rempli alors le tube jusqu’au ras bord du bas du tube. On forme alors une goutte de 10 µL. Avec l’appareil photo et grâce au microscope, on fait la mise au point sur la goutte de fluide. On transfère la photographie sur l’ordinateur. La réglette nous permet de déterminer l’échelle de la goutte en mm/pixels. On lance alors le programme dans MatlabTM. Celui-ci nous calcule une valeur de tension superficielle à l’aide d’un système de polynômes d’ordre 30 décrivant le mieux la forme de la goutte et de l’équation de Laplace & Young.

ANNEXE 6 0.005g/L =66,58 mN/m-1 0.05g/L =42,14 mN/m-1 0.1g/L =31,49 mN/m-1 0.15g/L =31,15 mN/m-1 0.2g/L =28,21 mN/m-1 1g/L =23,83 mN/m-1 Figure : Photographies de gouttes d’eau salée contenant différentes concentration de Triton X-100

On peut voir sur les photographies que plus on augmente la concentration en Triton X-100, plus la goutte s’allonge et sa forme devient moins sphérique. Cette différence de forme se remarque principalement si la concentration en tensioactif dépasse la CMC.

ANNEXE 7

ANNEXE 7 : Hydrogrammes de la colonne de sol « Collias »

Flu x (mm/ h ) 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Collias#35 Flu x (mm/ h ) 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Collias#36 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Collias#37 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Collias#39 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Collias#40 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Collias#41 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Collias#42 Temps

Figure : Hydrogrammes de la colonne « Collias » sans (noir) et avec (vert) tensioactif

Année : 2010

Etudiante : Yvana BRILL

IUT Louis Pasteur de Schiltigheim Département de Génie Biologique

Option : génie de l’Environnement

TITRE : Etude expérimentale de l'effet de la tension superficielle de l’eau de pluie sur la mobilisation de particules de sol

RESUME :

J’ai effectué mon stage dans un laboratoire de recherche de l’INRA d’Avignon et plus précisément au sein de l’UMR EMMAH spécialisée dans le sol, les transferts et les cycles biogéochimiques. Mon sujet fait parti d’un projet innovant : l’étude de la mobilisation de particules de sol dans un sol non remanié. Ce travail s’intègre dans une optique de modélisation du transport de polluants des sols vers les eaux souterraines. La tension superficielle de l’eau pourrait en effet avoir une forte influence dans la mobilisation des colloïdes, vecteurs de polluants.

Mon sujet portait sur l’influence d’un tensioactif sur la mobilisation des colloïdes dans une colonne de sol non remanié. Pour cela j’ai effectué des simulations de pluies en laboratoire, tout d’abord avec une eau de pluie exempte de substance tensioactive, puis avec ajout d’un produit modifiant la tension interfaciale de l’eau de pluie. Le suivi des concentrations en particules de sol et en tensioactif au cours d’une infiltration a permis d’identifier des interactions entre la tension superficielle de l’eau et la mobilisation des colloïdes.

Mots clés : transport de polluants, tension superficielle, tensioactif, colloïde, infiltration,

sol non remanié

Lieu de stage :

INRA UMR 1114 INRA-UAPV EMMAH sol Maître de stage :

Centre de recherche d’Avignon Eric MICHEL

Domaine St Paul - Site Agroparc Chargé de recherche