Caractérisation du comportement d’une bentonite sodique pour l’isolement des déchets : Transport diffusif des traceurs ioniques (Na+, Sr2++, Cs et Cl-) dans la bentonite sodique compactée saturée, et titration acide-base de la montmorillonite

par Ian C. Bourg

Thèse de doctorat en Matériaux et environnement

Sous la direction de Alain Bourg et de Garrison Sposito.

Soutenue en 2004

à Pau .


  • Résumé

    L’objectif de cette étude est la compréhension des mécanismes de diffusion des espèces inorganiques (H2O, Na+, Cl-, …) à travers une barrière de bentonite compactée. Une bonne compréhension de ces mécanismes est nécessaire, en effet, à l’extrapolation des résultats de mesures de diffusion en laboratoire à la prédiction de la performance d’une barrière argileuse en conditions in situ. Dans une première étape, à partir d’une étude précédente de la diffusivité apparente de l’eau et des ions dans la bentonite compactée (Bourg, 2004), nous avons obtenu une prédiction du coefficient de diffusion effectif de l’eau et des ions dans les argiles, en fonction de la densité sèche de la bentonite, et de la force ionique des solutions aqueuses en équilibre avec la bentonite. Une simplification permet d’appliquer ce modèle de diffusion à la bentonite fortement compactée, lorsque la quasi-totalité de l’eau de pore est présente dans les interfeuillets de la montmorillonite. Les prédictions ainsi obtenues du coefficient de diffusion effectif des ions Na+, Sr2+, et Cl- dans la bentonite MX-80 sont en bon accord avec les résultats expérimentaux obtenus avec ces mêmes ions (Chapitres 2 et 3). A partir de notre modèle de la diffusivité apparente de l’eau et des cations dans l’argile (Bourg, 2004), nous avons ensuite obtenu une expression reliant l’énergie d’activation de la diffusion de l’eau et des cations dans l’argile à l’énergie d’activation de leur diffusion dans l’eau pure et dans les interfeuillets de montmorillonite (Chapitre 4). Par comparaison aux résultats expérimentaux, ce modèle a permis de montrer que l’énergie d’activation de la diffusion du sodium est supérieure (de 3 à 8 kJ mol-1) dans les interfeuillets de l’hydrate à deux couches de montmorillonite sodique, à sa valeur dans l’eau pure. Enfin, nous avons montré précédemment que la cinétique de l’adsorption des cations dans les pores interfoliaires de la montmorillonite pourrait être affectée par la charge des surfaces des bords de feuillets de montmorillonite (Bourg, 2004). Cette charge varie avec le pH, avec l’adsorption ou la désorption des protons. Nous avons développé ici un modèle mécanistique de la titration de la montmorillonite, comprenant un seul paramètre non déterminé indépendamment, la surface spécifique des bords des feuillets de montmorillonite (Chapitre 5). Ce modèle a permis la description de résultats expérimentaux de plusieurs auteurs sur différentes montmorillonites sodiques, en suspension aqueuse dans les électrolytes de sel sodique (0,005 à 0,5 mol dm-3), à pH > 7.


  • Résumé

    In the present study, we have investigated the diffusion of tracers of water and inorganic ions (Na+, Cl-,. . . ) through a compacted bentonite barrier. An understanding of the mechanisms of diffusion is necessary in order to extrapolate the results of laboratory scale diffusion experiments to the performance of an engineered clay barrier for the isolation of solid waste. From the model of the apparent diffusivity of water and ionic tracers in compacted saturated bentonite developped by Bourg (2004), we first obtained a model of the effective diffusion coefficient of tracers in highly compacted, saturated bentonite. This model successfully predicted experimental data of the effective diffusion coefficient of Na+, Sr2+ and Cl- tracers in highly compacted MX-80 bentonite (Chapters 2 and 3). We then derived a model of the activation energy of the apparent diffusivity of water and sodium tracers in compacted saturated bentonite (Chapter 4). By comparing the model to experimental data of the activation energy of sodium diffusion in compacted saturated bentonite, we could conclude that the activation energy of sodium diffusion in the interlayers of the 2-layer hydrate of Na-montmorillonite is 3 to 8 kJ mol-1 higher than the activation energy of its diffusion in pure water. Finally, in Chapter 5, we developped a model of the acid-base titration of aqueous suspensions of Na-montmorillonite [the pH-dependent charge of the edge surfaces of montmorillonite lamellae may affect the diffusion of ions through the interlayers (Bourg, 2004)]. Our titration model, using only one adjusted parameter (the specific surface area of the edge surfaces of montmorillonite lamellae) could describe experimental data of the titration of several montmorillonites over a wide range of ionic strengths (0. 005 to 0. 5 mol dm-3), at pH > 7 (the pH of pore water in compacted saturated bentonite.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (114 p.)
  • Annexes : Bibliographie p.94-114

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  • Bibliothèque : Université de Pau et des Pays de l'Adour. Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : US 464848
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