Rôle des hétérogénéités texturale et structurale du sol sur le transfert et la rétention des nanoparticules dans la zone non saturée : Expérimentation et modélisation

par Dieuseul Prédélus

Thèse de doctorat en Sciences de l'Environnement Industriel et Urbain

Sous la direction de Rafael Angulo-Jaramillo.

Soutenue le 08-07-2014

à Vaulx-en-Velin, Ecole nationale des travaux publics , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire d'Écologie, des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés (laboratoire) et de Université Claude Bernard (Lyon) (établissement porteur de l'école doctorale) .

Le président du jury était Yann Voituron.

Le jury était composé de Béatrice Bechet, Liliana Di Pietro, Yves Perrodin.

Les rapporteurs étaient Henri Bertin, Céline Duwig.


  • Résumé

    La production croissante des nanoparticules issues du développement des nanotechnologies et leur incorporation dans des produits de consommation vont inévitablement conduire à leur introduction dans l’environnement. Ces particules peuvent constituer un vecteur de substances polluantes en raison du transport facilité des contaminants organiques ou inorganiques potentiellement adsorbés sur leurs surfaces ou représentent elles-mêmes un risque pour l’environnement et la santé humaine. La zone non saturée joue une fonction importante de filtration naturelle des eaux de recharge des nappes. Les mécanismes de transport et de rétention des nanoparticules à travers cette zone sont complexes du fait des hétérogénéités de type structural et textural de celle-ci. Ces hétérogénéités sont à l'origine des écoulements préférentiels et d’un grand nombre de facteurs d'interaction physico-chimiques liés aux propriétés des nanoparticules et de la zone non saturée elle-même. L'objectif de la thèse est de mieux comprendre les effets de ces hétérogénéités sur le transport des nanoparticules dans un milieu non saturé hétérogène afin de mieux prévenir le devenir des nanoparticules dans le sol. Dans ce contexte, trois matériaux granulaires (un sable et des mélanges sable-gravier) ont été mis en place en colonne (10 cm de diamètre x 30 cm de hauteur) et dans le lysimètre LUGH du LEHNA (100 x 160 x 100 cm3) pour simuler le transport des nanoparticules dans le sol. Le but est de déterminer le rôle des hétérogénéités texturale (différentes granulométries) et structurale (barrière capillaire) du sol, en prenant en compte les effets de la force ionique de la solution et de la vitesse d’écoulement sur le transfert des nanoparticules en conditions non saturées. Des nanoparticules de silice marquées par des molécules organiques fluorescentes ont été développées en tant que nanotraceur particulaire dans le cadre de cette étude, l’ion bromure a été utilisé pour caractériser l’écoulement de l’eau. Le modèle de transfert de non équilibre hydrodynamique à fractionnement de l'eau en deux phases mobile et immobile, MIM, incluant un terme de rétention et de relargage des nanoparticules, décrit correctement les courbes d'élution de nanoparticules, pour les expériences en colonne. Cette étude a permis de caractériser les effets liés aux différentes tailles des grains du sol et à la barrière capillaire sur la rétention des nanoparticules. Les expériences réalisées avec différentes forces ioniques montrent que pour les forces ioniques comprises entre 1 et 50 mM, la rétention est croissante comme prédit la théorie DLVO ; cependant à partir d’une force ionique supérieure à 100 mM il se produit une inversion de la rétention. Lorsque la vitesse d’écoulement diminue, la rétention augmente, probablement en partie à l’interface air-eau. Le lysimètre LUGH a permis d’identifier le rôle de la barrière capillaire sur la rétention des nanoparticules. Un modèlenumérique 3D basé sur l’équation de Richards pour l’écoulement et les équations convection dispersion couplées avec un module de rétention pour les nanoparticules a été dévelopé. Les résultats montrent que la rétention a augmenté à l’interface sable-milieu bimodal. Le profil de rétention de nanoparticules indique qu’elles sont majoritairement retenues en surface du sol, puis la rétention diminue avec la profondeur, pour les expériences réalisées en colonne. Le nanotraceur constitue un outil puissant pour l’étude du rôle des hétérogénéités dans le transfert des particules dans un sol non saturé.

  • Titre traduit

    Role of structural and textural soil heterogeneities on the transfer and the retention of the nanoparticles in the unsaturated zone : Experimentation and modeling


  • Résumé

    Increasing production of nanoparticles from nanotechnology development and incorporation into consumer products will inevitably lead to their introduction into the environment. These particles can be a vector of pollutants due to the facilitated transport of organic and inorganic contaminants potentially adsorbed on their surfaces or represent a risk to the environment and human health themselves. The unsaturated zone plays an important function of natural water filtration recharge. The transport and retention mechanisms of nanoparticles through this zone are complex due to the structural and textural soil heterogeneities. These heterogeneities are causing preferential flows and are responsible a large number of physical and chemical interaction related to the nanoparticles properties. The aim of the thesis is to better understand effects of soil heterogeneities on the transport of nanoparticles in a heterogeneous unsaturated media to better prevent the fate of nanoparticles in the vadose zone. In this context, three granular materials (sand and sand - gravel mixtures) were introduced in column (10 cm diameter x 30 cm high) and the lysimeter LUGH of Lehna (100 x 160 x 100 cm3) to simulate the transport of nanoparticles in the soil. The goal is to determine the role of heterogeneous textural (different sizes) and structural (barrier capillary) heterogeneities of the soil, taking into account the effects of the ionic strength of the solution and the flow rate on the transfer of the nanoparticles in unsaturated conditions. Silica nanoparticles labeled with fluorescent organic molecules have been developed as particulate v in this study, the bromide ion has been used to characterize the flow of water. The transfer model of non-equilibrium hydrodynamic fractionation of water and two mobile and immobile phases, MIM, including a retention and release term of the nanoparticles, properly described breakthrough curves of nanoparticles on column experiments. This study allowed to characterize the effects related of different grain sizes of soil and capillary barrier on the nanoparticle retention. Experiments with different ionic strengths show for the ionic strength between 1 and 50 mM, the retention increased as predicted by the DLVO theory. However, from an ionic strengh greater than 100 mM an inversion retention occurs. When the flow rate decreases, retention increases, air - water interface increases and trapps probably the nanoparticles. Lysimeter LUGH allowed to identify the role of the capillary barrier on the retention of nanoparticles. A 3D numerical model based on Richards equation for flow and the convection dispersion equations coupled with a mechanical module for nanoparticle trapping was developed. Results show retention increased in the sand-bimodal interface. The retention profile indicates that nanoparticles are predominantly retained at the soil surface, then the retention decreases with depth, for the column experiments. The nanotracer is a powerful tool for studying the role of heterogeneous in the transfer of particles in an unsaturated soil.


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