Rétention et transport diffusif d'anions organiques dans la roche argileuse du Callovo-Oxfordien

par Sabrina Rasamimanana

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Grégory Lefèvre.

Le président du jury était Catherine Beaucaire.

Le jury était composé de Véronique Peyre, Christophe Bruggeman, Catherine Landesman, Jean-Charles Robinet, Romain Dagnelie.

Les rapporteurs étaient Bénédicte Prelot, Emmanuel Tertre.


  • Résumé

    La formation argileuse du Callovo-Oxfordien (COx) est étudiée comme possible roche-hôte d’un stockage profond de déchets radioactifs (projet Cigéo). En effet, en plus d’être très faiblement perméable, elle présente une forte teneur en minéraux argileux, capables de retenir les radionucléides sous forme cationique et d’en retarder ainsi fortement leur transport. Néanmoins, certains colis de déchets sont susceptibles de relarguer d’importante quantité de molécules organiques, capables de complexer ces radionucléides et d’augmenter leur mobilité. Aussi, l’objectif de ce travail a été de mieux comprendre le comportement diffusif de plusieurs molécules organiques d’intérêt vis à vis de cette roche argileuse, en investiguant dans un premier temps leur affinité avec la roche hôte. La rétention de molécules organiques sous forme anionique (acétate, phtalate, adipate, benzoate, citrate) a été quantifiée sur la roche argileuse du COx dispersée à l’aide d’expériences d’adsorption/désorption en batch. Des expériences sur roche décarbonatée et fraction de faible granulométrie ont également été réalisées afin de mettre en évidence les phases de la roche et les fonctions chimiques responsables de la rétention. L’intensité de la rétention, Rd, a pu être corrélée avec le moment dipolaire, µ(Orga.), pour fournir une estimation qualitative de la rétention de molécules organiques polaires hydrophiles. Ainsi, le phtalate, légèrement polaire, présente une rétention réversible (Rd ~1,6 L.kg 1), majoritairement sur les phases argileuses. Le citrate, très polaire et fortement adsorbé (Rd ~ 40 L.kg-1), présente une hystérèse de désorption persistante et une affinité avec différentes phases de la roche (minéraux argileux et oxydes minoritaires). Enfin, l’acétate, l’adipate et le benzoate, peu polaires, présentent une affinité moindre avec la roche (Rd < 0,2 L.kg-1). Le comportement diffusif sur roche compacte de ces anions organiques a alors été étudié. Les valeurs de coefficient de diffusion effectif, De, et facteur de retard ont été quantifiées. La faible diffusivité, [De/D0]ANIONS ORGANIQUES ~ 0,1 à 0,25 × [De/D0]EAU, indique un effet d’exclusion anionique, de même intensité que celui observé pour les anions inorganiques. De plus, les coefficients d’adsorption, Kd, estimés à partir des retards à la diffusion sont environ 2 à 5 fois inférieurs aux coefficients de distribution Rd mesurés sur roche dispersée. Cette différence de comportement n’a pas pu être imputée, ni à des effets de cinétique, ni à des effets de porosité accessible aux anions. Quoiqu’il en soit, les espèces complexantes présentent un retard significatif à la diffusion (Kd > 0,2 L.kg-1), ce qui conforte les capacités de confinement de la roche vis-à-vis de ces espèces.

  • Titre traduit

    Retention and diffusive transport of organic anions in the Callovo-Oxfordian mudstone


  • Résumé

    The Callovo-Oxfordian mudstone (COx) is studied as a possible host rock for a deep disposal of radioactive waste (Cigéo project). Indeed, besides being very weakly permeable, it presents a high content of clayey minerals, capable of retaining radionuclides under cationic form and to delay strongly their transport. Nevertheless, some waste packages may release a significant amount of organic molecules, capable of complexing these radionuclides and drastically increase their mobility. So, the objective of this work was to better understand the diffusive behavior of several organic molecules of interest in this mudstone, by investigating at first their affinity with the host rock. The retention of organic molecules under anionic form (acetate, phthalate, adipate, benzoate, and citrate) was quantified on to the dispersed COx mudstone using adsorption/desorption batch experiments. Experiments on decarbonated rock and clay fraction only (< 2µm) were also performed to identify solid phases and chemical functions responsible for the retention. A correlation of the intensity of retention, Rd, was pointed out whit the dipole moment µ(Orga.), providing a qualitative estimate of retention capacity for polar hydrophilic organic molecules. So, phthalate, slightly polar, displays a reversible retention (Rd ~1,6 L.kg-1), mainly on clayey phases. Citrate, very polar and strongly adsorbed (Rd ~ 40 L.kg 1), displays a persistent desorption hysteresis and an affinity to different solid phases (clayey minerals and minor oxides). Lastly, acetate, adipate and benzoate, weakly polar, display a lower affinity with rock (Rd < 0,2 L.kg-1). The diffusive behavior in compact rock of these organic anions was then studied. The effective diffusion coefficient and retardation factor values were quantified. The low diffusivity, [De/D0]ORGANIC ANIONS ~ 0,1 à 0,25 × [De/D0]WATER evidences an effect of anionic exclusion, with a same intensity as that observed for inorganic anions. Furthermore, the Kd adsorption coefficient, estimated from retarded diffusion are approximately 2 to 5 times lower than the Rd distribution coefficient measured on dispersed rock. This difference of behavior was not able to be attributed, or to kinetic effects, nor to accessible porosity to anions effects. Anyway, the complexing species display a significant diffusive retardation (Kd > 0,2 L.kg-1) consolidating the contain properties of the COx mudstone toward this species.

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