Migration augmentée de l’uranium dans les eaux souterraines par voie colloïdale

par Emmanuelle Maria

Thèse de doctorat en Chimie analytique et environnement

Sous la direction de Gaëtane Lespes.


  • Résumé

    La connaissance des processus de mobilisation et de migration de l’uranium dans les milieux souterrains est un enjeu majeur pour évaluer les risques environnementaux associés aux activités anciennes ou actuelles d'installations nucléaires en vue d'anticiper et gérer tout impact environnemental. La mobilisation et la migration sont habituellement décrites comme fortement contrôlées par les réactions d'adsorption, la présence de ligands, notamment sous forme colloïdale, étant susceptible de l'augmenter considérablement. La capacité des entités colloïdales à transporter l'uranium sur de longues distances va dépendre de leur origine, de leur composition, de leur structure, de leur stabilité et de leur réactivité, ainsi que de leur capacité à complexer l'uranium de manière forte et irréversible. Cependant, les faibles concentrations colloïdales dans les eaux souterraines s’avèrent parfois être un verrou analytique à la détection et à la caractérisation de la mobilisation et du transport colloïdaux de polluant(s) dans les eaux souterraines. Les protocoles d'extraction des phases colloïdales depuis les sols ou les méthodes destinées à concentrer les colloïdes depuis un échantillon d'eau souterraine ne sont pas toujours optimisés pour à la fois assurer un rendement d'extraction satisfaisant et respecter l'intégrité physiques et chimiques des entités colloïdales.Dans ce contexte, deux axes de recherche ont été définis dans ce travail de thèse afin 1) d’appréhender l’impact de l’utilisation de méthodes de préconcentration sur la phase colloïdale et 2) d’améliorer notre compréhension de la dynamique de mobilisation de l’uranium au sein d’un sol podzolisé et ainsi améliorer les modèles prédictifs du transport colloïdal de l’uranium dans les eaux souterraines.Les méthodes de séparation membranaires permettent de préconcentrer la phase colloïdale des eaux souterraines tout en assurant un recouvrement supérieur à 80%. Elles engendrent néanmoins des modifications des paramètres intrinsèques des entités colloïdales avec en particulier un décalage vers les grandes tailles de la distribution en taille de ces entités ainsi qu’une modification de la distribution des espèces entre phases dissoute et colloïdale. Ces modifications peuvent mener à une mauvaise appréciation non seulement des concentrations colloïdales mais aussi des mécanismes de complexation/sorption impliquant la surface des entités colloïdales et de leur stabilité dans les eaux souterraines. La matière organique constitutive des eaux du sol d’étude a été identifiée comme étant le vecteur principal de la remobilisation de l’uranium dans les eaux de sol, sans toutefois avoir un contrôle total de ce processus. Elle est constituée majoritairement d’acides fulviques et humiques de petite taille qui tendent à s’agglomérer au cours du temps, lors de la lixiviation du sol. La composition moléculaire de la matière organique varie de manière temporelle à la fois à l’échelle de l’horizon superficiel mais aussi le long du profil de sol. Divers processus (réduction, dénitrification…) interviennent durant la migration de la matière organique vers les horizons plus profonds et pourraient modifier ainsi sa nature. A l’échelle de l’horizon superficiel, les mécanismes de mobilisation diffèrent selon l’élément considéré. L’uranium en particulier est mobilisé rapidement mais de manière limitée (<2% du sol considéré), tandis que la matière organique est générée en continu et de manière pseudo-linéaire.

  • Titre traduit

    Colloid-mediated migration of uranium in groundwater


  • Résumé

    Knowledge of the processes of mobilization and migration of uranium in underground environments is a major challenge to assess the environmental risks associated with ancient or current activities of nuclear facilities in order to anticipate and manage any environmental impact. Mobilization and migration are usually described as strongly controlled by adsorption reactions, the presence of ligands, especially in colloidal form, being able to increase considerably. The ability of colloidal entities to transport uranium over long distances will depend on their origin, composition, structure, stability and reactivity, as well as their ability to complex uranium in a significant and irreversible manner. However, low colloidal concentrations in groundwater sometimes prove to be an analytical lock on the detection and characterization of colloidal mobilization and transport of pollutant(s) in groundwater. Protocols for extracting colloidal phases from soils or methods for concentrating colloids from a groundwater sample are not always optimized to both ensure satisfactory extraction yield and respect physical and chemical integrity colloidal entities.In this context, two lines of research have been defined in this thesis work to 1) to understand the impact of the use of preconcentration methods on the colloidal phase and 2) to improve our understanding of mobilization dynamics of uranium within a podzolized soil and thus improve predictive models of colloidal uranium transport in groundwater.The membrane separation methods make it possible to preconcentrate the colloidal phase of the groundwater while ensuring a recovery greater than 80%. Nevertheless, they cause modifications of the intrinsic parameters of the colloidal entities with, in particular, a shift towards the large sizes of the size distribution of these entities as well as a modification of the species distribution between dissolved and colloidal phases. These modifications may lead to an inaccurate appreciation not only of colloidal concentrations but also of complexation/sorption mechanisms involving the surface of colloidal entities and their stability in groundwater. The constituent organic matter of the study soil waters has been identified as the main vector for the remobilization of uranium in the soil water, without having a complete control of this process. It consists mainly of small fulvic and humic acids that tend to agglomerate over time, during leaching of the soil. The molecular composition of organic matter varies temporally both at the level of the superficial horizon and also along the soil profile. Various processes (reduction, denitrification ...) occur during the migration of organic matter to deeper horizons and could thus change its nature. At the level of the superficial horizon, mobilization mechanisms differ according to the element considered. Uranium in particular is mobilized quickly but in a limited way (<2% of the considered soil), while organic matter is generated continuously and in a pseudo-linear way.


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