Formation de concrétions calcomagnésiennes par polarisation cathodique associée à la biocalcification et à l’utilisation de matériaux recyclés pour la protection côtière

Formation of limestone concretions by cathodic polarization combined with biocalcification and the use of recycled materials for coastal protection

• Auteur / Autrice : Caroline Marais
• Direction : Marc Jeannin, Sophie Sablé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 16/11/2023
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Euclide (La Rochelle ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle) - Littoral, Environnement et Sociétés (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Régine Basséguy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Jeannin, Sophie Sablé, Régine Basséguy, Alexandra Bertron, Xosé Ramón Nóvoa, Pierre-Yves Mahieux, Antoine Naillon, Philippe Refait
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandra Bertron, Xosé Ramón Nóvoa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbonate de calcium

Bactéries marines

Déchets -- Valorisation

Eau -- Électrolyse

Protection

Littoraux

Mots clés libres

Électrolyse de l’eau de mer

Système d’écoulement

Granulats recyclés

Lixiviation

Biocalcification

Bactéries marines

Carbonate de calcium

Agglomérats

Compacité

Volume apparent

Seawater electrolysis

Flow system

Recycled aggregates

Leaching

Biocalcification

Marine bacteria

Calcium carbonate

Concretions

Compactness

Apparent volume

Résumé

L’objectif de cette étude vise à développer une solution à faible impact environnemental pour la consolidation des zones côtières partiellement immergées. Cette solution, la formation d’un agglomérat calcomagnésien par électrolyse de l’eau de mer, s’appuie d’une part sur l’économie des ressources locales par valorisation des déchets inertes du BTP (granulats recyclés (GR)) ; et d’autre part sur le processus de biominéralisation impliquant l’hydratation du CO2 par l’enzyme anhydrase carbonique (AC) présente chez les bactéries marines prélevées dans le Port de La Rochelle. Trois axes majeurs ont été étudiés pour optimiser la précipitation d’un liant composé de CaCO3 et de Mg(OH)2 (le dépôt calcomagnésien) au sein de l’agglomérat : l’effet de la dissolution des GR dans l’eau de mer, l’application d’une polarisation cathodique via à un écoulement d’eau de mer et l’étude de la bio-précipitation de CaCO3 par piégeage du CO2 (rôle de l’AC) par les souches marines L’écoulement d’eau de mer a permis de former un agglomérat de 200 cm3 en 60 jours, à -500µA/cm², soit une cinétique de croissance de 3 cm3/jr. Une augmentation de 10% de la compacité a été constatée dans le cas d’une grille enfouie (dans les GR) en immersion et en émersion. L’écoulement et la présence des granulats recyclés favorisent la précipitation du CaCO3 sous forme de calcite pour tendre vers un rapport Mg(OH)2/CaCO3 inférieur ou égale à 1, en polarisation continu ou cyclique. La libération excessive des ions calcium et sulfate en solution liée à la dissolution de la matrice cimentaire contenue au sein des GR, peut expliquer l’augmentation de CaCO3. Toutes les souches ont bio-précipité du CaCO3 dans leur milieu optimal et en présence d’eau de mer naturelle. Leur production a drastiquement chuté avec une teneur à 3% en CO2 (CO2 atmosphérique =0,4%) ainsi qu’en présence de lixiviat de granulats recyclés. À 3% en CO2, le pH du milieu augmente en présence des souches, pouvant témoigner d’une activité de l’AC.

The objective of this study is to develop a low environmental impact solution for the consolidation of partially submerged coastal areas. This solution, the formation of a limestone concretion based on seawater electolysis, relies on two main aspects: firstly, the efficient use of local resources through the valorization of inert construction waste (recycled aggregates (RA)); and secondly, the biomineralization process involving the hydration of CO2 by the enzyme carbonic anhydrase (CA) found in marine bacteria sampled from the Port of La Rochelle. Three major axes were studied to optimize the precipitation of a binder within the limeston concretion composed of CaCO3 and Mg(OH)2 (the calcareous deposit): the effect of RA dissolution in seawater, the application of cathodic polarization via seawater flow, and the study of CaCO3 bio-precipitation by CO2 capture (the role of CA) by marine strains. Seawater flow allowed the formation of a 200 cm3 agglomerate in 60 days at -500µA/cm², resulting in a growth rate of 3 cm3/day. A 10% increase in compactness was observed when the grid was buried (within the RA) either submerged or emerged. Seawater flow and the presence of RA favored the precipitation of CaCO3, particularly in the form of calcite, leading to an Mg(OH)2/CaCO3 ratio less than or equal to 1, whether under continuous or cyclic polarization. The excessive release of calcium and sulfate ions into solution due to the dissolution of the cementitious matrix within the RA could explain the increase in CaCO3. All strains bio-precipitated CaCO3 in their optimal medium and in the presence of natural seawater. Their production drastically decreased at 3% CO2 (atmospheric CO2 = 0.4%) and in the presence of leachate from recycled aggregates. At 3% CO2, the pH of the medium increased in the presence of the strains, which could indicate the activity of CA.