Processus contrôlant les concentrations des phosphates dans les eaux naturelles

• Auteur / Autrice : Teresa Roncal-Herrero
• Direction : Eric H. Oelkers
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géochimie expérimentale
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eutrophisation

Eau -- Teneur en phosphates

Biodisponibilité

Mots clés libres

Phosphate disponibilité

Eutrophication

Eaux naturelles

Résumé

Le phosphore est un élément indispensable à la vie, provoquant notamment une forte croissance des végétaux quand il est en forte concentration dans l'eau. Cette étude est centrée sur le comportement des phosphates dans les eaux naturelles, afin d'éviter son apport excessif au milieu aquatique et d'améliorer son utilisation en tant que fertilisant. Nous avons mesuré les vitesses de dissolution et de précipitation des principaux minéraux phosphatés. Les phosphates étudiés sont la struvite (MgNH4PO4,6H20), la fluorapatite Ca5(PO4)3F, la variscite (AlPO4,2H2O), la strengite (FePO4,2H2O) et certains phosphates de terres rares, rhabdophane (LaPO4,2H2O et NdPO4,2H2O). Les vitesses de dissolution ont été mesurées à température ambiante (25ºC) et à différents pH. La vitesse de dissolution, normalisée à une surface spécifique constante (BET), évolue dans l'ordre suivant: sturvite > fluorapatite > variscite > rhabdophane. Cette vitesse dépend de la force des liaisons cation-oxygène assurant le maintien des tétraèdres isolés de phosphate dans la structure du minéral. Les taux de précipitation ont été mesurés à différentes températures en condition acide. Les phosphates d'aluminium et de fer précipitent en tant que phases amorphes. Ils évoluent ensuite en une phase cristalline en fonction du temps et de la température. Le rhabdophane précipite rapidement, directement d'une phase aqueuse à une phase cristalline. La concentration des terres rares dans les systèmes naturels est influencée par le rhabdophane et par vitesse de précipitation. Les minéraux phosphatés tamponnent la concentration en phosphates des eaux naturelles du fait de leur faible solubilité et de leur grande réactivité. Pour une même composition des eaux, la phase solide contrôlant la teneur en phosphate dissous dépend du pH. La variscite régule la teneur en phosphate dissous à pH acide, l'apatite à pH neutre et la struvite à pH basique si la solution est chargée en ammonium.

Phosphorus is an essential element for life. This study focuses on the behaviours of phosphate minerals in natural waters. We have experimentally determined the dissolution and precipitation kinetic laws of the main phosphate minerals, at several temperatures and 1 atm. The studied phases were struvite (MgNH4PO4,6H2O), fluorapatite Ca5(PO4)3F, variscite (AlPO4,2H2O), strengite (FePO4,2H2O) and REE-phosphates as rhabdophane (LaPO4,2H2O and NdPO4,2H2O). These dissolution rates, normalized to a constant BET surface area, follow the approximate order struvite > fluorroapatite > variscite > rhabdophane. Since the phosphate group passes directly into the aqueous solution, it is reasonable to assume that the rate controlling process is related to the progressive disruption of metal oxygen bonds holding the PO4 tetrahedra together in the mineral structure. The precipitation rates were measured at different temperatures and acid conditions. During the experimental stages, aluminium and iron phosphates precipitated as amorphous phases, becoming crystalline as temperature rises and reaction time progresses. Rhabdophane, however, quickly precipitated directly from the solution as a crystalline phase. The low solubility and the big reactivity of phosphate minerals limit phosphate availability in natural waters. At constant solution composition, the precipitated phosphate-bearing solid phase depends on the induced pH conditions. At acid conditions, variscite is the phosphate dominant phase, while at moderately to high alkaline conditions apatite formation occurs. Further basic pH conditions combined with high ammonium concentrations results in struvite precipitation. , at medium pHs is apatite and at basic pH in presence of ammonium is struvite.