Influence de la taille des particules et de la cristallochimie sur les propriétés d'échange cationique des minéraux argileux gonflants

Influence of particle size and crystal chemistry on cation-exchange properties of swelling clay minerals

• Auteur / Autrice : Liva Dzene
• Direction : Emmanuel Tertre, Éric Ferrage, Fabien Hubert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre solide et enveloppes superficielles
• Date : Soutenance le 28/09/2016
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'environnement Gay Lussac (La Rochelle ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers (2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Sabine Petit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Tertre, Éric Ferrage, Fabien Hubert, Jocelyne Brendlé, Gregory Van der Heijden
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Lanson, Thorsten Schäfer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols -- Pollution

Sols

Structure cristalline (solides)

Adsorption

Minéraux argileux

Mots clés libres

Minéraux argileux gonflants

Échange cationique

Taille de particules

Charge de feuillet

Aluminisation

Swelling clay minerals

Cation exchange

Particle size

Layer charge

Aluminization

Résumé

Les minéraux argileux gonflants sont omniprésents dans tous les compartiments de la surface de la Terre et notamment dans les sols. La structure lamellaire de ces minéraux et leur faible taille leur confèrent une forte réactivité notamment vis à vis des polluants et nutriments qui sont présents dans les eaux porales des sols. Dans ce cadre, cette thèse vise à contribuer à une meilleure compréhension des interactions entre des minéraux argileux gonflants et des cations nutritifs (calcium, strontium) et/ou d'intérêt environnemental (césium). Dans les sols, ces minéraux possèdent de larges distributions de taille et de cristallochimie (charge des feuillets). Par conséquent, pour mieux comprendre le rôle de chacun de ces paramètres sur la réactivité de ces particules naturelles, nous avons travaillé avec des « systèmes modèles », représentatifs des particules argileuses des sols : des particules de vermiculite triées en taille et des saponites synthétiques avec des charges de feuillets contrôlées. Les résultats d'adsorption des cations étudiés (Cs, Sr) en compétition avec les cations majeurs des eaux naturelles (Na, Ca) ont été obtenus en couplant l'analyse chimique des solutions et la modélisation des réflexions 00ℓ des diffractogrammes de rayons X afin d'obtenir la distribution de cations entre les différents sites d'adsorption (interfoliaire vs externes). Une telle approche et l'utilisation des « systèmes modèles » nous ont permis d'obtenir des paramètres quantitatifs décrivant la réactivité des minéraux argileux gonflants des sols. Ces paramètres pourront être pris en compte dans les codes de transport prédisant la migration des cations dans les sols.

The swelling clay minerals are ubiquitous in all areas of the surface of the Earth, particularly in soils. The lamellar structure of these minerals and their small size are at the origin of their high reactivity in particular with respect to pollutants and nutrients that are present in soil pore water. In this context, our work aims to contribute to a better understanding of the interactions between swelling clay minerals and cations of nutritive (calcium) and/or environmental interest (cesium, strontium). In soils, swelling clay minerals have broad size distribution and can have a varied crystal chemistry. Therefore, to better understand the role of each of these parameters on the reactivity of the natural particles, we worked with "model systems", which are yet representative of the swelling clay particles encountered in soil environment. Different particle size fractions of vermiculite and different synthetic saponites characterised by well-controlled layer charge were used as "model systems". Results concerning ion-exchange isotherms for Cs and Sr, in competition with major cations of natural waters (Na, Ca), were obtained by combining chemical analyses and 00ℓ reflection modelling of X-ray diffractograms in order to assess the cation distribution between the different adsorption sites (interlayer vs external) located on swelling clay minerals. Such approach and the use of ‘model systems’ have allowed us to obtain quantitative parameters describing the reactivity of soil swelling clay mineral particles, and should be considered in reactive transport codes devoted to predict the migration of nutritive and polluted cations in soil environments.