dans les barrières perméables réactives

Les tests de caractérisation géotechnique sont réalisés sur les échantillons de gel d'apatite à l'état brut (GA1, GA2, GA3, GA4 et GA5). La perméabilité sous contrainte des gels d'apatite a fait l'objet de la quatrième et dernière partie.

Introduction

• Généralité sur les apatites
• Hydroxyapatite
• Méthodes de synthèse des apatites
• Origine et formation du Gel d’Apatite étudié
• Fabrication du carbonate de sodium
• Problèmes liés à la formation des carbonates
• Naissance du Gel d’Apatite
• Comportement thixotropique
• Rétention des métaux lourds
• Les différentes voies possibles de valorisation du Gel d’Apatite

La boucle d'hystérésis obtenue en augmentant la vitesse de cisaillement suivie d'une diminution est représentée sur la figure 1.9. La figure 1.11 montre un exemple de l'évolution de la concentration en ions Ca2+ en fonction de l'adsorption de certains types d'ions métalliques par les HAP, comme les ions Cu2+ et Zn2+.

Les Barrières Perméables Réactives « BPR(s) »

• Définition d’une BPR
• Les différentes configurations de BPR(s)
• Les barrières continues
• Les barrières système « funnel and gate »
• Les barrières à cartouches interchangeables
• Dimensionnement d’une BPR et choix du réactif
• Facteurs de dimensionnement d’une BPR
• Choix du réactif
• Mécanismes de traitement des BPR(s)
• La dégradation biologique
• La transformation chimique
• L’adsorption ou l’échange ionique
• Les Barrières Perméables Réactives dans le monde
• Implantation
• Barrière perméables réactives apatitiques

Les contaminants présents dans les eaux souterraines sont décomposés par le réactif en éléments non nocifs par l'écoulement naturel à travers la barrière [Smyth et al., 1997]. Dans la littérature il est indiqué que le rapport : longueur de l'entonnoir / longueur de la barrière est égal à 6 [Day et al., 1999]. Ainsi, un autre équilibre doit être trouvé entre le coût de la matière réactive et celui de la construction du BPR, en tenant compte des polluants à traiter et des caractéristiques de la nappe [Thiruvenkatachari et al., 2008 ; Gavaskar et al., 1998].

Profondeur de l'aquifère : est un facteur très important dans le choix d'une technique de construction BPR. Capacité hydraulique : La perméabilité du BPR doit être supérieure à la perméabilité de la nappe afin de ne pas perturber les écoulements souterrains. On parle par exemple de la fixation du cadmium et du zinc à la surface de l'hydroxyapatite [Marchat et al., 2007].

Le phénomène responsable de la propriété de rétention d'une apatite est la substitution d'ions métalliques dans son réseau cristallin [Deschamps et al., 2006].

Conclusion

Dans le cas de l'utilisation d'apatites dans les BPR(s), les différents phénomènes permettant la capture des contaminants sont : l'adsorption, la substitution et l'inclusion (piégeage mécanique).

Composition chimique et minéralogique

• Spectroscopie de fluorescence X
• Diffraction des rayons X
• Microscope Electronique à Balayage (MEB)

Une source d'excitation : qui provoque l'émission du spectre de rayons X caractéristique de la composition de l'objet. Les tests ont été réalisés au Laboratoire de Chimie et Electrochimie pour l'Aménagement et la Valorisation des Matières Minérales de l'Université de Metz. Les tests ont été réalisés au Département de Catalyse et Chimie du Solide de l'Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Lille.

Ils ont été analysés à température ambiante à l’aide d’un diffractomètre à dispersion d’énergie D8 Advance BRUKER AXS (Figure 2.3). Il permet d'étudier la microstructure ainsi que la surface des matériaux à l'échelle de quelques nanomètres. Le SEM est généralement couplé à un détecteur EDS (Energy Dispersive Spectrometry) qui permet la création du spectre d'émission de rayons X de l'échantillon et la détermination de sa composition chimique.

Les échantillons étudiés ont été fixés avec des rubans adhésifs double face sur des supports circulaires en platine.

Caractérisation physique

• Teneur en eau et degré de saturation
• Indice de vide et porosité
• Masse volumique absolue
• Teneur en CaCO 3
• Surface spécifique BET
• Répartition granulométrique

Cette grandeur physique a été déterminée pour les particules solides du gel d'apatite au laboratoire de l'Ecole Centrale de Lille à l'aide d'un pycnomètre à hélium type Accupyc 1330. Les tests ont été réalisés au laboratoire de la centrale électrique de l'Ecole de Lille à l'aide d'un calcimètre Dietrich-Fruhling (Figure 2.7 ). Une masse de l'échantillon examiné (m = 0,5 g) est placée dans un ballon réactionnel dans lequel un volume (V = 10 cm 3 ) d'acide chlorhydrique est versé à température ambiante (20°C).

La surface spécifique du gel d'Apatite a été mesurée par adsorption de diazote (méthode BET) au Laboratoire de l'Ecole Centrale de Lille, sur un équipement ASAP 2000 de la société Micromeritics (Figure 2.8). Trois échantillons de chaque échantillon ont été dégazés à 70 ° C puis dissous dans une solution d'éthanol pour éviter l'agglomération des particules sèches. Les analyses sont réalisées sur les particules sèches du gel d'apatite à l'aide d'un granulomètre laser de type COULTER au laboratoire de l'Ecole Centrale de Lille (Figure 2.10).

Deux échantillons de chaque échantillon sont dissous dans une solution d'éthanol pour éviter l'agglomération des particules.

Caractérisation géotechnique

• Limites d’Atterberg
• Essai oedométrique
• Essai de perméabilité

La détermination de la limite de plasticité (wp) se fait avec les outils présentés sur la figure 2.16. Cv : coefficient de consolidation qui permet de relier le temps de prise avec l'épaisseur de couche du matériau considéré (en m2/s). L'indice de compression « Cc » et l'indice de gonflement « Cg » sont déterminés graphiquement à partir de la courbe de compressibilité représentée sur la figure 2.19.

Méthode de Taylor : présente les variations de l'indice de vide en fonction de la racine carrée du temps (e, √t). Il représente l'évolution de l'indice de vide en fonction de la racine carrée du temps. Les variations du coefficient de perméabilité « K » pour différents types de sols sont présentées sur la figure 2.21.

Elle s'appuie sur la loi de Darcy et permet donc de suivre l'évolution de la perméabilité en fonction de l'indice de vide et sous l'effet des contraintes appliquées.

Caractérisation environnementale

• Lixiviation
• Teneur en métaux lourds

Les tests de lixiviation des échantillons de gel d'apatite ont été réalisés selon la norme française pour les tests de lixiviation (NF X31-210) au laboratoire de l'Ecole Centrale de Lille. L’analyse chimique des lixiviats a été déterminée au Laboratoire Géosystème FRE – CNRS de l’Université de Lille 1 par spectrométrie atomique ICP – AES « Inductively Coupled Plasma ». Système de distribution : composé d'une pompe péristaltique, d'un nébuliseur et d'une chambre de nébulisation.

La chambre d'atomisation permet de « filtrer » l'aérosol en envoyant les plus fines gouttelettes dans le plasma. Il est donc nécessaire d'apporter de l'énergie sous forme de champ magnétique pour déclencher la réaction. Les atomes du matériau à analyser sont transformés en ions par un type de flamme extrêmement chaude : jusqu'à 6 000°C.

L'échantillon entre généralement dans le plasma sous forme liquide condensée et doit donc subir les changements d'état suivants : vaporisation et ionisation.

Conclusion

• Caractérisation physique
• Composition chimique et minéralogique
• Composition chimique
• Caractérisation minéralogique
• Teneur en CaCO 3
• Observation microscopique par MEB
• Caractérisation environnementale
• Fiche synoptique physico – chimique
• Conclusion

Les résultats de la détermination de la teneur en eau « %p » obtenus pour les gels d'apatite sont présentés dans le tableau 3.1. La porosité du gel d'Apatite est comparable à celle de l'argile du Mexique dont la valeur varie entre 80 et 90 % [Santamarina, 2001]. Le tableau 3.6 montre que les gels d'Apatite contiennent principalement du calcium Ca, du phosphate P et du potassium K (50 % de la composition totale).

Les gels d'apatite ont été caractérisés à l'aide d'un microscope électronique à balayage (MEB) couplé à une analyse par spectrométrie à rayons X. La caractérisation environnementale des deux échantillons de gel d'Apatite GA4 et GA5 a été réalisée après deux tests complémentaires : lixiviation et analyse ICP-AES. Figure 9 : Composition pondérale du lixiviat des gels d'apatite GA4 et GA5 obtenus par ICP-AES.

Le lixiviat des deux gels d'apatite étudiés (GA4 et GA5) contient principalement du calcium Ca, du phosphate P et du potassium K.

• Limites d’Atterberg
• Etude de compactage du Gel d’Apatite
• Essai Proctor
• Gonflement du gel GA4
• Etude oedométrique du Gel d’Apatite
• Etude de la compressibilité
• Etude de la consolidation
• Synthèse de l’étude œdométrique du Gel d’Apatite
• Eude de la perméabilité sous charge
• Principe et appareillage
• Analyse des résultats
• Perméabilité théorique (kv)
• Synthèse de l’étude de perméabilité du Gel d’Apatite
• Fiche synoptique géotechnique
• Conclusion

Les tests sont appliqués aux différents échantillons de gels d'apatite selon la norme française (NF P94-051). La figure 4.2 montre l'évolution de la densité apparente du gel GA4 en fonction de différentes teneurs en eau. Ce test est appliqué sur des échantillons de gel d'apatite selon la norme française (XP CEN ISO/TS 17892-5).

La variation de l'indice de vide en fonction des contraintes appliquées lors des deux phases de chargement/déchargement a été étudiée pour les cinq échantillons de Gel d'Apatite. La figure 4.9 illustre la variation de l'indice de vide en fonction des contraintes appliquées pour cinq gels d'apatite (GA1, GA2, GA3, GA4 et GA5) en deux étapes de chargement/déchargement de l'essai oedométrique. La perméabilité théorique « Kv(Cv) » déterminée par les coefficients de consolidation du gel d'apatite varie de 10-10 à 10-7 m/s.

Les résultats de l'œdomètre et de la perméabilité théorique ont montré que les gels d'apatite sont peu perméables.

Principe et méthodologie

Le principe du dispositif expérimental de détermination de la perméabilité et de la capacité de rétention des métaux lourds consiste en l'injection d'une solution contaminée, une solution de nitrate de cuivre dans notre cas, à travers le matériau à étudier. La solution désinfectée est récupérée en sortie de cellule et analysée par spectrométrie atomique ; le taux de rétention des ions cuivre est donc déterminé. Le débit est contrôlé en sortie de cellule à l'aide d'un débitmètre pour déterminer le coefficient de perméabilité.

La teneur en ions cuivre est donc déterminée par des échantillons prélevés successivement en sortie de cellule. Ceci permet l'injection de la solution de nitrate de cuivre au fond de la cellule. Ceci permet la mesure de la différence de pression (ΔP) entre l'entrée et la sortie de la cellule.

Deux bidons : un premier qui contient la solution de nitrate de cuivre qui sera injectée au fond de la cellule et un second qui permet de récupérer la solution en sortie de cellule.

Protocole expérimental

132 - Placer un filtre de 10 µm sur chacune des grilles d'ertaflon fixées sur les socles pour éviter que le sable ne sorte de la cellule, ne pénètre dans le circuit et n'endommage le capteur de pression. Introduire une couche de 3 à 5 cm de graviers destinée à pré-filtrer la solution. Répétez les deux dernières étapes jusqu'à ce que tout le matériel ait été introduit - Placer un autre filtre entre deux grilles puis une autre couche de gravier.

Connectez la cellule au circuit de procédé et allumez la pompe pour injecter la solution de cuivre.

Méthodes de mesures

• Mesure de la perméabilité
• Capacité de rétention des métaux lourds

Des échantillons successifs ont été analysés par ICP-AES pour déterminer l'évolution de la teneur en cuivre au cours du processus de traitement. Cu2+] : est la concentration finale en ions cuivre déterminée par spectrométrie atomique ICP-AES.

Qualification du dispositif expérimental

Ces observations confirment la fiabilité du dispositif expérimental conçu pour déterminer la perméabilité à l'eau des matériaux. Réaliser un test de perméabilité n'est en effet pas très difficile à faire sur le papier, mais en pratique, des compétences techniques et un savoir-faire sont absolument nécessaires pour mesurer et contrôler toutes les surprises liées aux fuites.

Etude de valorisation du Gel d’Apatite dans une BPR

• Matériaux étudiés
• Choix du sable
• Gel d’Apatite
• Liants organiques
• Etude de la perméabilité
• Influence de l’aspect du Gel d’Apatite sur la perméabilité du sable de silice
• Perméabilité du mélange
• Etude de la rétention des métaux lourds
• Mélanges sable/gel sans ajout de liant organique
• Mélanges sable/gel avec ajout de liant organique
• Etude de la tenue mécanique
• Observations des éprouvettes
• Analyse de la compression des mélanges durcis

Le but de ces essais est d'étudier l'effet de l'aspect du gel d'apatite utilisé sur la perméabilité des mélanges. Le tableau 5.2 montre que l'ajout de 5% de gel d'apatite sous différents aspects n'a pas une grande influence sur la perméabilité du mélange. Ces mélanges sont constitués de sable de silice, de 5 % de gel d'apatite broyé mécaniquement et d'un liant organique.

Les valeurs de perméabilité pour les différents mélanges après 30 minutes d'essai sont présentées sur la figure 5.9. Ils confirment, comme observé précédemment, que l'ajout de 5% de gel d'apatite n'altère pas la perméabilité du sable siliceux. Chap.5 : Etude de la perméabilité et de la rétention des métaux lourds par gel d'apatite en vue de sa valorisation dans un BPR.

L'étude de la valorisation du gel d'apatite dans une barrière perméable réactive « BPR » a été présentée dans la dernière partie de la thèse.