Développement et mise en oeuvre d'une nouvelle méthode fondée sur le phénomène de nutation pour la décomposition d'un signal composite de Résonance Magnétique Nucléaire : application au signal 1H de l'eau dans des argiles synthétiques

Development of a new methodology based on nutation phenomenon for the decomposition of a structureless Nuclear Magnetic Resonance signal : application to the 1H signal of water molecules in synthetic clays

• Auteur / Autrice : Grégory Trausch
• Direction : Daniel Canet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie moléculaires
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Teneur en eau

Argile

Argile -- Analyse

Modèles mathématiques

Méthodologie

Résonance magnétique nucléaire

Résonance magnétique du proton

Résumé

Le stockage des déchets nucléaires en sous-sol se fait selon un modèle multi-couches pour lequel l'utilisation d'argile est envisagée. Ce dernier type de matériau présente en effet des propriétés de rétention ionique importantes ainsi qu'une faible perméabilité à l'eau, deux caractéristiques essentielles pour assurer une bonne étanchéité de la barrière. Cette étude vise à caractériser par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) la diffusion translationnelle des molécules d'eau dans trois argiles synthétiques candidates, dont deux présentent un massif de type « doublet de Pake ». Après avoir rappeler dans un premier chapitre l'état-de-l'art concernant les techniques mises en oeuvre jusqu'à aujourd'hui pour l'étude de tels systèmes, dont on décrit par ailleurs la structure, une large place est ensuite faite, dans le deuxième chapitre, à l'interprétation et à la simulation de leurs spectres protoniques conventionnels. Cela permet, entre autres, de mettre en évidence le phénomène d'échange chimique entre molécules d'eau dans ces systèmes. Le troisième chapitre traite de l'intérêt d'expériences de nutation originales effectuées à faible champ radiofréquence dans le cas des systèmes à résonance large en RMN pour déterminer le nombre de composantes et leurs contributions respectives au signal total. Le quatrième chapitre montre comment ces résultats peuvent être utilisés lors de l'exploitation des mesures de relaxation et de coefficients de diffusion translationnelle dans ces argiles. Les valeurs obtenues montrent une relaxation 100 fois plus rapide que celle de l'eau pure alors que la diffusion n'est que 4 fois plus lente.

Nowadays, geologic nuclear waste storage is envisionned according to a multi-layer model which implies clays. The latter exhibit retention capacities and low permeability to water ; that is why they are considered as a good candidate for engineered barriers to radioactive waste disposal. The present work here aims at studying transport phenomena which involve water molecules in three samples of synthetic clays (two of them exhibiting a « Pake doublet ») by means of Nuclear Magnetic Resonance (NMR). The first chapter describes structural proporties of clays and presents the state-of-art of NMR and other experimental techniques used for such systems. The second chapter deals with the interpretation and the simulation of each conventionnal proton spectrum. These simulations allow us to evidence and to characterize a chemical exchange phenomenon. The third chapter is dedicated to original nutation experiments performed under low radiofrequency field in the case of broad NMR signal. It is shown that this type of NMR experiment can yield the number and the proportion of each species contributing to the whole signal. These results are exploited in the fourth chapter for processing relaxation and diffusion experiments. Finally, the diffusion coefficients obtained by NMR are divided by a factor 4 with respect to pure water while relaxation rates are two orders of magnitude greater.