Effets physico-chimiques de l'immersion accidentelle de charbon

Physico-chemical effects after an accidental coal immersion

• Auteur / Autrice : Cathy Jaffrennou
• Direction : Philippe Giamarchi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Brest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mer -- Pollution

Analyse

Charbon

Résumé

Ce mémoire présente l’étude des effets physico-chimiques de l’immersion accidentelle d’une cargaison de charbon. Le charbon est une roche sédimentaire riche en matière organique (> 50 % en masse). La phase organique contient des substances humiques, des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et des composés soufrés. La phase inorganique contient des éléments majoritaires (> 0,5 % en masse : Al, Ca, Fe, Si. . . ), minoritaires (0,02 - 0,5 % Mg, Na. . . ) et traces (< 0,02 % Cd, Zn, Cr, Cu, Mn. . . ), ces derniers pouvant être des métaux lourds. La composition de certains charbons a tout d’abord été précisément étudiée. Les teneurs en HAP ont été déterminées à l’aide de plusieurs méthodes d’extraction : elles sont de l’ordre du mg kg-1 pour les seize HAP les plus toxiques. La phase inorganique a été analysée par extraction séquentielle : en dehors du manganèse, présent dans le gypse, les métaux étudiés (Al, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb et Zn) sont présents dans des minéraux insolubles tels que la kaolinite. Après mélange avec l’eau de mer, des analyses par fluorescence par excitation par une lampe xénon et par LASER ainsi que par chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse ont permis d’identifier les composés organiques dissous dans l’eau de mer à partir du charbon : il s’agit d’acides humiques et fulviques. Aucun HAP ou composé soufré n’a été détecté. La concentration en équivalent acides humiques augmente en fonction de la masse de charbon et de l’intensité et de la durée d’agitation et diminue quand la granulométrie augmente. Les composés inorganiques dissous ont été analysés par spectroscopie d’absorption atomique à atomisation électrothermique: en raison de leur spéciation sous forme de minéraux peu solubles, l’essentiel des éléments analysés ne sont pas dissous, en dehors du manganèse, provenant de sulfate. La concentration en Mn augmente pour une masse de charbon plus importante et une agitation plus intense et plus longue et diminue quand la granulométrie augmente. Elle dépasse, en milieu fermé, la limite environnementale de 1,5 μg L-1. Enfin, différentes expérimentations ont été effectuées en milieu ouvert : elles mettent en évidence l’élimination des fines particules en suspension entravant la photosynthèse ainsi que la dilution des acides humiques et du Mn sous l’effet du renouvellement de l’eau de mer. L’étalement d’un tas de charbon sous l’effet d’un courant a également été étudié, et il apparaît que les particules de charbon les plus petites se déplacent plus rapidement : elles peuvent être dispersées sur une distance de 1 km en une dizaine d’heures. Au total, l’impact environnemental d’une immersion accidentelle de charbon reste limité.

This report deals with the study of the physico-chemical effects after an accidental coal immersion. Coal is a sedimentary rock mainly composed of organic matter (> 50 M %). The organic part contains humic matter, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and sulfur compounds. The inorganic part contains major (> 0,5 %: Al, Ca, Fe, Si. . . ), minor (0,02 -0,5%: Mg, Na …) and trace elements (<0,02%: Cd, Zn, Cr, Cu, Mn. . . ), some of the latter being heavy metals. The PAH contents in the various coals used were determined by several extraction methods: they are 0f the order 0f 1 mg kg for the 16 most toxic PAH5. The inorganic phase was analyzed by sequential extraction apart from manganese, which is present in gypsum, the studied metals (AI, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb and Zn) are present in insoluble minerals such as kaolinite. After mixing with seawater, fluorescence analyses by xenon and LASER excitation, along with gas chromatography and mass spectrometry were used to identify organic compounds dissolved from coal onto seawater: they are humic and fulvic acids. Neither PAHs nor sulfur compounds could be detected. The concentration in humic acid equivalent increases with increasing coal mass and agitation time and intensity, and decreases with increasing grain size. Dissolved inorganic compounds were analyzed by electrothermal atomic absorption spectroscopy: since they are included in insoluble minerals, most of the analyzed elements were not dissolved, apart from Mn which is dissolved as a sulfate. The Mn concentration increases with increasing Goal mass and agitation time and intensity, and decreases with increasing grain size. It is, in batch, higher than 1. 5 μg L-1, which can be considered as an environmental limit. Several experimentations were eventually conducted in open media this displayed the elimination of thin suspended particles preventing photosynthesis and the dilution of humic acids and Mn due to the continuous seawater renewal. The spreading of a coal pile submitted to a seawater flow was also studied, and it occurs that the tiniest coal particles move faster: they can be dispersed over a distance of 1 km in 10 hours. The environmental impact after an accidental coal immersion remains on the whole limited.