Réactivité argiles-polluants métalliques : simulation des barrières argileuses des sites de stockage des déchets

Reactivity between clays and metallic pollutants : simulation of clay barriers of waste landfills

• Auteur / Autrice : Mariem Ghayaza
• Direction : Fabrice Muller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 24/02/2012
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Ary Bruand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Muller, Ary Bruand, Frédéric Villieras, Jocelyne Brendle, Lydie Le Forestier, Hamed Ben Dhia, Emmanuel Tertre, Christophe Tournassat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Villieras, Jocelyne Brendle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perméabilité

Sols -- Absorption et adsorption

Polluants inorganiques

Smectites

Déchets -- Élimination -- Sites

Mots clés libres

Modélisation géochimique

Oedométrie

Geochemical modeling

Oedometer

Résumé

Le stockage des déchets ménagers et assimilés est devenu un enjeu important pour l’environnement. Les smectites, ayant une faible perméabilité et une forte capacité à retenir les polluants, sont fréquemment utilisées comme barrière de sécurité passive au fond des alvéoles de stockage. Ce travail consiste à simuler au laboratoire l’infiltration de solutions de polluants métalliques dans des smectites, d'analyser les mécanismes d'interaction et prévoir leur comportement hydraulique et physico-chimique. Pour cela, nous utilisons des smectites naturelles de référence (SWy2 échangée avec différents cations, Na+ et Ca2+), mais aussi une smectite synthétique et des solutions de polluants métalliques (contenant essentiellement Zn et Pb). Les interactions « en batch » ont permis de tester plusieurs paramètres : rapport solide/liquide, concentration du polluant, pH…Les analyses des lixiviats ont montré que l’argile sodique adsorbe mieux les polluants que l’argile calcique et que l’adsorption est meilleure en milieu neutre. Les résultats expérimentaux ont pu être modélisés à l’aide de PHREEQC en utilisant le modèle 2SPNE. A partir des constantes d’échange et de complexation de la littérature, les simulations montrent que le modèle est en très bon accord avec les données expérimentales pour le zinc. Ces résultats ont permis d’établir de nouvelles constantes pour le plomb, et de connaitre les mécanismes d’adsorption en fonction de la concentration en équilibre de la solution métallique et du pH. Pour simuler au laboratoire le fonctionnement d’une barrière argileuse, des expériences d’infiltration sous pression ont été réalisées en oedométrie sur les smectites. Que ce soit avec l’eau déminéralisée, les solutions de polluants métalliques (Cu, Pb, Zn), ou un lixiviat synthétique, à pH libre ou fixé à 5, ces argiles ont des conductivités hydrauliques inférieures à 10-12 m.s-1 qui prouvent leurs bonnes capacités d’étanchéité.

Storage of household and industrial wastes has become an important issue for the environment. Smectites, with a low permeability and a high capacity to retain pollutants, are frequently used as an engineered barrier at the bottom of landfills. The aim of this work was to simulate in the laboratory the infiltration of metallic pollutants solutions in smectites, to analyze the interaction mechanisms and to predict the hydraulic and physico-chemical behavior of these clays. Natural reference smectites (SWy2 exchanged with different cations, Na+ and Ca2+) but also a synthetic smectite were used together with metallic pollutant solutions (containing mainly Zn and Pb). Several parameters were tested in the ''batch'' experiments: solid/liquid ratio, pollutant concentration, pH ... Analyses of leachates showed that the sodic clay better adsorbs pollutants than the calcic clay, and the adsorption was better in the neutral medium than in acidic conditions (pH 5). The experimental results were then modeled using the PHREEQC code and the 2SPNE model. From the exchange and complexation constants of the literature, simulations showed that the model was in very good agreement with the experimental data for zinc. These results allowed to establish new thermodynamic constants for lead and to assess the adsorption mechanisms as a function of the equilibrium concentration of the metallic solution and the pH. To simulate a clay barrier at the laboratory scale, infiltration experiments under pressure were performed onto smectites within oedometer cells. Whether with deionised water, metallic pollutant solutions (Cu, Pb, Zn) or a synthetic leachate, at free pH or buffered at 5, these clays kept a hydraulic conductivity less than 10-12 ms-1 which proved their good sealing properties.