Influence de l'organisation des particules et d'une double porosité sur la diffusion de l'eau et de solutés dans des milieux poreux argileux

Influence of particles organization and dual porosity on the diffusion of water and solutes in clayey porous media

• Auteur / Autrice : Ali Asaad
• Direction : Emmanuel Tertre, Fabien Hubert, Éric Ferrage
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la terre et autres planètes
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie, écologie, géosciences et agrosciences Théodore Monod (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers (2012-....) - Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers / IC2MP
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Patricia Patrier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Tertre, Fabien Hubert, Éric Ferrage, Sébastien Savoye, Delphine Roubinet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jocelyne Brendlé, Christophe Tournassat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Texture

Matériaux poreux

Sols -- Transfert des solutés

Ions -- Diffusion

Minéraux argileux

Mots clés libres

Minéraux argileux

Milieu poreux

Anisotropie

Orientation des particules

Diffusion de l'eau et de solutés

Coefficient de diffusion

Diffraction des RX 2D

Vermiculite

Illite du Puy

Double porosité

Clay minerals

Porous media

Anisotropy

Particles orientation

Water and solutes diffusion

Diffusion coefficient

2D X-Ray diffraction

Vermiculite

Illite du Puy

Dual porosity

Résumé

Les roches compactées riches en minéraux argileux sont souvent caractérisées par une conductivité hydraulique très faible et la présence de tout petits pores (nanopores). Ces caractéristiques les rendent idéales pour confiner notamment des déchets chimiques et radiologiques. Dans ces contextes de barrières ouvragées, il est important de comprendre/prédire les processus de diffusion dans ces systèmes car il s'agit du principal mécanisme de transport de l'eau/solutés vers les milieux environnants. Dans ces systèmes, les particules d'argile sont les principaux acteurs contrôlant (i) les mécanismes d'adsorption-désorption de l'eau et des ions en raison de leur taille souvent inférieure au micromètre, de leur grande surface spécifique et de leur réactivité élevée pour les processus d'échange d'ions, (ii) l'anisotropie spatiale de la diffusion des solutés dans les milieux poreux en raison de leur morphologie en plaquettes, qui conduit à une orientation préférentielle lorsqu'elles sont compactées et, (iii) la perméabilité de ces formations, en raison de leurs différents types de porosité (interfoliaire vs. interparticulaire) qui peuvent être totalement ou partiellement accessibles ou inaccessibles pour les ions et l'eau. Dans ce contexte, cette thèse étudie l'influence de (i) l'orientation préférentielle des particules d'argile, (ii) la présence de différents types de porosités accessibles à l'eau et aux ions (interfoliaire vs interparticulaire), et (iii) la présence d'une charge structurale négative de certaines particules d'argileuses, sur la diffusion d'eau/solutés dans des milieux argileux poreux compactés. La première partie de ce manuscrit reporte des résultats sur les propriétés minéralogiques et morphologiques d'échantillons d'illite du Puy (IDP) provenant de trois sources différentes. L'IDP est un matériau naturel utilisé après purification et saturation en Na dans plusieurs expériences présentées dans la littérature consacrées à la sorption/diffusion de cations/traceurs d'eau. Cependant, les propriétés de ce matériau (purifié ou non) reportées dans ces études sont assez variables. Pour cette raison, cette partie met en évidence les différences entre les différents matériaux IDP. Elle fournit également des données de référence grâce à des analyses détaillées du matériau; celui-ci étant également utilisé dans le projet EURAD (European Joint Programme on Radioactive Waste Management).La deuxième partie est consacrée aux résultats de la diffusion d’un traceur de l’eau (HDO) et d’ions (Na+ et Cl-) à travers des milieux poreux compactés constitués de particules de vermiculite Na, de Na-IDP et de Na-kaolinite sous différents gradients de salinité en utilisant un setup de through diffusion (TD). Ces minéraux argileux ont été soigneusement choisis pour construire des milieux poreux caractérisés par une simple porosité (i.e., interparticulaire ; IDP, kaolinite) ou une double-porosité (i.e., interfoliaire et interparticulaire ; vermiculite) et dans des conditions de saturation en eau. Un protocole développé dans ce travail nous a permis de fabriquer des milieux poreux caractérisés par des degrés variables d'anisotropie dans l'orientation préférentielle des particules tout en ayant une porosité interparticulaire similaire, et présentant une porosité interfoliaire accessible ou non à l'eau et aux ions. Cette approche a permis d'obtenir des informations quantitatives sur l'influence (i) de l'orientation préférentielle des particules et (ii) de la présence d'une porosité interfoliaire accessible (pour HDO), sur la diffusion de ces traceurs au sein des milieux poreux constitués de ces minéraux. Dans cette partie, toutes les données expérimentales obtenus pour HDO par TD ont été comparées à celles simulées par dynamique brownienne (BD) réalisée avec des milieux poreux virtuels représentatifs des échantillons expérimentaux utilisés afin d'évaluer la capacité de prédiction de cet outil (simulation en BD).

Compacted clay and clay-rich geological formations are often associated with very low hydraulic conductivity and predominant nanopores. These qualities made them ideal for the confinement of chemical and radiological species. In this respect, it is of utmost importance to understand/predict the diffusion phenomena in these systems because it is the primary conveying process of water/solutes to the surrounding environments. In such systems, clay particles control the (i) water and ions adsorption-desorption mechanisms because of their frequently sub-micrometre-sized, large specific surface area, and high reactivity for ion exchange processes, (ii) the spatial anisotropy of solutes diffusion due to their dominant platelet morphology, which leads to a preferred orientation when compacted and, (iii) the permeability of these formations, owing to their different porosity types (interlayer vs. interparticle) that can be wholly or partly accessible or inaccessible for ions and water. In this context, the present Ph.D. thesis investigates the influence of (i) the clay particles preferred orientation, (ii) the presence of different types of water and ions accessible porosities (interlayer vs. interparticle), and (iii) the presence of negative structural charge in some clay particles, on the diffusion of water/solutes in compacted porous clay media. The first part of this manuscript includes a baseline study of illite du Puy (IDP) samples' mineralogical and morphological properties from three sources; IDP is a naturally occurring material used after purification and Na-saturation in several experiments reported in literature devoted to the sorption/diffusion of cations/water tracers. However, the reported properties of bulk or purified Na-IDP vary in these previous studies. For this reason, this part highlights the differences between different IDP materials. It also provides reference data through additional detailed analyses of this work's material, also used in the European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD) project.The second part is devoted to the results of through-diffusion (TD) of water tracer (HDO) and ions (Na+ and Cl-) in compacted porous media from Na-vermiculite, Na-IDP, and Na-kaolinite particles under different salinity gradient values. These clay minerals were carefully chosen to display either mono porosity (i.e., interparticle; IDP, kaolinite) or dual-porosity (interlayer and interparticle; vermiculite) in water-saturated conditions. A protocol developed in this work allowed us to build samples from these minerals at variable degrees in anisotropy in particles' preferred orientation while having similar interparticle porosity volume, and with or without water and ions accessible interlayer porosity. With this approach, quantitative information was obtained on the influence of (i) particles' preferred orientation, (ii) the presence or not of accessible interlayer porosity (to HDO), on the diffusion of these tracers within the porous media made from these minerals. In this part, all TD data for HDO were compared to Brownian dynamics (BD) simulations performed on virtual porous media to assess the prediction capacity of this tool (BD simulation).