Etude du rôle des éléments traces de la pyrite dans son altération et ses applications environnementales

Role of trace elements of pyrite in its durability, from alteration in museum conditions to environmental applications

• Auteur / Autrice : Lucie Dubern
• Direction : Stéphanie Rossano
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGE - Laboratoire Géomatériaux et Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Pyrite

Element trace

Altération

Patrimoine

Oxydation avancée

Environnement

Pyrite

Trace element

Ageing

Cultural heritage

Advanced oxidation

Environment

Résumé

La pyrite est un minéral dont les propriétés physico-chimiques sont exploitées dans des applications émergentes telles que les cellules photovoltaïques (Zaka et al., 2018) ou la dépollution des eaux usées par oxydation avancée (Sun et al., 2022). Néanmoins, ce minéral est connu pour être particulièrement sensible à l'oxydation, ce qui engendre une acidification du milieu, la solubilisation d'éléments métalliques ou encore la croissance de minéraux secondaires. Cela est à l'origine (i) de la dégradation d'objets patrimoniaux en milieu atmosphérique (Howie, 1992), (ii) du phénomène de drainage minier acide en milieu aqueux (Evangelou and Zhang, 1995) et (iii) d'effets néfastes sur l'efficacité des technologies intégrants ce matériau (Diao et al., 2017). Parmi les facteurs d'oxydation, les éléments traces (ET) sont connus pour affecter les vitesses d'altération (Lehner et al., 2007), or la pyrite peut en contenir toute une gamme (Abraitis et al., 2004). De plus, les données de la littérature concernant leur effet stabilisant/déstabilisant peuvent être contradictoires. En parallèle, si la pyrite a déjà été utilisée avec succès dans des procédés d'oxydation avancée pour l'élimination de polluants organiques dans l'eau, peu d'études ont étudié l'impact de la présence d'ET et de l'oxydation de la pyrite sur l'efficacité de ces procédés. La thèse a donc pour objectif d'explorer le rôle des ET (i) sur la stabilité de cristaux de pyrite d'origine géographique différente, et (ii) sur l'efficacité et la durée de vie de la pyrite dans des procédés d'oxydation avancée pour le traitement de l'eau. Pour le 1er volet, une approche systématique de caractérisation au niveau microscopique de la répartition et de la concentration en ET de pyrites d'origine variée sera nécessaire. Des expériences d'altération seront ensuite menées en milieu atmosphérique et en milieu aqueux et un suivi physico-chimique de la solution de lixiviation et de la phase solide sera alors réalisé. Concernant le 2nd volet, les procédés mis en œuvre seront basés sur l'utilisation de pyrites d'origine différente pour produire des espèces oxydantes via l'activation des persulfates (S2O82-, HSO5-) et/ou du peroxyde d'hydrogène (H2O2). L'objectif sera d'identifier le rôle des ET pour trouver le meilleur compromis entre réactivité (i.e. élimination des polluants organiques) et stabilité (pour une utilisation sur le long terme). Dans les deux cas, l'étude d'une gamme importante de conditions environnementales (pH, T°C, conditions redox …) permettra d'esquisser une image plus large de l'influence des ET. Les résultats obtenus sur les matériaux naturels permettront d'envisager la synthèse de pyrites dopées présentant des caractéristiques adaptées à de nouvelles expériences d'altération, afin de distinguer l'effet de matériaux naturels vs. synthétiques. Des matériaux composites (e.g. carbone-pyrite ; Lian et al., 2019) pourront également être développés et intégrés à des systèmes de dépollution électrochimiquement assistés afin d'optimiser la durée de vie du matériau et l'efficacité du procédé de dépollution. Références bibliographiques : Abraitis, P. K., et al. (2004). International Journal of Mineral Processing, 74(1-4), 41-59. Diao, Z. H., etal. (2017). Separation and Purification Technology, 184, 374-383. Evangelou, V. P., & Zhang, Y. L. (1995). Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 25(2), 141-199. Howie, F. M. (1992). Pyrite and marcasite. In Care and Conservation of Geological Material Lehner, S., et al. (2007). Geochimica et Cosmochimica Acta, 71(10), 2491-2509. Lian, T., et al. (2019). ACS applied materials & interfaces, 11(49), 45692-45701. Sun, Y., et al. (2022). Chemical Engineering Journal, 450, 138269. Zaka, A., et al. (2022). ACS Applied Electronic Materials, 4(9), 4173-4211

Pyrite is a mineral whose physico-chemical properties are used in emerging applications such as photovoltaic cells (Zaka et al., 2018) or wastewater treatment by advanced oxidation (Sun et al., 2022). However, this mineral is also known to be particularly sensitive to oxidation, which leads to acidification, solubilization of metallic elements or growth of secondary minerals. It results in (i) degradation of heritage artifacts in an atmospheric environment (Howie, 1992), (ii) acid mine drainage in aqueous environments (Evangelou and Zhang, 1995) and (iii) adverse effects on the efficiency of technologies using this material (Diao et al., 2017). Pyrite can contain a whole range of trace elements (TE; Abraitis et al., 2004), which are known to affect weathering rates (Lehner et al., 2007). Unfortunately, data from the literature concerning their stabilizing/destabilizing effect may be contradictory. In parallel, pyrite has already been successfully used in advanced oxidation processes for the elimination of organic pollutants in water, but few studies have studied the impact of the presence of TE and pyrite oxidation on the efficiency of these processes. The PhD project therefore aims to explore the role of TEs (i) on the stability of pyrite crystals of different geographical origin, and (ii) on the efficiency and lifetime of pyrite in advanced oxidation processes for wastewater treatment. On one hand, a systematic microscopic characterization of the distribution and concentration of TE of pyrites of various origins will be necessary. Alteration experiments will then be carried out in atmospheric and aqueous environments. Physico-chemical characteristics of the leaching solution and solid phase will be monitored. On another hand, water treatment processes will be implemented, based on the use of pyrites of different origin to produce oxidizing species via the activation of persulfates (S2O82-, HSO5-) and/or hydrogen peroxide (H2O2). The objective will be to identify the role of TEs to achieve the best compromise between reactivity (i.e. elimination of organic pollutants) and stability (for long-term use) of pyrite. In both cases, the study of a wide range of environmental conditions (pH, T°C, redox conditions, etc.) will allow to obtain a broad picture of the influence of TEs. Synthesis of doped pyrites - and subsequent new weathering experiments - will then be considered, according to the results obtained on natural materials. By comparing natural materials vs. synthetic ones, it will be possible to determine if pyrite susceptibility to oxidize can be easily estimated. Composite materials (e.g. carbon-pyrite; Lian et al., 2019) could also be developed and integrated into electrochemically assisted systems for wastewater treatment, in order to optimize the lifetime of the material and the efficiency of the process for the removal of organic pollutants.