Hydratation des argiles gonflantes et influence des bactéries : étude expérimentale de réaction in situ
Langue Anglais
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Auteur : Berger, Julia
Date de soutenance : 31-01-2008
Directeur(s) de thèse : Warr, Laurence Noël
Établissement de soutenance : Université Louis Pasteur (Strasbourg)
École doctorale : École doctorale Sciences de la Terre et Environnement (Strasbourg ; 2000-....)
Discipline : Physique, chimie et biologie de l'environnement
Classification : Sciences de la terre
Mots-clés libres : smectite , bentonite , Shewanella putrefaciens , volume confiné , reaction-cell , déchets nucléaires
Mots-clés :
- Smectites
- Thèses et écrits académiques
- Bentonite
- Thèses et écrits académiques
- Shewanella putrefaciens
- Thèses et écrits académiques
- Porosité
- Thèses et écrits académiques
- Hydratation
- Thèses et écrits académiques
Résumé : Cette étude traite du comportement physico-chimique des argiles dioctaédriques gonflantes (smectites) et de leurs interactions avec la solution aqueuse en présence et en l'absence de la bactérie Shewanella putrefaciens. Les résultats expérimentaux sont présentés pour des argiles compactées, hydratées en conditions de volume confiné, en utilisant un nouveau type de cellule réactionnelle (la "wet-cell" décrite dans Warr & Hoffman, 2004) conçue afin de réaliser des mesures de diffraction des rayons X (DRX) in-situ. En combinant des mesures de suivi dans le temps de DRX in-situ avec les mesures gravimétriques et les spectres de diffraction calculés à l'aide du logiciel CALCMIX (Plançon & Drits, 1999), la dynamique d'incorporation et de stockage de l'eau a pu être quantifiée avec succès. Cette méthode analytique, combinée aux données publiées d'adsorption de la vapeur d'eau a permis de déterminer l'abondance des couches d'eau structurales développées dans l'espace interfoliaire ainsi que la quantité d'eau contenue dans les différents sites de stockage (interfoliaires, surfaces et porosité). Par ailleurs, une information qualitative sur les surfaces et l'organisation texturale des échantillons a été obtenue sur la base de calculs des modifications de l'épaisseur moyenne des particules et de l'organisation des couches d'eau (ordering). En complément, d'autres expériences ont été réalisées avec des suspensions de smectites contenant des bactéries. Les expériences d'hydratation de smectites en conditions abiotiques réalisées sur une large gamme de bentonites naturelles et industrielles (SWy-2, IBECO, MX80, TIXOTON) ont permis de définir le rôle des cations interfoliaires, des densités de compaction variables et de la force ionique sur la solution infiltrée. Le taux d'hydratation des smectites, comme attendu, a été défini comme fortement dépendant du type de cation interfoliaire (augmenté en présence de Ca2+, contrairement à Na+) et de la force ionique de la solution (taux d'incorporations augmentés en présence de solutions salines, particulièrement lors de l'infiltration de smectites sodiques). Une variété de modifications dynamiques de l'état microstructural a également été mise en évidence, apparaissant comme une fonction de la densité de compaction. Ces modifications expliquent un grand nombre des différences de comportement observées lors de l'hydratation des smectites calciques et sodiques. Les mécanismes d'hydratation des smectites, observés en volume confiné, sont inclus dans un modèle schématique prenant en compte différentes échelles, de l'angström pour les feuillets, à la structure argileuse globale. Alors que la nature des cations interfoliaires affecte l'hydratation à toutes les échelles, la force ionique de la solution infiltrée affecte principalement la structure globale. En parallèle, l'impact d'une sélection de smectites (SWy-2, MX80 et nontronite) sur le développement des cultures de S. putrefaciens a été étudié lors d'expérimentations en solution "batch" sous agitation, combinées avec des comptages de cellules. La survie prolongée des bactéries dans les suspensions de smectites, comparée à leur développement en milieu de culture, est attribué à : un apport continu et durable de nutriments cationiques et de carbone organique (Corg), à la capacité tampon de la smectite et aussi, à la grande surface des argiles qui favorise l'accumulation de nutriments, sert de sites de fixation et permet la sorption des déchets toxiques produits. Le taux d'altération/dissolution des smectites induit par les bactéries a été étudié dans les suspensions par ICP-OES et microscopie (confocale, MEB environnemental et MET couplé à un système de microanalyse en EDS). Un appauvrissement en cations majeurs apparaît dans la solution extraite de la nontronite, qui est attribué à la capture (binding) de cations par S. putrefaciens, et est probablement lié à la production de chélateurs. L'appauvrissement constant en Ca2+ est très probablement dû à son stockage dans le biofilm abondant produit (substance exo polymérique, EPS). L'importante libération de cations dans le cas de la nontronite, dans les expériences à long-terme, a été particulièrement mise en évidence en ce qui concerne Fe3+ et Al3+, correspondant à plus de 10% de dissolution partielle. A l'inverse, la smectite sodique pauvre en fer n'a pas semblé affectée de la même manière par l'activité bactérienne : l'augmentation de la libération d'Al lors de lessivage acide correspond à un maximum de 1,4% de dissolution partielle de la smectite. La présence de S. putrefaciens a causé de nombreux changements texturaux observés en microscopie (confocale, MEB environnemental) associés à la formation d'agrégats smectitiques et de biofilms. En conditions de volume confiné, la présence de bactéries dans un milieu de smectite sodique a montré l'augmentation, à la fois de l'incorporation d'eau en position interfoliaire, et de la quantité d'eau stockée en position externe (pores et surfaces). Dans ce type de smectite compactée, l'augmentation de l'épaisseur totale des couches d'eau apparaît due à l'augmentation, induite par les bactéries, de la porosité de l'échantillon. Ceci a été confirmé par les observations issues de la combinaison des mesures de DRX et la modélisation avec CALCMIX. Dans le cas de la nontronite, de l'eau additionnelle a été stockée en position externe, indiquant une augmentation similaire de la porosité, mais, dans ce cas, le flux d'eau entrant dans la cellule réactionnelle diminue, très certainement dû au colmatage de la porosité par le biofilm. En termes d'utilisation des bentonites comme matériel de confinement des déchets, cette étude montre que l'activité bactérienne peut modifier les propriétés chimiques et physiques des smectites. Même si les bactéries ne sont pas susceptibles de survivre longtemps dans un milieu smectitique hydraté et hermétique, leurs effets semblent actifs à long terme, spécialement dus aux substances produites par les bactéries, notamment les chélateurs et les EPS.
Entrepôt d'origine : 
Identifiant : ecrin-ori-294545
Type de ressource : Thèse
