Hydratation des argiles gonflantes et influence des bactéries : étude expérimentale de réaction in situ Hydration of swelling clay and bacteria interaction,an experimental in situ reaction study smectite bentonite Shewanella putrefaciens volume confiné reaction-cell déchets nucléaires smectite ; bentonite ; Shewanella putrefaciens ; confined volume ; reaction-cell ; nuclear waste disposal 551.9 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 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. This study reports on the physical-chemical behaviour of swelling dioctahedral clays (smectites) and their interaction with aqueous solutions and bacteria (Shewanella putrefaciens). Experimental results are presented for compacted clays, hydrated under confined volume conditions, using a new type of reaction-cell (the wet-cell of Warr & Hoffman, 2004) that was designed for in situ X-ray diffraction (XRD) measurement. For comparison, dispersed clay systems were studied using standard batch solutions subjected to varying degrees of agitation. The combination of time-dependent in situ XRD measurements with gravimetric measurements and calculated diffraction patterns using the CALCMIX software (Plançon &Drits, 1999) allowed to successful quantification of the dynamics of water uptake and storage. This analytical procedure combined with published water vapour adsorption data enabled determination of the abundance of structured water layers, developed in the interlayer space, and the amount of water contained in different storage sites (interlayers, surfaces and pore spaces). Qualitative information on surface area and textural organization was also estimated based on calculated changes in the average particle thickness and the organization of water layer structures (ordering). Abiotic smectite hydration experiments, using a range of natural and industrial bentonites (SWy-2, IBECO, MX80, TIXOTON), focused on defining the role of the interlayer cation, variable clay packing densities and the ionic strength of the infiltrating solution. The rate of smectite hydration, as expected, was seen to be highly dependent on the type of interlayer cation (enhanced for Ca as opposed to Na) and the ionic strength of solution (enhanced uptake rates with saline solutions, particularly as they infiltrate Na-smectite). A range of dynamic changes in microtextural state occurred as a function of packing density. These changes explain the differences in hydration behaviour observed between Na- and Ca-smectite. The hydration mechanisms of compacted smectite occurring within a confined volume system are presented in a schematic model involving different scales, ranging from the °A-scale of lattice layers to the bulk clay structure. Whereas the nature of interlayer cation affects hydration on all scales, the ionic strength of the infiltrating solution primarily affects the bulk texture. The impact of selected smectites (SWy-2, MX80 and nontronite) on the growth of S. putrefaciens was studied using agitated batch solution experiments combined with viable cell counts. The prolonged survival of bacteria in smectite suspensions compared to growth in culture medium is attributed to i) a continuous and sustainable supply of cationic nutrients and Corg, ii) the buffering capacity of the smectite clay and iii) the large clay surface areas, which accumulate nutrients, serve as attachment sites and sorb toxic waste products. The rate of bacterially induced smectite alteration/dissolution in batch solutions, as monitored by ICPOES and microscopy (confocal, ESEM and TEM coupled to EDX), shows depletion of the main cations in the nontronite extracted solution. This is attributed to the initial consumption and/or binding of cations by S. putrefaciens, which is probably related to the production of chelating agents. The constantly depleted Ca is most likely stored in the abundant EPS (exopolymeric substance). Enhanced cation release in the case of nontronite in long-term experiments was especially evident for Fe and Al that corresponds to more than 10% partial dissolution. In contrast, the Fe-poor, Na-smectite was not seen to be affected by bacterial activity in this way and the increased release of Al by acid leaching corresponds to only 1.4% partial smectite dissolution. The presence of S. putrefaciens induced abundant textural changes as observed by microscopic investigations (confocal microscopy, ESEM), associated with the formation of smectite-aggregates and biofilms. In confined volume conditions, the presence of bacteria in Na-smectite clay was seen to enhance both the uptake of interlayer water and the amount of externally stored surface and pore water. In this type of compacted smectite, an increase in the total thickness of water layer structures occurs due to bacterial enhancement of sample porosity as seen by combined X-ray diffraction study and CALCMIX profile calculations. In the case of nontronite, additional water was stored as external water indicating a similar enhancement of porosity, but here, the rate of water inflow into the reaction cell decreased, most likely due to clogging of the pores by biofilm. With respect to the application of bentonites as a suitable backfill material in underground waste disposal sites, this study demonstrates that bacterial activity can modify both chemically and physically the properties of the smectite. Even if bacteria are not likely to survive in a hydrated bentonite seal, their effects are considered to be long-term, especially due to bacterially produced substances such as EPS and organic ligands. Electronic Thesis or Dissertation Text en France PDF https://publication-theses.unistra.fr/public/theses_doctorat/2008/BERGER_Julia_2008.pdf Université de Strasbourg Strasbourg Berger Julia 1976-01-01T00:00:00 FR 139704914 http://www.theses.fr/2008STR1GE01 2008STR1GE01 2008-01-31T00:00:00 Physique, chimie et biologie de l'environnement Université Louis Pasteur (Strasbourg) 026404540 Doctorat Docteur es non oui Warr Laurence Noël 127422269 École doctorale Sciences de la Terre et Environnement (Strasbourg ; 2000-....) ED413 15650166X ddc:550