genie civil et geotechnique

Chapitre 10. Argiles et environnement

Les argiles jouent un rôle significatif dans une gamme variée de problèmes environnementaux et les applications augmentent sans cesse. La figure 10.1 donne quelques domaines d’applications :

Les éléments traces dans les eaux naturelles et dans les sols sont rapidement piégés par la phase particulaire par des colloïdes. L’efficacité du processus dépend des propriétés et de la concentration du réactant et de facteurs environnementaux qui affectent les propriétés de surface des colloïdes. Les argiles interviennent suite à leurs propriétés d’adsorption et d’absorption et leur capacité à former des complexes organo-minéraux (argile-oxyde-humus). La figure 10.2 rappelle ces propriétés. L’absorption consiste en l’accumulation d’espèces chimiques à la surface des argiles. L’adsorption regroupe les processus d’incorporation des polluants dans la structure argileuse. Il s’agit de processus complexes que l’on peut schématiser (Fig. 10.3). La surface argileuse est chargée négativement (charge fixe). Cette charge est neutralisée par des cations positifs venant de la solution en contact, ces cations définissent la charge diffuse ou couche de Gouy (cf. chapitre 4). Les ions de la couche diffuse sont adsorbés mais peuvent être échangés avec d’autres ions si la composition de la solution change. Si les ions adsorbés sont fortement liés aux argiles (adsorption spécifique), la couche fixe incorpore des ions et la couche de Gouy devient chargée négativement.

Le cation métallique (Fig . 10.4) garde sa sphère d’hydratation et n’est donc pas en contact direct avec la surface argileuse tant que les molécules H_{2O et les groupes OH^{- ne forment pas de liaisons hydrogènes avec les atomes d’oxygènes des surfaces argileuses. A ce stade, le cation métallique se rapproche de l’argile, la liaison devient plus forte vu la perte de la sphère d’hydratation. La réversibilité du processus dépend d’un cation à un autre (taille, charge, degré d’hydratation) et de la nature du minéral et des conditions environnementales (pH).}}

Les propriétés d’adsorption s.l. varient selon la nature de l’argile, en particulier selon la capacité d’échange cationique (Fig. 10.5). Parmi les argiles, les montmorillonites et les vermiculites ont les capacités les plus importantes.

Cependant la capacité d’échange cationique n’est pas le seul paramètre. La figure 10.6 compare les propriétés d’adsorption (au sens large) des oxydes Fe-Mn, de l’acide humique et des argiles (montmorillonite) pour le Co. Il semble que les oxydes Fe-Mn et la matière organique aient des capacités d’adsorption s.l. plus importantes que les argiles. De nombreuses expériences ont été réalisées pour étudier le comportement du Zn. Les résultats montrent que la capacité d’échange cationique des acides humiques est plus grande que celle des bentonites et des oxydes. Par contre, la capacité d’adsorption pour le Zn est maximale pour les oxydes et plus importante pour les acides humiques que pour les bentonites. Bien que les oxydes aient une capacité d’échange plus importante que les oxydes, leur capacité d’adsorption s.l. est 2 ordres de grandeur plus faible. La capacité d’adsorption s.l. serait corrélée à la force des liaisons entre le réactant et les éléments métalliques (Tab. 10.1).

Les argiles jouent un rôle dans le piégeage biologique des métaux lourds toxiques. En particulier, elles réduisent les effets toxiques pour différents métaux (e.g., Cd, Pb, Hg, Cu, Ni). La figure 10.7 illustre les expériences de Stotzky et al. Ces expériences démontrent l’habilité de différentes argiles à protéger les bactéries dans les sols ou les champignons des effets toxiques du Ni, Cd, Zn et Pb. En présence de Pb, le taux de croissance des populations est limité pour la kaolinite, moyen pour la palygorskite et élevé pour la montmorillonite. Ces tendances reflètent le taux de capacité d’échange de ces différe,nts minéraux (i.e., faible pour la kaolinite, moyen pour la palygorskite, et élevé pour la montmorillonite).

La figure 10.8 présente le degré d’adsorption s.l. du Hg pour différents constituants des sols (oxydes de Fe hydratés, kaolinite, bentonite, illite, composés organiques). Le processus d’adsorption s.l. dépend du pH : il diminue lorsque le pH augmente. En conditions acides, le nombre de sites d’adsorption chargés positivement augmente et le nombre de site chargé négativement diminue. Les ions H^{+ sont en compétition avec les cations métalliques pour les sites d’échanges à bas pH. Les cations hydroxylés (e.g., HgOH+) formés par hydrolyse ont des liaisons plus fortes que les cations métalliques libres (e.g., Hg_{2+). En condition acide, le métal reste sous forme de cation libre et le pourcentage d’adsorption}} s.l. par un colloïde est faible. Avec l’augmentation du pH, la concentration de cations métalliques hydroxylés augmente et le pourcentage de cations métalliques lié aux colloïdes augmente brutalement.

Si le pH augmente davantage, il y a formation d’hydroxydes non chargés (e.g., Hg(OH)H) puis d’anions métalliques (e.g., Hg(OH)_{3^{-). Le pourcentage d’adsorption}} s.l. diminue suite à la répulsion entre anions et surface argileuse négative. La figure montre que les capacités d’adsorption sont minimales pour la kaolinite, faibles pour la bentonite et plus importantes pour les oxydes. Cependant, il existe des résultats contradictoires selon les expériences. Ceci souligne la complexité des processus.

Les argiles sont utilisées dans la construction de barrières imperméables. Les smectites sont préférentiellement utilisées étant donné leur réactivité chimique et leur imperméabilité après compaction (cf. chapitre 9). La figure 10.9 illustre la disposition des barrières d’étanchéité entre la décharge et le socle géologique. Les argiles peuvent être utilisées seules ou mélangées à des matériaux composites.

La gestion des décharges doit intégrer toutes les circulations d’eau susceptibles de réagir avec les déchets en produisant des lixiviats et leur migration vers l’extérieur du dispositif (Fig. 10.10).