Soutenance de thèse d'Areej Adra le vendredi 5 septembre 2014 à 14 h 30

IMPMC, Université P. et M. Curie, 4, Place Jussieu, 75005 Paris

Salle de conférence, 4e étage, Tour 22-23, Salle 1

Structure et réactivité des nano-oxyhydroxydes de fer et d'aluminium en aval d'un drainage minier acide

Résumé

Dans les sédiments de rivière à l’aval des drainages miniers acides (DMA), l’arsenic est souvent présent sous les formes As(III) et As(V) associées à des minéraux de type (oxy)hydroxydes de fer et d’aluminium. La structure et la réactivité de ces minéraux qui piègent l’arsenic dans les sédiments de n’ont pour l’instant été que très peu étudiés sur le terrain. Pourtant ces pièges représentent probablement un des facteurs majeurs de contrôle de ce type de contamination dans les eaux à pH proche de la neutralité, impactées par les DMA.

Au cours de ce travail de thèse, nous avons étudié la cristallochimie d’une série d’échantillons de ferrihydrites (Fh) riches en aluminium prélevées dans les sédiments de la rivière Amous (Gard, France – pH 6-7), laquelle est affectée par le DMA du site de Carnoulès, contaminé par l’arsenic. Ces Fh ont été caractérisées et comparées à une série de Fh alumineuses synthétiques analogues, qui présentent différents rapports molaires Al/Fe. Des expériences d’adsorption de As(III) et As(V) ont été réalisées
sur ces Fh alumineuses et non-alumineuses à pH 6, afin d’évaluer l’influence de l’aluminium sur le piégeage de l’arsenic.

Cette étude a combiné l’analyses chimique des solutions avec la caractérisation des solides par Diffraction des Rayons X (DRX), la Microscopie Electronique en Transmission (MET) et la Spectroscopie d’Absorption des Rayons X (XAS). Nous constatons que la ferrihydrite est la phase majoritaire qui se forme au cours de la neutralisation des DMA, et que jusqu'à 25-30 ± 10 mol% Al est substitué à Fe dans la structure de ces Fh. Les Fh alumineuses synthétisées sont moins substituées en aluminium (14 à 20 ± 5 mol% Al).
Les résultats obtenus montrent que l’efficacité du piégeage de l’arsenic dépend fortement de la présence d’aluminium dans la ferrihydrite et de l’état d’oxydation de l’arsenic. En effet, à pH 6, l’adsorption de As(III) diminue fortement avec le rapport Al/Fe, tandis que l’adsorption de As(V) augmente avec le rapport Al/Fe. La spectroscopie EXAFS suggère que, à pH6, As(III) forme des complexes de surface bidentate similaires sur les Fh alumineuses ou non-alumineuses, sans évidence de complexation sur les sites aluminols de la surface. En revanche, l’adsorption de As(V), connue par ailleurs pour impliquer des liaisons hydrogène avec la surface de la Fh, apparaît être moins affectée,
voire favorisée par la présence d’aluminium. Les données EXAFS montre cependant qu’une fraction de As(V) forme des complexes d’adsorption bidentate sur la Fh alumineuse et sur les Fh nonalumineuses naturelles et synthétiques. Ces résultats constituent une preuve directe du piégeage de l’arsenic par les Fh alumineuses, ce qui souligne l’importance possible du rôle de ces phases minérales dans le piégeage de polluants dans les systèmes naturels ou anthropisés et que la présence d’aluminium peut fortement modifier la réactivité de surface de ce nanomatériau naturel.

Mots-clés : Arsenic, Ferrihydrite, Composition, Structure, Réactivité

Composition du jury

• Jérôme Rose (Directeur de Recherche, CNRS), Rapporteur
• Mélanie Davranche (Maître de Conférences, Université de Rennes 1), Rapporteur
• Corinne Casiot (Chargée de Recherche, Université de Montpellier 2), Examinateur
• Thierry Allard (Directeur de Recherche, CNRS), Examinateur
• Guillaume Morin (Directeur de Recherche, CNRS), Directeur de thèse
• Georges Ona-Nguema (Maître de Conférences, UPMC), Co-Directeur de thèse