chapitre 1

CHAPITRE 1 :
Comportement des métaux dans les
sols : principaux phénomènes et
méthodologies d’étude

Chapitre 1 : Comportement des métaux dans les sols : principaux phénomènes et méthodologies d’étude
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CHAPITRE 1 : COMPORTEMENT DES METAUX DANS LES SOLS : PRINCIPAUX
PHENOMENES ET METHODOLOGIES D’ETUDE .............................................................................. 21
1. INTRODUCTION.................................................................................................................................... 21
2. APPROCHE PHYSICO-CHIMIQUE ..................................................................................................... 21
2.1. CONSTITUANTS DU SOL ............................................................................................................................................. 22
2.1.1. Phase gazeuse.......................................................................................................................................................... 22
2.1.2. Phase liquide........................................................................................................................................................... 22
2.1.3. Phase solide............................................................................................................................................................. 23
2.1.4. Eléments traces métalliques (ETM)......................................................................................................................... 27
2.2. PHENOMENES PHYSICO-CHIMIQUES RESPONSABLES DE LA RETENTION DES METAUX DANS LES SOLS ........ 28
2.2.1. Précipitation / dissolution........................................................................................................................................ 29
2.2.2. Adsorption.............................................................................................................................................................. 30
2.2.3. Echange ionique ...................................................................................................................................................... 31
2.2.4. Facteurs influancant la mobilité................................................................................................................................ 32
3. EVALUATION DE LA MOBILITE DES METAUX LOURDS DANS LE SOL.................................. 34
3.1. EXTRACTION SEQUENTIELLE ................................................................................................................................... 35
3.1.1. Fraction échangeable et acido-soluble......................................................................................................................... 35
3.1.2. Fraction réductible ................................................................................................................................................... 36
3.1.3. Fraction oxydable.................................................................................................................................................... 36
3.1.4. Fraction résiduelle.................................................................................................................................................... 36
3.1.5. Limites de la méthode .............................................................................................................................................. 36
3.2. EXTRACTION SIMPLE.................................................................................................................................................. 37
3.2.1. Eau déionisée .......................................................................................................................................................... 37
3.2.2. Solutions salines ...................................................................................................................................................... 38
3.2.3. Acides dilués ........................................................................................................................................................... 38
3.2.4. Complexants organiques .......................................................................................................................................... 39
4. METHODOLOGIES D’EVALUATION DU COMPORTEMENT DES METAUX DANS LES SOLS.
.................................................................................................................................................................. 41
4.1. ESSAIS EN BATCH ........................................................................................................................................................ 41
4.2. ESSAIS EN CONTINU ................................................................................................................................................... 42
5. CARACTERISATION HYDRODYNAMIQUE...................................................................................... 43
5.1. CARACTERISATION DU MILIEU POREUX VIS A VIS DE L’ECOULEMENT ............................................................... 44
5.1.1. Porosité ................................................................................................................................................................... 44

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5.1.2. Degré de saturation.................................................................................................................................................. 44
5.1.3. Temps de passage et vitesse superficielle ..................................................................................................................... 45
5.2. DISTRIBUTION DES TEMPS DE SEJOUR (DTS)......................................................................................................... 45
5.3. CHOIX DU TRACEUR DANS LE MILIEU HYDROGEOLOGIQUE ............................................................................... 48
5.4. MODELISATION DE L’ECOULEMENT NON IDEAL................................................................................................... 49
5.4.1. Modèle d’écoulement piston à dispersion axiale.......................................................................................................... 49
5.4.2. Modèle mélangeur en cascade.................................................................................................................................... 50
6. CONCLUSION ......................................................................................................................................... 51

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CHAPITRE 1 : COMPORTEMENT DES METAUX DANS LES
SOLS : PRINCIPAUX PHENOMENES ET
METHODOLOGIES D’ETUDE
1. INTRODUCTION
Le sol est défini comme la couche supérieure de la croûte terrestre composée de
particules minérales, de matières organiques, d’eau, d’air et d’organismes (NF ISO 15799,
2004). En raison de sa position d’interface dans l’environnement, il joue un rôle déterminant
dans le devenir des polluants, notamment en ce qui concerne la qualité des eaux. En fait, le
ruissellement, l’érosion, l’infiltration etc., peuvent entraîner les polluants dans les eaux
superficielles et souterraines et altérer leur qualité.
Parmi les phénomènes influençant le comportement des polluants métalliques dans le
sol, on peut identifier d’une part, les processus hydrodynamiques et de transfert et, d’autre
part, les mécanismes physico-chimiques et biologiques. Leur évaluation est soumise à la mise
en œuvre de différents tests de laboratoires, dont l’objectif principal est la compréhension des
phénomènes mis en jeu, et la simulation du comportement des substances dans les sols.
Ce chapitre propose une synthèse bibliographique assez générale, portant sur les
principaux mécanismes physico-chimiques influençant la rétention des éléments traces
métalliques dans le sol ; sur les protocoles permettant d’évaluer et de comprendre leur
mobilité et, pour finir ; sur les principales méthodologies d’évaluation de comportement
couramment utilisées. Les mécanismes biologiques influençant le comportement des éléments
traces métalliques, dépassent le cadre de notre étude et ne seront pas traités dans ce travail.
2. APPROCHE PHYSICO-CHIMIQUE
Les interactions entre les polluants métalliques et le sol peuvent être étudiées en
considérant les différents mécanismes et constituants responsables de la rétention. Cette
démarche permet d’établir une répartition des polluants entre la phase solide et la phase
liquide, et donc d’évaluer la mobilité et la biodisponibilité1 des polluants dans le sol.
La section suivante décrit les principaux constituants du sol et les mécanismes
physico-chimiques généraux intervenant dans le processus de rétention / mobilisation.
1 Biodisponibilité est définie comme l’aptitude d’une substance présente dans l’environnement à être prélevée et
absorbée par un organisme vivant et disponibilité pour interagir avec les processus métaboliques de cet organisme.
(ADEME, 2005)

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2.1. Constituants du sol
Le sol est un milieu poreux où se déroule nombres de processus physiques, chimiques
et biologiques. C’est un système multicomposant ouvert formé par trois phases : solide,
liquide, gazeuse. Comme tout système ouvert, il subit nombres d’échanges de matière et
d’énergie avec l’atmosphère, la biosphère et l’hydrosphère. Les sols sont également considérés
comme des milieux chimiquement réactifs où toutes les phases sont en équilibre.
2.1.1. Phase gazeuse
La phase gazeuse du sol est constituée par les mêmes éléments que l’air
atmosphérique, mais à cause de l’activité biologique, les teneurs de chaque composant
peuvent changer considérablement. Sa composition dépend elle-même de la profondeur.
A la surface, l’oxygène et le dioxyde de carbone jouent un rôle important. Le dioxyde
de carbone a une influence significative sur l’acidité du sol ainsi que sur la chimie des
carbonates. L’oxygène assure les conditions aérobies qui ont, comme nous le montrerons plus
loin, une influence sur la mobilité des polluants dans le sol. Dans les profondeurs plus
importantes, où le taux d’oxygène est très faible (conditions anaérobies), les micro-
organismes produisent les gaz comme NO, N2O, NH3, CH4 et H2S (SPOSITO, 1989). Ces gaz
existent dans les sols, soit à l’état libre, soit dissous dans la solution des sols.
2.1.2. Phase liquide
La phase liquide du sol est principalement constituée par l’eau, dans laquelle sont
présents les ions minéraux et des molécules organiques, et qui varie dans sa composition et sa
mobilité. Sa composition dépend essentiellement du milieu géologique avec lequel elle est en
contact, mais également de la composition de l’eau de pluie et de l’eau de surface. La
minéralisation des roches est plus effective en présence de dioxyde de carbone ou d’acides
minéraux. Cela permet, par exemple, la transformation des carbonates qui sont peu solubles
en bicarbonates très solubles. Dans ce cas, l’eau s’enrichit de plusieurs cations comme Ca2+,
Mg2+, Na+, K+ et anions HCO3-, NO3-. Si elle est en contact avec la pyrite (FeS2), la pyrite
peut s’oxyder chimiquement ou bio - chimiquement en formant des concentrations en
solution importantes en fer et en sulfate. Au cours du temps, tous les composants présents
dans l’eau du sol peuvent subir des modifications qui sont le résultat des différentes réactions
comme des échanges ioniques, les oxydations et les réductions chimiques ou biochimiques.
Du point de vue de la réactivité chimique et biologique, le pH de l’eau du sol est une
des principales propriétés. Il détermine l’acidité ou la basicité du sol. CHAMAYOU et LEGROS
(1989) ont souligné que la valeur de pH est fondamentalement donnée par l’équilibre des
carbonates et varie le plus souvent entre 5,5 et 7,5.