Contrôle des pH dans la décontamination des sols par électrocinétique

Abstract

La présente étude se veut la continuation des travaux réalisés par Yannick A. Ethier (1993) et Chantal Couture (1994) à la section mécanique des sols du département de génie civil de l'Université de Sherbrooke. L'objectif du projet est de développer en laboratoire une technologie électrocinétique pour la décontamination des sols contenants des métaux lourds. Depuis le printemps 1990 on examine également le potentiel de l'électrocinétique pour indurer des argiles (DERMOUNE, 1992). Enfin, en 1993 on a également étudié le contrôle de l'écoulement hydraulique dans un sable silteux (BURNOTTE, 1993). Un processus de fermeture et de démantèlement de complexes industriels vétustes s'est amorcé au cours des dernières décennies. À titre d'exemple, entre 1984 et 1990 approximativement 20 pour cent des installations industrielles existantes au pays seront fermées pour des raisons économiques. (POLITIQUE DE RÉHABILITATION DES TERRAINS CONTAMINÉS, MINISTÈRE DE L'ENVIRONNEMENT DU QUÉBEC, 1982). En cours de production, plusieurs de ces complexes industriels ont utilisé ou généré, pendant des dizaines d'années, des substances dangereuses. À la suite de rejets liés aux opérations journalières, de déversements accidentels ou de leur enfouissement pur et simple dans les cours d'usines, ces substances ont pu contaminer les sols et l'eau souterraine environnants. Les risques pour la santé, la perte de valeur économique et écologique des terrains ainsi que la pollution des aquifères et les coûts de leurs remplacements nous force à réagir. De plus, un grand nombre de terrains d'anciens sites industriels sont soumis au développement par des promoteurs et sont susceptibles d'être utilisés à des fins nouvelles. Jusqu'à tout récemment, la réhabilitation des sites contaminés nécessitait l'excavation et le transport des sols vers des sites spécifiquement conçus à cet effet. Cette façon de faire implique des coûts considérables et mobilise des espaces qui autrement auraient pu servir à d'autres fins. Mais surtout, cette démarche ne règle pas le problème de façon définitive, elle ne fait que le déplacer. Dans sa politique sur la réhabilitation des terrains contaminés le Ministère de l'Environnement du Québec (1982) avance, entre autres, les lignes directrices suivantes: Il est souhaitable de permettre la récupération d'anciens terrains industriels dans la mesure où la qualité du sol et de l'eau souterraine devient compatible avec les usages projetés. Avant d'être réutilisé, un terrain devra, s'il y a lieu, être décontaminé. Les sols contaminés devront être traités, enfouis ou confinés de façon sécuritaire; Le Ministère privilégie des solutions définitives plutôt que des solutions transitoires; Les promoteurs seront incités à utiliser des technologies de traitement pour décontaminer les sols. Il y a donc un besoin de recherche pour développer des technologies d'extraction des contaminants des sols. Une des technologies les plus prometteuses pour extraire les métaux lourds est l'électrocinétique (BARKLEY, 1993). L'électrocinétique consiste à faire circuler un courant électrique dans un sol. Comme les composantes solides du sol ont généralement une résistivité électrique très élevée, le courant est donc transporté dans le sol par les ions en solution dans l'eau des pores. La première partie du circuit de décontamination consiste en un système électrique dans lequel le courant voyage sous une forme électronique. La deuxième partie est constituée par le sol dans la laquelle le courant est transporté ioniquement dans l'eau des pores. Le passage d'une forme de transport du courant à une autre se fait par des électrodes. A l'électrode positive, l'anode, une réaction électrochimique importante pour la décontamination des sols par électrocinétique se produit: c'est l'électrolyse de l'eau. L'eau est oxydée, ce qui produit des ions H+ et de l'oxygène gazeux. Les ions H+ migrent vers le pôle négatif, la cathode, ce qui les entraînent à travers le sol. On observe donc un front acide qui progresse dans le sol de l'anode vers la cathode. Dans le sol, il y a des ions chargés positivement, tel que le plomb, qui sont des contaminants que l'on désire extraire pour décontaminer le sol. Il existe un équilibre entre les ions positifs dans l'eau des pores et ceux qui sont adsorbés au sol. Il y a donc une certaine quantité d'ions contaminants qui sont attachés aux particules de sol. Les ions H+ provenant de l'anode sont très efficaces pour prendre la place des ions adsorbés au sol. Il y a donc, avec le front acide, un mécanisme de décontamination du sol par échanges ioniques entre les ions H+ et les ions contaminants adsorbés à la surface du sol, tel que le plomb. À la cathode, une autre réaction électrochimique importante prend place. C'est l'électrolyse de l'eau, mais cette fois l'eau est réduite ce qui produit des ions OH- et de l'hydrogène gazeux. Les ions OH- migrent vers le pôle positif et pénètrent dans le sol. Quand les ions des métaux lourds, qui sont chargés positivement, viennent en contact avec les ions hydroxyde (OH-) ils précipitent sous forme d'hydroxydes comme le Pb(OH)₂. Comme ces sels ne sont pas chargés, le champ électrique n'a plus d'effet sur ces composants et ils restent dans le sol. De plus, les ions H+ et OH- réagissent ensembles pour former de l'eau ce qui neutralise l'avancé du front acide et donc l'avancé de la décontamination. Pour éviter que les ions hydroxydes pénètrent dans le sol, on peut les remplacer avec l'utilisation d'un acide à la cathode. En effet, comme on l'a vu, les ions OH- réagissent avec les ions H+ pour former de l'eau. Les ions OH-, lorsqu'ils réagissent avec les ions H+ d'un acide, sont remplacés par les anions de l'acide. Ainsi lorsqu'on choisit un acide pour contrôler les pH à la cathode on choisit les anions que l'on laisse pénétrer dans le sol. La présente étude vise donc à examiner l'efficacité de différentes solutions acides pour contrôler les pH et leur influence sur la migration des contaminants hors du sol, la consommation d'énergie et le traitement en général.