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Natural or engineered mobile colloids are suspected to be a threat for the environment. This thesis aimed at better understanding the mechanisms of transport, deposition and remobilization of colloids in natural porous media. These mechanisms depend on colloid, flow and medium properties, which have to be controlled in the experiment. Consequently, we carried out transport experiment with synthetic colloids with controlled properties in natural sand. The tailor synthesized colloids were labelled silica nanoparticles. They were easy to detect, and their size and zeta potential are controlled during the synthesis. They were used in column experiments to determine the influence of colloid size and concentration and solution ionic strength on the retention in natural sand (Hostun). Both breakthrough curves and spatial distributions were measured and analysed. Experiments carried out with nanotracers of various sizes in conditions unfavourable to attachment highlighted a size- and concentration-dependent deposition mechanism. Colloids are assumed to be retained in constrictions or in the surface roughness of sand grains. Colloids are retained until the retention sites are filled and then are further transported. When ionic strength increases, another retention mechanism was identified and is assumed to be caused by electrostatic interactions. The saturation of retention sites was also underlined. A convection-dispersion-equation based modelling with a sink term attending for deposition was used. With a depth- and concentration-dependent deposition rate, the model was able to reproduce the experimental results for the whole input concentration range., Les colloïdes naturels ou synthétiques peuvent être transportés dans les eaux souterraines et représenter ainsi une menace pour l'environnement. Pour mieux comprendre l'influence des propriétés des colloïdes, de l'écoulement et du milieu poreux sur les mécanismes de transport et de dépôt dans des aquifères, il est nécessaire de découpler les processus en contrôlant expérimentalement un maximum de facteurs. Ainsi, nous avons synthétisés des traceurs de colloïdes qui sont des nanoparticules de silice marquées, facilement détectables, dont les propriétés de surface et de taille sont contrôlées. Ils sont utilisés dans des expériences de transport en colonne pour déterminer l'influence de la taille, de la concentration en particules et de la force ionique de la solution sur le dépôt de colloïdes dans du sable d'Hostun. Les courbes de percée et les profils de dépôt sont mesurés et analysés. Les expériences menées avec des traceurs de différentes tailles en conditions défavorables au dépôt électrostatique ont mis en évidence un mécanisme de dépôt dépendant de la concentration et de la taille des particules. Les sites de dépôt sont supposés être la rugosité de surface des grains de sable et les pores de taille suffisamment petite. Les colloïdes sont retenus dans un volume fini de sites jusqu'à leur saturation. Lorsque la force ionique augmente, le mécanisme de dépôt identifié est lié aux interactions électrostatiques et est également sensible à la concentration en colloïdes. Un modèle avec un terme puits dépendant de la concentration en colloïdes et de la distance parcourue a permis de représenter les résultats expérimentaux sur toute la gamme de concentrations testée.

We study in this paper the transport and deposition of suspended particles in saturated porous media. Some chromatographic short-pulse tests were performed in a laboratory column with a tracer and two types of suspended particles. A mathematical model was used to determine the hydrodispersive parameters and deposition rates from the breakthrough curves. The results show that the fitted parameters obtained vary with the flow rate and the characteristics of the suspended particles. We also observe, at high flow rates, that particles have a migration velocity higher than that of the conservative tracer. To cite this article: A. Benamar et al., C. R. Geoscience 337 (2005).

The individual retention of three PAH (naphtalene, fluorene and phenanthrene) by two sands was studied by mean of column experiments, following the methods of frontal chromatography. The first sand naturally contained 2 % organic carbon, as the second one was coated with a heavy C16 apolar hydrocarbon. Column experiments show that retention is non linear, since the breakthrough curve location depends on the PAH feed concentration, and sorption and regeneration fronts are more or less sharpening or broadening, following the retention isotherm convexity. Retention by the organic sand follows a Langmuir isotherm and the initial slope is in good agreement with the prediction of the Karickhoff law. Retention on the coated sand can be described by a Freundlich isotherm with an exponent slightly greater than unity. Thus, retention is enhanced if a nonpolar hydrocarbon is present, that means that HAP propagation is lowered. The quantitative determination of equilibrium interaction parameters enables us to predict HAP transport through porous media, e.g. the results of lixiviation experiments at the pilot scale., La rétention monoconstituant de trois HAP (naphtalène, fluorène, phénanthrène) par deux sables, l’un contenant 2 % de carbone organique, l’autre imprégné d’un hydrocarbure saturé, est étudiée par des expériences en colonnes saturées, selon l’approche de la chromatographie éluto-frontale. Les expériences en colonne mettent bien en évidence la non-linéarité du processus de partage entre la matière organique du sable et l’eau. La rétention par le sable organique est décrite par une isotherme de Langmuir, dont la pente à l’origine peut être prédite par la loi de Karickhoff. L’isotherme de rétention par le sable imprégné présente une courbure convexe, ce qui indique que la rétention est renforcée en présence d’un hydrocarbure non polaire. Ainsi, les HAP ont tendance à être peu mobiles en présence d’autres polluants peu polaires. La détermination quantitative des paramètres d’équilibre permet de prévoir le transport de ces HAP en milieux poreux notamment lors d’expériences de lixiviation en colonnes pilotes.

Not available, L'utilisation de méthodes numériques classiques pour la modélisation du transfert de polluant dans un milieu poreux homogène et saturé se heurte à plusieurs difficultés. Afin de contourner ces obstacles, deux méthodes ont été choisies. La première est celle des éléments finis mixtes hybrides appliquée pour la résolution de l'équation de l'écoulement et des termes dispersif et accumulatif de l'équation de transport. La seconde est la méthode des éléments finis discontinus appliquée pour la résolution du terme convectif de l'équation de transport. Ces méthodes sont soumises à des comparaisons, faisant l'objet d'une synthèse bibliographique, avec d'autres méthodes dans le cas ou le contraste de masse volumique n'est pas pris en compte. Le code de calcul a été généralise pour le cas où la variation de la masse volumique en fonction de la concentration n'est plus négligeable. Le nouveau code est testé sur deux exemples devenus classiques. La zone de mélange lors d'un déplacement, dans un milieu poreux saturé et indéformable, de deux fluides miscibles avec contraste de masse volumique a été étudiée à travers deux types de déplacement. Le déplacement horizontal constitue le premier cas où l'inclinaison du front de polluant a été particulièrement étudiée à travers l'influence des paramètres intervenant dans ce phénomène. Le second type de déplacement est celui de l'infiltration ponctuelle d'une solution saline dans un milieu poreux initialement saturé en eau douce au repos. Une solution théorique simplifiée exprimant l'avancement du front de polluant suivant un axe vertical a été comparée aux résultats des simulations numériques.

Not available, L'utilisation de méthodes numériques classiques pour la modélisation du transfert de polluant dans un milieu poreux homogène et saturé se heurte à plusieurs difficultés. Afin de contourner ces obstacles, deux méthodes ont été choisies. La première est celle des éléments finis mixtes hybrides appliquée pour la résolution de l'équation de l'écoulement et des termes dispersif et accumulatif de l'équation de transport. La seconde est la méthode des éléments finis discontinus appliquée pour la résolution du terme convectif de l'équation de transport. Ces méthodes sont soumises à des comparaisons, faisant l'objet d'une synthèse bibliographique, avec d'autres méthodes dans le cas ou le contraste de masse volumique n'est pas pris en compte. Le code de calcul a été généralise pour le cas où la variation de la masse volumique en fonction de la concentration n'est plus négligeable. Le nouveau code est testé sur deux exemples devenus classiques. La zone de mélange lors d'un déplacement, dans un milieu poreux saturé et indéformable, de deux fluides miscibles avec contraste de masse volumique a été étudiée à travers deux types de déplacement. Le déplacement horizontal constitue le premier cas où l'inclinaison du front de polluant a été particulièrement étudiée à travers l'influence des paramètres intervenant dans ce phénomène. Le second type de déplacement est celui de l'infiltration ponctuelle d'une solution saline dans un milieu poreux initialement saturé en eau douce au repos. Une solution théorique simplifiée exprimant l'avancement du front de polluant suivant un axe vertical a été comparée aux résultats des simulations numériques.

Not available, Dans le cadre d'un contrat européen sur la modélisation du transport des polluants à travers des sols contaminés, des expériences en colonne de laboratoire ont été réalisées afin de déterminer les propriétés de rétention de deux hydrocarbures polyaromatiques (naphtalène et phénanthrène) à travers des sables de contenu en matière organique variable en nature et en quantité. Il a ainsi été confirmé que la matière organique jouait un rôle prépondérant dans le processus de rétention. Il a été montré que le polluant le plus hydrophobe (phénanthrène) s'adsorbait également sur la partie minérale des sables même si cette interaction linéaire, est de faible intensité comparée à celle obtenue sur les sables organiques. Le naphtalène nous a permis de montrer que le type et l'intensité de la rétention d'un polluant hydrophobe dépendaient de la nature de la matière organique. L’étude menée jusqu'au voisinage de la solubilité a mis en évidence d'importants effets non-linéaire. La modélisation a montré la nécessité de prendre à la fois en compte la non-linéarité des isothermes et la cinétique de transfert de matière entre phase. La confrontation modèle/expérience a conduit à l'estimation des temps caractéristiques de transfert par diffusion au sein des agrégats poreux. Le rôle joué par la matière organique sur la rétention d'un tensioactif anionique pur (le n-paraoctylbenzène sulfonate de sodium) a été mis en évidence et quantifié. Un modèle de transport couplant les mécanismes d'échange cationique, de micellisation, de précipitation et d'adsorption a été proposé.