Lors du traitement in situ des sols, les zones contaminées peu perméables ne reçoivent pas les agents de traitement injectés en forage. Il est possible de palier à ce problème si l’on arrive à « bloquer » temporairement les zones perméables pour détourner l’écoulement vers les zones à moindre perméabilité. Les travaux d’InnovaSol ont consisté à évaluer le potentiel de la mousse en tant qu’agent bloquant dans un milieu poreux hétérogène. L’objectif est de ralentir l’écoulement de l’eau dans les milieux les plus perméables. En effet, la mousse se propage principalement dans les zones présentant la perméabilité la plus élevée. Si elle envahit ces zones, la perméabilité à l’eau de celles-ci devient très faible. Il devient alors possible d’atteindre les zones peu perméables avec les agents de traitement injectés. Les résultats des travaux, publiés dans la revue Environmental Chemistry, démontrent le rôle de l’injection de mousse en pilote vertical. Ce pilote est constitué d’un milieu peu perméable en surface et de sable plus perméable dans la couche de fond. Dans un premier temps les écoulements ont été caractérisés par l’injection de traceur et modélisés à l’aide d’un code d’écoulement puis de transport en milieu poreux. Position du front du traceur au sein du pilote vertical pour deux temps successifs, en bleu : en absence de mousse, et en rouge : en présence de mousse. L’écoulement s’effectue de gauche à droite, le front rouge est nettement ralenti par rapport au bleu dans la zone de mousse La mousse a été injectée dans le bas du pilote et s’est propagée sous forme d’un « coin » sous la couche peu perméable. Suite à cette injection un nouveau test de traçage a été réalisé, pour identifier l’effet de la mousse. La figure ci-contre, montrant un très faible déplacement du traceur dans la zone envahie par la mousse, démontre l’effet bloquant de la mousse. La modélisation du deuxième essai de traçage a permis de calculer la perméabilité à l’eau de la zone envahie par de la mousse. La perméabilité à l’eau est diminuée d’un facteur proche de 25 dans la partie haute de la zone envahie de mousse et d’un facteur 10 dans la partie basse. L’effet bloquant est donc tout à fait évident, avec des facteurs compatibles avec un usage en réhabilitation de zones sources. Ces travaux sont aussi détaillés dans la thèse d’E Del Campo. Auteurs : O. Atteia, H. Bertin, E.Del Campo

La remédiation des aquifères contaminés par des NAPL (Non Aqueous Phase Liquid) est connue pour être difficile. La réussite de cette démarche repose principalement sur le choix de la technique de dépollution à mettre en œuvre. Or, les études scientifiques montrent qu’il y a de grandes différences d’efficacité parmi les techniques les plus employées (oxydation, injection de tensio-actifs, sparging et techniques thermiques).

Figure 1 : Schéma des pilotes

InnovaSol a mené une comparaison détaillée de ces techniques à l’échelle de pilotes métriques en trois dimensions, avec l’objectif de décrire l’influence des hétérogénéités sur l’efficacité de ces traitements.

Quatre pilotes métriques (Figure 1) ont été construits à l’identique pour les expériences. Ils ont été principalement remplis par un sable relativement perméable (K=4×10−4 m s−1) dans lequel ont été insérées trois lentilles de sable contaminées (10% de saturation) par une mélange décane/toluène (1:1).

Figure 2 : Programme de traitement des pilotes

Une fois la phase de conditionnement achevée, chacun des pilotes a suivi un traitement spécifique résumé sur la Figure 2.

La méthode thermique a été clairement la plus efficace (Figure 3), avec une décontamination approchant les 99% lorsque la bonne température est atteinte, contre environ 80% en considérant l’intégralité du pilote. En prenant en compte l’ensemble des incertitudes, il semble que les autres méthodes aient une efficacité similaire entre elles, avec environ 50% de décontamination (conditionnement inclus), tout en présentant certaines spécificités.

Figure 3 : Résultats L’oxydation au persulfate a eu de meilleurs résultats dans les zones de faible conductivité hydraulique par rapport au lessivage avec tensio-actif ou le traitement thermique. Ceci est probablement dû à l’effet densitaire de la solution oxydante qui a permis une meilleure pénétration du traitement dans le bas du pilote. Le traitement thermique semble être le seul capable d’atteindre 100% d’élimination de la contamination, montrant qu’il est le seul traitement non impacté par les hétérogénéités. Des études ont montré l’efficacité de l’utilisation combinée de ces différentes techniques. Quoi qu’il en soit, l’utilisation de pilotes à l’échelle métrique s’avère un prérequis primordial pour valider l’efficacité de ces techniques sur le terrain avant leur mise en place.   Auteurs : O. Atteia, g. Cohen, F. Jousse, M. Momtbrun Pour lire l’article complet, avec un complément en modélisation prédictive, se reporter au numéro d’Environnement & Technique n° 374 – Novembre 2017

Les éléments majeurs des essais d’injection de mousse menés en colonne, dans le cadre des travaux de doctorat d’Estefania DEL CAMPO, ont été repris dans un article qui analyse l’origine de la résistance à la mobilité de la mousse, et la relation entre ce paramètre et la perméabilité du milieu.

Les techniques de lavage in-situ se sont révélées inefficaces dans des aquifères hétérogènes car l'écoulement s’effectue de préférence par le biais de la couche la plus perméable. Pour améliorer l'efficacité du balayage, des fluides à faible mobilité peuvent être injectés, tels que des polymères ou de la mousse générée in situ. L'utilisation de mousses est peu répandue parce que sa mobilité est difficile à prévoir.

Dans cet article, une série d'expériences en colonne ont été menées pour étudier la variation du facteur de résistance à la mobilité (RF) en fonction de la perméabilité. Cinq types de sable et de billes de verre calibrées ont été utilisés pour obtenir des milieux poreux ayant des perméabilités allant de 250 à 100 millidarcy. Deux tensioactifs non ioniques commerciaux (Triton X-100 et le laurate de saccharose), ont été utilisés à une concentration égale à 10 x CMC (concentration micellaire critique). Les colonnes ont d'abord été saturées avec de l'eau et puis rincées avec 1,5 PV (volumes de pores) de la solution de tensio-actif afin de saturer la capacité d’adsorption de molécules sur la matrice du sol . Ensuite , la co- injection d'air et de tensioactif a été effectuée à un débit total constant pour générer de la mousse in situ. La qualité de la mousse a varié de 85 % à 99% afin d'étudier l'effet de ce paramètre sur la résistance à la mobilité.

La corrélation entre le RF et la perméabilité est présentée. Les résultats suggèrent que, pour le même débit total, le RF diminue à mesure que la perméabilité augmente dans un milieu grossier, mais pour des perméabilités inférieures à 1 Darcy, le RF est faible, ce qui est attribué à la difficulté de générer de la mousse stable sous des pressions capillaires élevées. Les variations de la qualité de la mousse et du type de tensioactif ont un effet secondaire sur le gradient de pression.

Ce projet, mené par Fanny COUTELOT dans le cadre de sa thèse, a permis au travers de l’étude des flux de métaux en colonne non saturée, de réaliser des améliorations sur les techniques de prélèvement et de relier les flux de métaux aux résultats des tests de lixiviation classiques. A l’aide de la microscopie électronique, les processus d’immobilisation lors de l’ajout d’hydroxyapathite ou de grenaille d’acier ont put être décrits.

L’objectif de cette thèse a été de proposer une méthode de mesure des flux qui permette de simuler au mieux les conditions naturelles des transferts des éléments traces vers les nappes. Pour cela, nous avons mis au point une colonne de laboratoire non-saturée.

Dans un premier temps, nous avons pu montrer que l’estimation des flux d’eau faite classiquement à l’aide de bougies poreuses entrainait un biais et qu’il était donc nécessaire de récupérer tous les flux provenant du bas de la colonne pour avoir une estimation fiable. Ceci nous a conduit à proposer l’utilisation de lysimètres colonne sur le terrain.

Dans un deuxième temps nous avons testé l’utilisation des techniques de lixiviation classiques (batch et colonne ascendante) pour estimer les flux dans la colonne non saturée. Il s’avère que dans certains cas l’extrapolation est possible directement ou avec une étape de modélisation. Cependant lorsque le devenir du métal est dépendant du potentiel redox il est nécessaire de faire des expériences dans diverses conditions et en colonne pour pouvoir réaliser une extrapolation.

Finalement, l’effet d’amendements minéraux sur la mobilité des éléments traces a été mesurée sur deux sols contaminés. Nous avons étudié la lixiviation de ces éléments suite à l’apport d’amendements : de l’hydroxyapathite et de la grenaille d’acier en utilisant les colonnes de sol développés précédemment. L’étude de la localisation des éléments traces sur les minéraux nouvellement formés suite à l’apport de ces amendements minéraux et leur interaction avec les constituants minéraux d’origine des sols (microscopie couplée à des spectromètres de fluorescence X) nous a permis de comprendre et de déterminer les réactions mises en jeu au cours de la lixiviation de ces éléments. Ainsi, l’apport d’hydroxyapatite (HA) et de grenaille d’acier (GA) ont permis de diminuer significativement les concentrations en Cd, Zn dans les lixiviats. En revanche, l’apport de HA et GA aux sols augmente significativement la libération de As (dans le cas de HA) et Pb suite a l’apport de GA et HA. Les phases minérales porteuses de ces éléments traces, ont pu être caractérisées et ainsi les mécanismes responsables de l’immobilisation ou du relargage ont pu être identifiés.

Au cours de son travail de thèse, mené conjointement au sein de l'ENSEGID et du Laboratoire I2M-TREFFLE, Estefania Del CAMPO a pu mettre en évidence la réelle capacité de la mousse à bloquer les niveaux perméables et à laisser accessible les milieux peu perméables. En termes d’application, une fois le mode d'injection maîtrisé, il est donc envisageables des bloquer les écoulements dans les couches les plus perméables préalablement traitées, et de pouvoir ainsi atteindre dans un deuxième temps la pollution restant dans les couches les moins accessibles.
L’objectif de cette thèse était de décrire les processus physiques lors de la formation et du déplacement de mousse en milieu poreux. Ceci a été étudié en colonne et sur un pilote en deux dimensions. La première étape a été la caractérisation des tensio-actifs nécessaires à la formation de la mousse et notamment la possibilité d’utiliser des tensio-actifs biodégradables (p.ex les sucro-esters). Il a été démontré qu’hors du milieu poreux ces derniers étaient aussi efficaces pour la formation de mousse que les tensio-actifs classiques (p.ex. Le Triton).
En colonne de nombreux essais ont conclu à un pouvoir bloquant de la mousse qui ne dépend pas du type de tensio-actif ni de la qualité de la mousse (rapport air/volume total). La résistance à la mobilité (ou RF) liée à la présence de mousse atteint des valeurs situées entre 10 et 20 en présence de “strong foam” en milieu perméable, à l’inverse, en milieu peu perméable on assiste à la création de “weak foam” qui bloque peu le milieu. Les résultats complètent grandement la littérature très peu présente sur ce domaine et démontre la possiblité d’utiliser des tensio-actif bio-dégradables.
Des expériences menées en pilote vertical en deux dimensions avec un milieu peu perméable localisé au-dessus d’un milieu perméable on démontré que l’injection pouvait conduire à un déplacement quasi-horizontal de la mousse sur l’intégralité de la longueur du pilote (80 cm). Un traçage effectué avant et après injection de mousse démontre clairement que la mousse ralentit fortement les écoulements. Les vitesses dans le milieu grossier devenant les mêmes que dans le milieu fin, 10 fois moins perméable à l’eau. L’analyse de ces essais de traçage grâce à un modèle hydrodispersif (MT3D) tenant compte des variations de porosité liées à la présence de la mousse, a conduit au calcul des valeurs de RF dans ce milieu qui sont proches de celles trouvées en colonne.
En conclusion ces tests de laboratoire démontrent que la mousse se comporte comme prévu, et surtout que nous disposons maintenant des techniques pour injecter la mousse et des paramètres physiques qui influencent le déplacement de celle-ci et son pouvoir bloquant.