Projet ANR-12-IS06-0001 – SPECIES : Mesure in situ de la spéciation des métaux trace
Programme : Blanc International II - SIMI 6 - Système Terre, environnement, risques (Blanc Inter II - SIMI 6)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Marc BENEDETTI (Equipe Géochimie Des Eaux - IPGP - Sorbonne Paris Cité)
Partenaires : CIQA Centro de Investigação em Química do Algarve; Institut de physique du globe; IBB Instituto de Biotecnologia e Bioengenharia; Institut des Sciences Analytiques et de Physico-Chimie pour l'Environnement et les Matériaux
Montant : 343019.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Mesure in situ de la spéciation des métaux traceUne sonde in situ fiable pour la spéciation dynamique des métaux dans les eaux naturelles a été un rêve par tous les scientifiques qui étudient les métaux traces dans l'environnement. L'objectif de ce projet est d'avancer vers cet objectif en développant une meilleure sonde de mesure in-situ sur la base des derniers progrès des techniques électroanalytiques.
De nouveaux senseursL'hétérogénéité, l’évolution et l’importance relative des facteurs qui contrôlent la dynamique des métaux dans les environnements aquatiques empêchent le développement d'un modèle simple du comportement des métaux. Les facteurs importants du contrôle de la spéciation des métaux : partitionnement solution-solide, association avec des phases solides (un complexe de surface ou un précipité), détermineront finalement le transport, la réactivité et le devenir des contaminants métalliques. Les réactions qui se produisent dans les milieux naturels sont susceptibles d'être contrôlés par un ensemble de processus physiques, chimiques et microbiologiques liés. Ainsi, l'identification et la compréhension de ces liens fourniront des informations clés sur les processus en vigueur et sur le comportement des métaux dans différents systèmes. Les domaines de la chimie de surface, et de la géochimie sont pertinents. Une compréhension des mécanismes de la dynamique du métal exige que les processus soient évalués de façon interdisciplinaire. En outre, la relation entre la géochimie à l’échelle macroscopique ou microscopique et les conditions locales doit être plus clairement caractérisée. Des informations quantitatives sur la nature, l'étendue et les contrôles des réactions se produisant à l'échelle microscopique permettront de mieux contraindre les modèles géochimiques de comportement des métaux dans les systèmes aquatiques. De nouvelles techniques spectroscopiques et microscopiques fourniront des informations plus détaillées, à l'échelle pertinente, essentielles si nous voulons un jour démêler la complexités dans les réactions métal/surface, et surtout faire les liens vers la modélisation dynamique des systèmes. Des nouvelles sondes de détection sont nécessaires pour permettre une caractérisation géochimique au diverses échelles résolues spatialement pour la détermination des conditions géochimiques dans les endroits où les réactions géochimiques pertinents clés se déroulent.
Objectifs et approchesDe nouvelles sondes de détection sont nécessaires pour permettre caractérisation géochimique à des niveaux beaucoup plus résolues spatialement pour la détermination des conditions géochimiques dans les endroits où les réactions géochimiques pertinents, clés se déroulent. Dans ce projet, nous nous concentrons donc notre étude sur la spéciation des 5 principaux polluants traces (Cu, Pb, Cd, Zn, Ag):• ils sont les polluants les plus largement résultant des applications industrielles;• de nombreuses études toxicologiques concernant leur toxicité pour leurs concentrations totales ont besoin de données plus détaillées sur le devenir et la spéciation de ces éléments;• une nouvelle méthodologie permettant leur détection simultanée est donc nécessaire pour être en mesure de comprendre les effets de synergie potentiels affectant leur toxicité;• le rôle des nano particules enrobées par des polymères comme nouveau vecteur de ces polluants doit être clarifiée.Ainsi, l'objectif global de ce projet est de décrypter comment l'échelle moléculaire les processus physico-chimiques, promu par des surfaces minérales, NPS enduits, influent sur la spéciation des métaux, le transport des ions, réactivité dans les systèmes aquatiques.• Construire et développer une sonde de mesure in-situ sur la base de SSCP / AGNES / DMT,• Réaliser des études de laboratoire dans des mélanges complexes de polymères, nanoparticules et les particules d'origine naturelle afin de comprendre la réponse de nos techniques.• Réaliser des études de laboratoire dans des mélanges complexes de polymères nanoparticules enrobées et des colloïdes naturels afin de comprendre le rôle des NP comme nouveau vecteur d'oligo-éléments,• Appliquer notre sonde in situ, une étude à l'échelle pilote d'un microcosme contrôlée et étudier la réponse de la sonde dans des systèmes modèles de plus plus complexes,• Valider la méthode de la sonde in situ dans des échantillons de terrain prélevés à différentes saisons.
Résumé de la soumission : Une sonde in-situ fiable pour la spéciation dynamique du métal dans les eaux naturelles est un rêve pour tous les scientifiques qui étudient des métaux traces dans l'environnement. L'objectif de ce projet est d’avancer dans cette direction en développant une sonde de mesure in-situ basée sur les avancées récentes des techniques électroanalytiques. Les difficultés techniques liées au développement de ces sondes sont tout d’abord la conséquence de concentrations en métaux traces très basses dans les eaux naturelles (typiquement < 10-8M) ; en second lieu aux difficultés d'amener l'équipement sur le terrain (problèmes d'autonomie) ; ensuite à la présence de ligands dans les eaux susceptibles de complexer les métaux (problèmes de spéciation) ; et enfin le fait que les eaux naturelles sont sujettes à changements constants et ne sont pratiquement jamais à l'équilibre chimique (problèmes dynamiques). Dans les eaux naturelles, seule une petite fraction du métal dissous est sous forme de cation libre hydraté parce que la plupart des ions métalliques forment des complexes stables avec les ligands inorganiques et organiques, qu’ils  s’adsorbent sur des colloïdes, et peuvent interagir avec des microorganismes. Ainsi, la plupart des complexes métalliques présente un caractère polyfonctionnel et polyélectrolytique et ont ainsi une large gamme d’énergies libres de formation de complexes, de constante de formation/dissociation, et de taille, contrôlant ainsi la disponibilité biologique, la toxicité et la mobilité des métaux. De plus, il est devenu nécessaire d’intégrer l'impact des nanoparticles anthropiques dans les systèmes naturels. Un aspect fondamental qui résulte du fait que les systèmes naturels ne sont pas à l'équilibre chimique est qu'une interprétation correcte de l’impact des complexes métalliques doit prendre en compte la réactivité et les flux des composés métalliques sur des échelles de temps relatives à ces processus. En raison de leur pertinence environnementale notre étude sera focalisée sur Pb, Cd, Cu, Zn et Ag. Notre approche pour développer une sonde dynamique in-situ est de s’appuyer sur les derniers développements des techniques électroanalytiques. SSCP (Scanned stripping chronopotentiometry) et AGNES (Absence of gradients and nernstian equilibrium stripping). Pour valider notre procédure analytique, nous comparerons les résultats à une méthode bien établie en incluant dans notre sonde in-situ un dispositif à membrane de Donnan (DMT). Pour valider les méthodes analytiques employées dans des matrices complexes, nous appliquerons une approche à trois voies : d'abord l'analyse au laboratoire de systèmes modèles de plus en plus complexes, ensuite l'étude à l’échelle du pilote d'un environnement représentatif de systèmes naturels modèles, et enfin l'analyse in-situ de différents systèmes environnementaux. Pour comprendre les résultats obtenus, il est fondamental d’appliquer les modèles qui peuvent décrire le comportement du système étudié. La modélisation thermodynamique inclura le modèle de NICA-Donnan pour les interactions ligand organiques/métaux, et CD-MUSIC pour la sorption du  métal sur les surfaces minérales. La modélisation dynamique sera également appliquée pour développer un modèle de transport de flux et ainsi distinguer quels paramètres contrôlent la spéciation des ions métalliques dans les systèmes aquatiques complexes. En résumé, les objectifs du projet sont : 1. Établir et développer une sonde in-situ de mesure basée sur SSCP/AGNES/DMT 2. Réaliser les études de laboratoire dans des matrices complexes bien caractérisées, incluant polymères, nanoparticles et particules, pour comprendre la réponse donnée par nos techniques analytiques3. Tester notre sonde in-situ sur à l’échelle du pilote 4. Valider la sonde in-situ dans des échantillons naturels à différentes saisons 5. Décrire les données de complexation des métaux obtenues sur le terrain par modélisations thermodynamiques et cinétiques
Résultats : work in progress
Perspectives : work in progress
Publications et brevets : work in progress