Brevet FR3015911A1 — publié le 20150703

PROCEDE DE FIXATION CHIMIQUE DE POLLUANTS MÉTALLIQUES IN SITU CONTEXTE DE L'INVENTION Domaine de l'invention La présente invention concerne la fixation in situ de contaminants métalliques dans les sols et/ou les eaux souterraines. Description de l'art connexe Le traitement des sols et eaux souterraines contaminés constitue un aspect important de la science environnementale, notamment sur les sites d'élimination de déchets dangereux incontrôlés. Les procédés les plus répandus de réhabilitation de sites comprennent l'excavation et l'enfouissement des déchets. Ces procédés ont démontré leur efficacité dans l'élimination des contaminants, mais ils sont tous deux coûteux et parfois difficiles, voire impossibles, à exécuter. Plus récemment, la recherche s'est orientée vers la conversion des contaminants contenus dans les sols et les eaux souterraines grâce au développement de technologies de traitement sur site et in situ. Ces technologies concernent l'élimination de contaminants par des procédés physiques ou le traitement in situ de contaminants à l'aide de procédés chirbiques ou biologiques. Les procédés physiques d'élimination de contaminants métalliques sont axés sur l'utilisation d'une technologie de pompage et de traitement. Les procédés chimiques d'élimination de contaminants métalliques reposent sur la modification chimique des états de valence, qu'il s'agisse d'une réduction ou d'une oxydation, de façon à convertir les contaminants métalliques à des états moins nocifs ou moins mobiles. L'utilisation d'agents de réduction forts a démontré son efficacité dans la conversion de l'état de valence du chrome VI, une forme de chrome très mobile et toxique, en chrome III, une forme moins mobile et moins toxique, L'arsenic en tant que contaminant métallique présente un état de valence plus mobile, l'arsenic III (As +3) qui migre librement dans les eaux souterraines et qui est particulièrement toxique. Le traitement de l'arsenic in situ dans le sol ou l'eau souterraine vise donc à lier ou fixer l'arsenic à un complexe de fer qui précipite et peut être soit éliminé par filtration de l'eau dans un système de 10 traitement en surface, soit laissé à décanter au sein de la matrice de sol dans des conditions in situ. Le processus classique de traitement de l'arsenic est simple dans une installation de traitement d'eau potable, Spécifiquement, dans un processus classique de traitement de l'arsenic, l'eau souterraine extraite est mélangée à une solution de fer et du peroxyde d'hydrogène ; le peroxyde oxyde 15 As +3 en As +5, la concentration en oxygène dissous augmente en raison de l'ajout du peroxyde, le fer forme alors un oxyhydroxyde en utilisant l'oxygène dissous et As +5 se lie à l'oxyhydroxyde de fer. Ce complexe entier est solide et est ensuite filtré dans l'eau souterraine. 20 Le traitement de l'arsenic par le processus classique est bien plus difficile à l'extérieur d'un site de traitement des eaux usées et dans des conditions in situ puisque la distribution et le mélange de solutions distinctes, de fer et de peroxyde n'est pas aisée étant donnée la rapidité des réactions et l'instabilité du peroxyde d'hydrogène au contact de la matière organique présente dans la 25 matrice de sol, Dans des conditions in situ, les réactions surviennent très vite après l'injection dans la matrice de sol saturée d'eau souterraine et le peroxyde se décompose rapidement en oxygène et en eau, produisant des volumes importants de gaz au sein de la matrice de sol. Il est possible de mener un programme de traitement avec ces procédés, néanmoins le rayon de 30 distribution autour du point d'injection est très limité et les volumes injectables sont faibles. Ces limitations découlent des vitesses élevées de réaction qui produisent rapidement des volumes significatifs de gaz entraînant souvent la remontée en surface des eaux souterraines et des solutions injectées peu après le début de l'injection. BREF RÉSUMÉ DE L'INVENTION Des modes de réalisation de la présente invention apportent une solution aux déficiences dans l'art du traitement des contaminants métalliques présents dans le sol et proposent un système nouveau et non évident ainsi qu'un procédé permettant de traiter les contaminants à base d'arsenic dans un environnement in situ, par exemple les sols, les eaux souterraines ou les substrats rocheux. Dans un mode de réalisation de l'invention, un procédé de traitement des contaminants à base d'arsenic dans un environnement in situ contaminé à l'arsenic inclut la préparation d'une solution aqueuse de fer chélate et d'un agent oxydant stabilisé. Le procédé inclut également l'ajout de la solution aqueuse de fer chélate et de l'agent oxydant stabilisé à l'environnement in situ dans une quantité suffisante pour favoriser la co-précipitation d'oxyhydroxydes de fer-arsenic. À cet égard, la solution et l'agent peuvent être ajoutés alternativement avant et après des injections d'eau distinctes dans l'environnement in situ. L'arsenic est par la suite oxydé de As+3 en As+5 et le fer est oxydé de Fe+2 en Fe+3. Dans un aspect du mode de réalisation, la solution aqueuse de fer chélate inclut une quantité efficace de fer choisi dans le groupe des sels de Fe (II), sels de Fe (l11), chélates de Fe (Ii), chélates de Fe (III) et leurs combinaisons. Dans un autre aspect du mode de réalisation, la source stabilisée de l'agent oxydant est un peroxyde choisi dans le groupe constitué par le peroxyde d'hydrogène, le peroxyde de sodium et le peroxyde de calcium. Dans un autre aspect du mode de réalisation, la solution aqueuse de fer chélaté est maintenue à un pH d'environ 5 à 8. Dans encore un autre aspect du mode de réalisation, la source stabilisée de l'agent oxydant est stabilisée, par exemple avec un stabilisant choisi dans le groupe constitué par un acide, un sel, et un mélange d'acide et de sel, et à titre d'exemples supplémentaires, avec un stabilisant choisi dans le groupe constitué par l'acide phosphorique, le phosphate monopotassique et une combinaisq.u.d'acide phosphorique et de monopotassium. Des aspects additionnels de l'invention seront évoqués en partie dans la description qui suit, et apparaîtront en partie à partir de la description ou seront acquis par la mise en pratique de l'invention. Les aspects de l'invention seront réalisés et obtenus au moyen des éléments et combinaisons mentionnés spécifiquement dans les revendications annexées. Il est à noter que la description générale qui précède ainsi que la description détaillée qui suit sont données à titre d'exemple et d'explication uniquement et ne visent pas à limiter l'invention telle que revendiquée. BRÈVE DESCRIPTION DES DIFFÉRENTES VUES DES DESSINS Les dessins qui sont incorporés et constituent une partie de la spécification, illustrent des modes de réalisation de l'invention et conjointement à la description, permettent d'expliquer les principes de l'invention. Les modes de réalisation illustrés ici sont actuellement préférés, mais il convient de savoir que l'invention ne se limite pas aux agencements précis et instruments présentés : la figure 1 est une Illustration d'un procédé permettant le traitement de contaminants à base d'arsenic dans un environnement in situ ; et la figure 2 est un organigramme illustrant un processus en vue du traitement de contaminants à base d'arsenic dans un environnement in situ. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION Des modes de réalisation de l'invention assurent le traitement de contaminants à base d'arsenic dans un environnement in situ. En conformité avec un mode de réalisation de l'invention, il est possible de préparer un agent oxydant stabilisé, par exemple un agent au peroxyde d'hydrogène liquide stabilisé, ainsi qu'une solution aqueuse de fer chélate. L'agent oxydant stabilisé et la solution aqueuse de fer chélaté peuvent tous deux être introduits alternativement par des tamis d'injection dans l'environnement in situ de façon à oxyder et fixer l'arsenic présent dans l'environnement in situ, et ainsi éliminer la contamination à l'arsenic de l'environnement in situ. La figure 1 illustre également un processus de traitement de contaminants à base d'arsenic dans un environnement in situ. Comme le montre la figure 1, un agent au peroxyde 160A peut être préparé par l'ajout d'eau 110 à une source de peroxyde 120 et un stabilisant sec 130. De manière concomitante, une solution aqueuse de fer chélaté 1608 peut être préparée par l'ajout d'eau 110 à du fer sec ou liquide 140 et des chélates 150. Ensuite, chacun de l'eau 110, de l'agent au peroxyde 160A et de la solution aqueuse de fer 1608 peut être introduit dans un environnement in situ 170 au moyen de tamis d'injection réalisés, par exemple, par des tiges d'injection massive directe couplées à une tête de puits, ou un puits d'injection couplé à une tête de puits. Le tamis d'injection 180 peut agir pour oxyder l'arsenic +3 100 présent dans l'environnement in situ 170 en arsenic +5 190 qui peut être fixé à de l'oxyhydroxyde de fer. Dans une autre illustration, la figure 2 est un organigramme illustrant un processus visant à traiter les contaminants à base d'arsenic dans un environnement in situ. Au départ, dans la case 210A, un agent au peroxyde est préparé. L'agent au peroxyde peut inclure, par exemple, un peroxyde tel que le peroxyde d'hydrogène, le peroxyde de sodium ou le peroxyde de calcium. De même, la source de peroxyde peut être stabilisée, par exemple à l'aide d'un stabilisant tel qu'un acide, un sel ou un mélange d'acide et de sel. Plus particulièrement, le stabilisant peut être le phosphate monopotassique ou une combinaison d'acide phosphorique et de monopotassium. La source stabilisée d'agent oxydant est par exemple un peroxyde dans l'eau à 30 une concentration allant jusqu'à 70% en poids. De manière concomitante, dans la case 2106, une solution aqueuse de fer chélaté est préparée. La solution aqueuse de fer peut inclure une quantité efficace d'un fer choisi parmi au moins un élément du groupe constitué par les 35 sels de Fe (II), les sels de Fe (III), les chélates de Fe (II), les chélates de Fe (III) et leurs combinaisons. La solution aqueuse de fer peut être maintenue à un pH d'environ 5 à 8 par l'ajout d'un agent de modification du pH à la solution aqueuse de fer, l'agent de modification incluant, par exemple, de l'eau ou des agents chélatants. Par la suite, l'agent au peroxyde et la solution aqueuse de fer peuvent être ajoutés à l'environnement in situ tel qu'un sol, de l'eau souterraine ou un substrat rocheux fracturé. À cet égard, l'environnement in situ peut être un sol ou de l'eau souterraine de perméabilité modérée à élevée. En variante, l'environnement in situ peut être un sol ou de l'eau souterraine de perméabilité faible à modérée. Dans les deux cas, l'agent au peroxyde peut être ajouté à l'environnement in situ dans une concentration efficace et une quantité suffisante pour favoriser la co-précipitation d'oxyhydroxydes de fer-arsenic. Dans un aspect du mode de réalisation, l'agent au peroxyde et la solution aqueuse de fer peuvent être ajoutés à l'environnement in situ à l'aide de tamis d'injection. Il est à noter que les tamis d'injection peuvent être introduits dans la zone capillaire de l'environnement in situ, la zone vadose de l'environnement in situ, ou la zone saturée. L'injection peut être effectuée sous pression élevée d'environ 0,3 à 7 kg par centimètre carré (cinq à cent livres par pouce carré) et l'agent au peroxyde et la solution aqueuse de fer sont introduits de manière alternée par une tête de puits dans l'environnement in situ après un lessivage initial à l'eau et avant un lessivage supplémentaire à l'eau, comme le montrent les cases 230 à 250. Toutefois, il est important de savoir que l'agent au peroxyde et la solution aqueuse peuvent être introduits dans n'importe quel ordre dans l'environnement in situ, et dans un mode de réalisation de l'invention, ils peuvent être tous deux introduits en continu dans l'environnement in situ. En variante, plusieurs doses de la source de l'agent oxydant et de la solution aqueuse de fer chélaté sont ajoutées à l'environnement in situ. Les structures, matériaux, actions correspondants et équivalents de tous les éléments relatifs aux moyens ou aux étapes et à la fonction dans les revendications ci-dessous doivent inclure toute structure, tout matériau ou toute action visant à exécuter la fonction en combinaison avec d'autres éléments revendiqués, tels que spécifiquement revendiqués. La description de la présente invention est présentée à des fins d'illustration et de description, mais ne doit pas être considérée comme exhaustive ou limitée à l'invention sous la forme divulguée. De nombreuses modifications et variations apparaîtront à l'homme du métier sans sortir de la portée et de l'esprit de l'invention. Le mode de réalisation a été choisi et décrit afin d'expliquer au mieux les principes de l'invention et l'application pratique, et de permettre à l'homme du métier de comprendre l'invention pour divers modes de réalisation avec diverses modifications selon l'utilisation particulière envisagée. 10 L'invention de la présente demande ainsi décrite en détail et en référence à ses modes de réalisation, il apparaîtra que des modifications et variations peuvent être apportées sans s'écarter de la portée de l'invention définie dans les revendications qui suivent. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement de contaminants à base d'arsenic dans un environnement in situ, comprenant les étapes consistant à: préparer une solution aqueuse de fer chélate; ajouter à la fois une source stabilisée d'un agent oxydant audit environnement in situ dans une concentration efficace et ladite solution aqueuse de fer audit environnement in situ en présence de ladite source d'agent oxydant dans une quantité suffisante pour favoriser la co-précipitation d'oxyhydroxycies de fer- arsenic ; et oxyder l'arsenic dans l'environnement in situ et oxyder le fer dans l'environnement in situ. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la solution aqueuse de fer chélate comprend une quantité efficace d'un fer choisi parmi au moins un élément du groupe constitué par les sels de Fe (II), les sels de Fe (III), les chélates de Fe (Il), les chélates de Fe (III) et leurs combinaisons. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite source stabilisée de l'agent oxydant est un peroxyde choisi dans le groupe constitué par le peroxyde d'hydrogène, le peroxyde de sodium et le peroxyde de calcium. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la source stabilisée de l'agent oxydant est stabilisée avec un stabilisant choisi dans le groupe constitué par un acide, un sel, et un mélange d'acide et de sel. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le stabilisant est choisi dans le groupe constitué par l'acide phosphorique, le phosphate monopotassique et une combinaison d'acide phosphorique et de monopotassium. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la source stabilisée d'agent oxydant est un peroxyde dans de l'eau à une concentration altant jusqu'à 70 % en poids. 7. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre le maintien de ladite solution aqueuse de fer chélate à un pH d'environ 5 à 8 par l'ajout d'un agent de modification du pH à la solution aqueuse de fer. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'agent de modification du pH est choisi parmi l'eau et les agents chélatants. 9. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'ajout alterné de la source stabilisée de l'agent oxydant et de la solution aqueuse de fer chélate à l'environnement in situ. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la solution aqueuse de fer chélate est ajoutée la première à l'environnement in situ, suivie par la source stabilisée de l'agent oxydant. 11. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la source stabilisée de l'agent oxydant est ajoutée la première à l'environnement in situ, suivie par ladite solution aqueuse de fer chélate. 12. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'ajout en continu de la source stabilisée de l'agent oxydant ainsi que de la solution aqueuse de fer chélate à l'environnement in situ. 13. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'environnement in situ comprend au moins un élément parmi des sols et des eaux souterraines de perméabilité modérée à élevée. 14. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'environnement in situ comprend au moins un élément parmi des sols et des eaux souterraines de perméabilité faible à modérée. 15. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'environnement in situ est choisi dans le groupe constitué par un sol, de l'eau souterraine et un substrat rocheux fracturé. 16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel la source stabilisée de l'agent oxydant et la solution aqueuse de fer chélate sont ajoutées à une région au sein de l'environnement in situ nommée zone capillaire. 17. Procédé selon la revendication 15, dans lequel la source stabilisée de l'agent oxydant et la solution aqueuse de fer chélate sont ajoutées à une région au sein de l'environnement in situ nommée zone vadose. 18. Procédé selon la revendication 15, dans lequel la source stabilisée de l'agent oxydant et la solution aqueuse de fer chélate sont ajoutées à une région au sein de l'environnement in situ nommée zone saturée. 19. Procédé selon la revendication 15, dans lequel plusieurs doses de la source de l'agent oxydant et de la solution aqueuse de fer chélate sont ajoutées à l'environnement in situ. 20. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la source de l'agent oxydant et la solution aqueuse de fer chélate sont ajoutées à l'environnement in situ à pression élevée. 21. Procédé selon la revendication 20, dans lequel la pression élevée est d'environ 0,34 à 6,89 bar (5 à 100 psi).