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Droits d'auteur Jean-Sébastien Dubé (2003) 1

1. Notion de contaminant2. Classes de contaminants3. Nomenclature des composés organiques4. Sources de contamination5. Propriétés des contaminants

i. Influence sur la distribution des contaminantsii. Polaritéiii. Solubilitéiv. Tension de vapeurv. Constante de Henryvi. Masse volumiquevii. Viscositéviii. Tension interfacialeix. Coefficient d’adsorption

Définition d’un contaminantSafe Drinking Water Act (USEPA, 1974)Toute substance physique, chimique, biologique ou radiologique présente dans l’eau

pas de notion de provenanceFreeze et Cherry (1979)Toute substance introduite par l’homme (d’origine anthropique) peu importe si celle ci entraîne une dégradation de la ressourcepeu importe si celle-ci entraîne une dégradation de la ressource.

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Définitions (LQE)ContaminantMatière solide, liquide ou gazeuse, un micro-organisme, un son, une vibration, un rayonnement, une chaleur, une odeur, une radiation ou toute combinaison de l’un ou l’autre susceptible d’altérer de quelque manière la qualité de l’environnement.PolluantContaminant ou mélange de plusieurs contaminants présent Contaminant ou mélange de plusieurs contaminants, présent dans l’environnement en concentration supérieure au seuil permissible déterminé par règlement du gouvernement ou dont la présence dans l’environnement est prohibée par règlement du gouvernement.

4 grands types:Biologiques

Bactéries, virusInorganiques

Composés azotés (cycle de l’azote)NH4

+ NO2- NO3

- (nitrification)NO3

- N2 ou N2O (dénitrification)3 2 2 ( )Métaux

Métaux traces plomb (Pb), cadmium (Cd), cuivre (Cu), chrome (Cr), zinc (Zn)Métalloïdes arsenic (As), mercure (Hg)

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OrganiquesPesticides, herbicides

ex. DDT, picloram, chlordaneHydrocarbures pétroliers

ex. Essence, diesel, jet fuel, huile à chauffageHydrocarbures aromatiques

ex Benzène Benzo(a)pyrèneex. Benzène, Benzo(a)pyrèneOrganohalogénés

ex. solvants (TCE, PCE), isolants électriques (BPC), désodorisants (DCB, naphtalène)

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Plusieurs centaines de composés chimiques organiquesorganiques

Système de nomenclature de UICPA (Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée)

Nous verrons en particulier la nomenclature des phydrocarbures et des composés organo-halogénés qui sont souvent rencontrés dans les cas de contamination des sols et des aquifères.

Que retrouve-t-on dans l’essence, le diesel l’huile à chauffage qui

3. Nomenclature des composés organiques

diesel, l’huile à chauffage qui contaminent souvent les sols et l’eau souterraine?

Essence: alcanes, alcènes, aromatiquesDominée par chaînes de 4 à 12 carbones

Diesel: chaînes de 8 à 27 carbones (voitures), plus grandes pour le diesel no.4 et le no. 6 (Bunker C).

U.S. EPA. 1996. (EPA 510-R-96-001)

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Sources de contaminationFosses septiques

bactéries, virusRuissellement urbain

organiques, inorganiquesDécharges d’enfouissement sanitaire

organiques, inorganiques, microbiologiquesDéversements accidentels, fuites de réservoirs souterrains ou hors-terre

i (h d b l t )organiques (hydrocarbures, solvants)Activités minières

acide, métauxRemblais hétérogènes contaminés

débris, métaux, HAPVoir aussi la liste des industries à risque du RPSRTC

Caractéristiques des sources de contaminationGéométrieMode d’émission des contaminants

Géométrie: ponctuelle vs diffuse

Source ponctuelleConcentrations élevéesAire restreinte

f it d é i t iex. fuite de réservoir souterrain, site d’enfouissement

Source diffuseContamination sur une grande étendueEx. pluies acides, retombées radio-actives, épandages agricoles (pesticides, engrais) Contamination diffuse

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Mode d’émission: instantané vs continu

Source instantanéeTransfert de contaminants dans l’eau souterraine pendant une période de temps restreinte. Concentrations à la source diminuent dans un laps de temps relativement court.Ex. déversement accidentel, dissolution de sel déglaçant lors de la fonte des neiges

S i

Source instantanée

Source continueTransfert de contaminants dans l ’eau souterraine à la même concentration pendant un temps très longEx. site d ’enfouissement, dissolution de LPNA

Source continue

Influence sur la distribution des contaminantsLe devenir des contaminants est le résultat d’une combinaison de multiple facteurs dont les propriétés des p p pcontaminants ne sont qu’un élément.

Méthyl-ter-butyl-ether (MTBE)• Soluble, transporté par l’eau souterraine• Biodégradé en conditions aérobie

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Influence sur la distribution des contaminantsRépartition des contaminants dans un système triphasique

Phase solide

Phase gazeuse

Phase aqueuse

Phase aqueusePhase solide

Elles déterminent en partie leur comportement et leur devenir (behavior and fate) dans les sols, c’est-à-dire l’ensemble des processus de transport et de transformation dans l’espace et le processus de transport et de transformation dans l espace et le temps depuis leur origine (source).

Elles permettent de savoir dans quelles phases du sol (solide, liquide ou gazeuse) se retrouvera principalement un contaminant. En connaissant ces propriétés, il est donc possible d’orienter le traitement vers une phase ou une autre.

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Distribution de liquides organiques immiscibles (non aqueux) ( q )

Dom

enic

o &

Sch

war

tz (

1998

)

Affecte principalementle comportement des contaminantsle comportement des contaminants

Propriété Organiques InorganiquesPolarité X XSolubilité X XTension de vapeur X

Constante de Henry X

Masse volumique X

Viscosité X

Tension interfaciale X

Coefficient d’adsorption X X

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Pourquoi le sel et le sucre sont solubles d l’ l l’h il fl dans l’eau alors que l’huile flotte sur cette dernière?La réponse réside dans les forces intermoléculaires et intramoléculaires de ces composés. Il en est de même pour les contaminants en ironnementauxcontaminants environnementaux.

Polarité et état physique d’un composéL’état physique d’un composé dépend des attractions i t lé l i i ll dé d t d diffé intermoléculaires qui, elles, dépendent des différences d’électronégativités (ΔÉn) des atomes liés.

La polarité d’une molécule provient de l’écart d’électronégativité (ΔÉn) entre les atomes liés qui la constitue.

Plus les ΔÉn sont élevés dans une molécules plus les forces intermoléculaires seront grandes. Les petites molécules non-polaires sont souvent des gaz alors que les molécules très polaires sont souvent des gaz, alors que les molécules très polaires ou très grosses sont souvent des solides.

En général, les composés ne contenant que du carbone et de l’hydrogène (hydrocarbures) sont non-polaires, alors que les composés contenant également des atomes d’oxygène, d’azote ou de chlore sont le plus souvent polaires.

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SolubilitéQuantité maximale à l’équilibre d’un composé dans une phase Quantité maximale à l équilibre d un composé dans une phase liquide par volume unitaire de cette phase liquideUnités mg/L, µg/L, moles/LLa solubilité dépend de la masse moléculaire du composé. Généralement, plus la masse moléculaire est grande, moins le composé sera soluble.La solubilité dépend aussi de la polarité de la molécule

L’ t lé l l i t t di d l L’eau est une molécule polaire et peut dissoudre les composés ioniques et covalents polaires. Généralement, les composés non-polaires sont immiscibles avec l’eau. On dit aussi qu’ils sont insolubles.

Solubilité (suite)La solubilité d’un composé peut-être influencée par la température, le pH et la présence d’autres composés dissous.d ssous.

Ex. Co-solvation: il arrive que certains contaminants organiques, lorsqu’ils sont déjà dissous dans l’eau, peuvent augmenter la dissolution d’un autre contaminant organique qui pourrait normalement être insoluble dans l’eau.

La solubilité des contaminants organiques varie de 0.001 à 200 000 mg/L. Au-delà de 200 000 mg/L, le composé est considéré miscible dans l’eau.

Les contaminants les plus solubles sont aussi généralement plus facilement biodégradables:

les micro-organismes ont plus de facilité à « s’attaquer » aux liaisons polaires qu’aux liaisons non-polaires;l’accès des micro-organismes à la molécule organique est généralement accru lorsque celle-ci est dissoute

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Tension de vapeurTendance d’un composé à se volatiliser. Elle est définie comme étant la pression exercée par la vapeur du composé à exercée par la vapeur du composé à l’équilibre avec la phase pure condensée (liquide ou solide) à une température donnée.La tension de vapeur d’un composé sera de 1 atm (101 kPa) à son point d’ébullition ex. l’eau se volatilise à 1 atm à 100 °CUnités mm Hg ou atm (760 mmHg = 1 atm)= 1 atm)Plus la tension de vapeur d’un composé est élevée, plus il sera volatil.La tension de vapeur est influencée par la température et la nature même du composé (ex. les composés de l’essence et plusieurs solvants sont hautement volatils)

Encyclopedia Universalis (2007)

Masse volumiqueRapport de la masse d’un composé à son volumeRapport de la masse d un composé à son volume.Les densités des composés organiques liquides sont importantes en environnement pour les classifier et prévoir leurs modes de transport dans les sols

LLPNA = liquide léger en phase non-aqueuseLIL = liquide immiscible légerLIL = liquide immiscible légerLDPNA = liquide dense en phase non-aqueuseLID = liquide immiscible dense(MV > 1.01 g/cm3 et solubilité < 20 000 mg/L)

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Distribution de liquides organiques immiscibles (non aqueux) ( q )

ViscositéRésistance d’un fluide contre l’écoulement lors de l’application d’une contrainte de cisaillementde cisaillement.

Unités centipoise (viscosité de l’eau = 1 cP)Une grande viscosité indique que la conductivité hydraulique du sol ou de l’aquifère pour le fluide sera plus petite. (et vice versa)

Tension interfaciale avec l’eauÉnergie par surface unitaire présente à l'interface de deux liquides non miscibles. (un contaminant miscible ne présente pas de tension interfaciale avec ( p pl’eau)

Unités N/m, dynes/cm (tension interf. air-eau = 0.072 N/m @25°C)Plus la tension interfaciale avec l’eau est grande, moins le contaminant liquide aura de facilité à former des émulsions. Une grande tension interfaciale indique que l’eau et le contaminant liquide ne se mélangeront pas.Une grande tension interfaciale indique aussi que le contaminant liquide sera difficilement déplacé par l’eau dans le sol ou l’aquifère contaminé.

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Coefficient d’adsorption

AdsorptionRéaction entre la surface des grains solides et le contaminant dissous. Celui-ci se concentre à la surface du grain.

Réaction réversible aucune perte de masse. La masse adsorbée retourne à l’eau par un processus appelé désorption.

L’adsorption a pour principal effet de ralentir la migrationde la masse de contaminants.

Coefficient d’adsorptionIsothermes de sorptionIsothermes de sorption

À l’équilibre une espèce chimique sera répartie entre l’eau et les surfaces solides (adsorption) ou l’intérieur de la phase solide (absorption)

Sorption = adsorption (sorbent-induced) et absorption (solvent-induced)

Cette répartition est décrite par un isotherme deCette répartition est décrite par un isotherme de sorptionUn contaminant aura tendance à être adsorbé s’il est cationique (ion positif) ou absorbé s’il est hydrophobe (non-polaire)

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Distribution des métauxÀ l’échelle macroscopique, les métaux sont distribués

l h l dentre les phases aqueuse et solidePar contre, dans chaque phase, les métaux sont distribués parmi différentes espèces chimiques de toxicité et de mobilité différentes.Alors que pour les liquides organiques, nous considérons essentiellement une distribution macroscopique, il est reconnu que pour les métaux, les distributions intraphasiques ont une influence significative sur leur devenir.

Répartition des métaux au pH initial du sol (pH = 8.0)

120

Distribution des métaux

20

40

60

80

100

de la

con

cent

ratio

n to

tale

0

20

Pb Cd Cu Zn Ni CrMétal

% d

Soluble Échangeable Acido-soluble Réductible Oxydable Résiduel

Dubé et Galvez-Cloutier (2005)