Étude des mécanismes d’adsorption des ions phosphate sur le corindon

La modélisation du comportement chimique des métaux dans l’environnement requiert des connaissances sur la nature des espèces qui se forment à l’interface entre les phases colloïdales et minérales des sols et les eaux de surface ou de nappe. En particulier, l’influence des ions phosphate (notés ici PO4) sur la nature des espèces formées est d’intérêt pour l’étude de la migration des métaux dans la géosphère. Leur adsorption éventuelle à la surface des oxydes et des argiles peut modifier la réactivité de surface des minéraux des sols et des sédiments. Les ions phosphate peuvent également être co-adsorbés avec les métaux dissous pour former des complexes de surface ternaires. La caractérisation des réactions et des paramètres qui contrôlent l’adsorption des ions phosphate sur des colloïdes ou minéraux de type (oxy-hydr)oxydes de fer et d’aluminium, qui sont omniprésents dans les sols, est également requise dans le cadre d’études prévisionnelles concernant le cycle du phosphore dans le milieu naturel, en tant que nutriment pour les plantes ou élément polluant des eaux de nappe. La spéciation de surface des ions phosphate sur des (hydr)oxydes de fer a été largement étudiée au niveau moléculaire par des analyses ex-situ and in situ utilisant la spectroscopie Infra Rouge à Transformées de Fourier (IRTF). Les études ont montré que différents complexes de l’ion phosphate peuvent coexister sur une surface minérale, et que la spéciation dépend du pH, de la concentration surfacique en ions phosphate, et de la réactivité de précipités de surface de type phosphate d’aluminium 146 147 163. La formation de ces précipités serait favorisée à pH acide et à des concentrations surfaciques en ions phosphate élevées. Cependant, la dynamique des ions phosphate aux interfaces solution / (hydr)oxyde d’aluminium reste inconnue, dans la mesure où ces systèmes ont été étudiés uniquement via des analyses spectroscopiques ex-situ. Ainsi, la transition entre complexation de surface et précipitation de surface, et la formation de précipités, nécessitent des investigations in situ des changements structuraux qui se produisent à l’interface, au cours de l’adsorption des ions phosphate et de la dissolution du minéral.

L’objectif de cette étude est d’obtenir des informations sur les mécanismes d’adsorption de l’ion phosphate sur le corindon, ainsi que sur la nature des espèces formées à l’interface, i.e. sur l’environnement chimique et structural des ions phosphate à l’interface, par des techniques de caractérisation in situ. L’adsorption des ions phosphate a été étudiée en fonction de paramètres clés tels que le temps de réaction et la concentration de surface de PO4, qui sont des paramètres susceptibles de contrôler les mécanismes de rétention. On s’est l’adsorption de phosphate est maximale (jusqu’à pH 6) et où la modification de l’alumine se limite uniquement à une hydratation de surface qui s’apparente à une boehmitisation ou bayeritisation de surface. On s’est ainsi placé dans des conditions optimales pour l’étude des mécanismes d’adsorption des ions phosphate en milieu acide. Dans un premier temps, l’influence de la concentration en ions phosphate et du temps de réaction (tR) sur la formation des espèces phosphatées à la surface des colloïdes de corindon a été étudiée à l’aide d’expériences en réacteurs fermés. Puis, nous avons réalisé des mesures de la variation du potentiel zêta (ζ) en fonction du pH, de la concentration en ions phosphate et du temps de réaction afin d’obtenir des informations sur les charges imparties à la surface du corindon colloïdal par les réactions d’adsorption de PO4, i.e. indirectement sur la nature des espèces de surface de l’ion phosphate. Le potentiel ζ est le potentiel électrique de la couche diffuse de contre-ions qui entoure des particules dispersées (environ 1 nm de leur surface). En fait, les potentiels et charges de surface sont fonction de l’ionisation des groupes de surface et des réactions d’adsorption (cf. Annexe III). Ainsi, la variation du potentiel ζ en fonction de paramètres clés a été utilisée afin de faire la distinction entre les complexes de surface de sphère interne ou externe et les précipités de surface 134. Enfin, la spéciation de surface de l’ion phosphate au cours du processus d’adsorption (à pH 3,3) a été étudiée par spectroscopie IRTF-RTA, en utilisant une méthode qui permet l’obtention de spectres IRTF de l’interface alumine / solution in situ en fonction du temps et de la concentration surfacique en phosphate.