Ecole Doctorale

Sciences de l'Environnement

Spécialité

Sciences de l'environnement: Géosciences

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Sorption,Césium,Cinétiques,Batchs,Réacteurs ouverts,Colonnes de sol

Keywords

Sorption,Cesium,Kinetics,Batchs,Open reactors,Soil columns

Titre de thèse

Extraction des paramètres de sorption dans un référentiel de modélisation opérationnel alternatif au Kd : Applicabilité des grandeurs définies en milieux contrôlés à des situations réelles.
Identifying parameters of a sorption model alternative to the Kd approach : field applicability of values determined in controlled conditions.

Date

Mercredi 30 Juin 2021 à 14:00

Adresse

Centre de Cadarache, Bât. 186 – 13115 St PAUL Les DURANCE Salle 11

Jury

Directeur de these M. François LAFOLIE INRAE
Rapporteur M. Mohamed AZAROUAL BRGM
Rapporteur Mme Marie-Odile SIMONNOT Laboratoire Réactions et Génie des Procédés - Université de Lorraine
Examinateur Mme Béatrice BECHET Université Gustave Eiffel (ex IFSTTAR)
Examinateur M. Julio GONCALVES CEREGE
Examinateur M. Emmanuel TERTRE Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers - Université de Poitiers

Résumé de la thèse

La sorption joue un rôle majeur dans le devenir des solutés dans les sols. Elle contrôle leur mobilité, leur biodisponibilité et, dans les cas des radionucléides, leur impact radiologique. En modélisation opérationnelle, la réaction de sorption est généralement décrite par un modèle à paramètre unique (Kd) qui suppose que la sorption est linéaire, instantanée et réversible. Pourtant, il ne permet pas de bien décrire la sorption dans des conditions de non-équilibre ou de non-linéarité. Des approches alternatives ont été proposées pour améliorer la modélisation de la sorption dans ces conditions. Cependant, ces modèles n’ont pas été complètement validés dans des conditions de sorption du Cs au laboratoire ou in situ. Expérimentalement, la sorption peut être étudiée à travers plusieurs dispositifs de différents degrés de complexité et de représentativité des conditions in situ (batchs, réacteurs ouverts, colonnes, etc.) pouvant induire une dépendance des paramètres de sorption de l’échelle expérimentale sur laquelle ils ont été identifiés. Cependant, ces effets de l’échelle expérimentale sur les paramètres de sorption restent peu identifiés. Les objectifs de ce travail de thèse sont de valider un modèle de sorption à deux sites cinétiques et à l’équilibre (EK) et d’étudier son applicabilité dans différentes conditions expérimentales et sur le terrain. Pour cela, le modèle EK a été utilisé pour reproduire une série de profils de contamination en 137Cs issus du terrain puis une série de données générées au laboratoire à partir de trois dispositifs (batchs, réacteurs ouverts et colonnes). Les résultats obtenus ont suggéré que le non-équilibre permet d’améliorer la modélisation de la migration du 137Cs in situ mais que les paramètres de sorption sont difficilement identifiables dans ces conditions. Au laboratoire, les expériences en réacteurs ouverts ont démontré que la rétention du Cs se fait dans des conditions de non-équilibre et de non-linéarité et que le modèle EK permet de bien reproduire ces réactions. La comparaison des trois échelles expérimentales a suggéré une influence du dispositif expérimental sur les paramètres de sorption principalement en milieux poreux structurés où d’autres processus non chimiques peuvent influencer la migration du césium.

Thesis resume

Sorption plays a major role in the prediction of solutes migration in soils. It controls their mobility in the soil, their bioavailability, and in the case of radionuclides, their radiological impact. In assessment level models, sorption is usually described by a single parameter model (Kd) that assumes that sorption is linear, instantaneous and reversible. However, this model fails to describe sorption reactions in non-equilibrium or nonlinear conditions. Alternative Equilibrium-Kinetic (EK) models have been suggested to improve modelling of sorption. These models suppose the existence of two or more sorption sites governed by equilibrium or kinetic sorption laws. However, these models have not been fully validated in both laboratory and field sorption conditions for cesium. Experimentally, sorption can be studied using multiple designs with varying levels of complexity and representativity of field conditions (batch reactor, open flow reactor, soil column, etc.) which may lead to a dependence of the sorption parameters to the experimental scale at which they were identified. However, these effects of the experimental scale on sorption parameters are not fully understood. This thesis aimed at validating an alternative nonlinear equilibrium-Kinetic (EK) model for cesium sorption and studying its applicability under different experimental and field conditions. To do so, EK model was used to reproduce a series of contamination profiles of 137Cs measured in situ and a series of data obtained in the laboratory using three experimental devices (batch reactors, open flow reactors and soil columns). The obtained results suggested that non-equilibrium sorption improves the description of 137Cs migration in situ. However, sorption parameters are not easily identifiable in these conditions. In the laboratory, open flow reactor experiments showed that Cs sorption takes place in non-equilibrium or nonlinear conditions and that EK model can successfully reproduce theses reactions. The comparison between the three experimental devices suggested that sorption parameters can be influenced by the experimental level especially in porous media where non chemical processes can impact cesium migration.