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RÉSUMÉ
La compréhension, la quantification et la prédiction des milieux aquatiques (eaux naturelles ou découlant d’activités industrielles) sont complexes de par les réactions en présence. Ces études imposent une démarche de modélisation utilisant des données expérimentales et des méthodes numériques performantes. Cet article a pour objectif de présenter les concepts physico-chimiques et les lois mathématiques sur lesquels repose la modélisation géochimique des eaux. En illustration, des exemples concrets d’applications aux problèmes d’environnement et de gestion des ressources en eau sont exposés.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Laurent De WINDT : Docteur en chimie, Enseignant-chercheur à l’École des Mines de Paris
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Jan van der LEE : Docteur en hydrogéologie-hydrochimie, Enseignant-chercheur à l’École des Mines de Paris
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Jean-Michel SCHMITT : Docteur ès sciences, Maître assistant à l’École des Mines de Paris - Centre d’Informatique Géologique à Fontainebleau
INTRODUCTION
La géochimie des eaux, naturelles ou découlant des activités industrielles, représente un ensemble complexe de réactions en solution, de réactions de dissolution et précipitation de minéraux et de réactions aux interfaces. Elle concerne des espèces aussi diverses que des acides, bases, complexants et couples oxydoréducteurs dissous, des phases solides constitutives des roches et des matériaux géosynthétiques, des colloïdes vecteurs de mobilité, des matières organiques. La compréhension, la quantification et la prédiction de tels milieux aquatiques requièrent une démarche de modélisation s’appuyant sur des bases de données expérimentales et des méthodes numériques sophistiquées. L’utilisation des logiciels hydro-géochimiques n’en demeure pas moins intuitive. Elle est de plus en plus fréquemment intégrée aux études appliquées aux expériences en laboratoire, à la gestion des ressources en eaux, des sites miniers et des stockages de déchets, aux études d’impact environnemental.
L’objectif de ce document est de fournir l’essentiel des concepts physico-chimiques et des lois mathématiques sur lesquels reposent la modélisation géochimique des eaux, tout en y associant des exemples concrets et typiques d’applications aux problèmes d’environnement et de gestion des ressources en eau. Un tableau est dédié aux sources de distribution des logiciels et des banques de données thermodynamiques.
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2. Concepts physico-chimiques
2.1 Équilibres chimiques
Une des tâches principales des logiciels hydro-géochimiques est de calculer le spectre des espèces aqueuses pour une configuration chimique donnée, la concentration de chacune des espèces dépendant des caractéristiques de la solution telles que pH, potentiel redox, alcalinité, force ionique ou température. Les premiers logiciels ont utilisé l’approche de l’équilibre thermodynamique. En effet, beaucoup de réactions chimiques en phase aqueuse sont rapides à l’échelle du temps du procédé industriel ou du milieu naturel, et peuvent donc être considérées à l’équilibre.
Il existe cependant un certain nombre de réactions spécifiques (réactions redox, précipitation de solides, etc.) qui sont contrôlées par la cinétique sur la période de référence. Certains concepteurs ont ainsi décidé de développer des logiciels exprimant toutes les réactions chimiques en termes de formulations cinétiques du premier et du second ordres. Une telle approche permet elle aussi de simuler des réactions à l’équilibre sous l’hypothèse que, dans ces conditions, la réaction nette de création-destruction d’une espèce soit nulle (principe de microréversibilité).
Une troisième alternative, privilégiée dans le présent document, consiste en une combinaison mixte cinétique-thermodynamique. L’idée est intéressante car elle permet de recycler les logiciels existants, et les méthodes numériques associées, développés dans le cadre de la thermodynamique à l’équilibre. Bien que générant des problèmes numériques relativement complexes, l’approche mixte est plus rapide et plus précise que la méthode complètement cinétique pour les systèmes qui sont dominés par les réactions à l’équilibre. Mais surtout, les bases de données internationales, relativement stables et cohérentes, sont disponibles pour la chimie à l’équilibre ; plusieurs centaines de réactions simultanées peuvent ainsi être prises en compte. Par contraste, les bases de données cinétiques restent pour l’instant limitées, en développement et dépendantes par essence des conditions chimiques.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - CORRIOU (J.C.) - Thermodynamique chimique. Équilibres thermodynamiques - . Techniques de l’Ingénieur[J 1 028].
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(2) - SIGG (L.), STUMM (W.), BEHRA (P.) - Chimie des milieux aquatiques. Chimie des eaux naturelles et des interfaces dans l’environnement - . Masson, Paris (F), 1994.
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(3) - MICHARD (G.) - Équilibres chimiques dans les eaux naturelles - . Publisud, France, 1989.
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(4) - GRENTHE (I.), PUIGDOMENECH (I.) - Modeling in aquatic chemistry - . OECD Publishing, Paris (F), 1997.
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(5) - VAN der LEE (J.) - Thermodynamic and mathematical concepts of CHESS - . Tech. Rep. LHM/RD/98/39, École des Mines de Paris, Fontainebleau (France) (1998).
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(6) - HOUNSLOW (A.W.) - Water quality data. Analysis and interpretation - . CRC Press, New York (US), 1995.
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