Oxydes métalliques dans les sols: les effets de l'hématite et de la magnétite

Introduction au fer dans les sols

Le sol peut, naturellement, être riche en teneur en fer. Les sols de couleur rouge ou orange sont souvent riches en fer, en raison de la présence d’oxydes naturels de fer comme la pyrite, la magnétite ou l’hématite. Ces oxydes, tandis que tous les oxydes du même métal de base, peuvent transmettre des propriétés très différentes au sol au-delà de la couleur. De tels phénomènes seront discutés ci-dessous. Il est important de noter le potentiel du fer, dans n’importe quel état d’oxydation, à réduire ou à oxyder dans des conditions relativement douces par la présence de certains types de bactéries(1). Les composés de fer ont longtemps été ajoutés aux sols. Dans les sols, parce que l’oxyde de fer est si dispersé par rapport à d’autres composés et au sol lui-même, ces oxydes de fer provenant du sol ne sont pas considérés comme utiles pour la production de fer et d’acier(2).

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Magnétite dans les sols

La magnétite est une forme d’oxyde de fer, Fe3O4, qui possède uniquement le fer dans les états d’oxydation Fe2 et Fe3. Portant la forme d’un spinel inverse, ses propriétés magnétiques sont très appréciées.
L’ajout de magnétite
au sol est avantageux car il peut plus tard être enlevé facilement en utilisant des aimants. Il peut se produire naturellement dans le sol, ou être ajouté comme agent de traitement du sol.

La fonction principale de la magnétite en tant qu’additif dans les sols est de catalyser la dégradation des contaminants dans le sol. Ces contaminants comprennent, sans s’y limiter, les polluants industriels, les composés organiques aromatiques et d’autres. La composition du sol est un facteur important dans le choix de ce qu’il faut planter dans le sol, il est donc important d’éliminer les contaminants dans la mesure du possible.

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Traiter les sols contaminés

La magnétite est utile dans l’élimination d’autres métaux lourds du sol contaminé, une étude signalant l’immobilisation/enlèvement efficace des métaux, y compris le cadmium, le plomb et l’uranium par l’application de ca. 1,5 poids nanoparticules de magnétite(3). Cette étude affirme que la magnétite a de fortes propriétés d’adsorption à d’autres métaux, et peut être utile dans l’élimination in situ des polluants des sols contaminés. La chloration réductrice d’éthylènes chlorés, comme le trichloroéthylène et le chlorure de vinyle, a été démontrée à partir de sols à l’échelle de laboratoire(4). La déchloration a suivi une voie de type hydrolyse, qui a été accélérée par un facteur de dix par l’ajout de Fe2 de magnétite. La magnétite a également été utilisée pour la réduction de la nitrobenzene des sols, associée au ruissellement industriel, et il a été suggéré que l’augmentation des stoichiometries de magnétite peut réduire la nitrobenzene en l’absence de Fe2mdentièrement soluble (5). Il peut être utilisé pour stabiliser l’excès d’arsenic dans les résidus miniers(6), bien que dans la plupart des cas de sol / résidus d’élimination de la contamination par l’arsenic, l’ajout de zinc facilite le processus en termes d’efficacité(7).

En plus des éthylènes chlorés, l’élimination d’autres déchets industriels qui peuvent catalyser par la magnétite comprennent des processus qui éliminent les hydrocarbures aromatiques polycycliques, les n-alkanes et les résidus d’huile réfractaires comme contaminants du sol. Des processus de dégradation de l’oxydation en type de fenton et d’oxydation persulfate catalysés par la magnétite moulue dans le sol ont été démontrés(8). Des études ont montré que les catalyseurs de fer (ii) plus complexes sont surpassés en utilisant simplement de la magnétite en poudre pour éliminer jusqu’à 90 contaminants du pétrole brut du sol en seulement sept jours, comparativement à seulement 15 de l’élimination des contaminants pour un catalyseur de fer obtenu commercialement(9).

L’utilisation de magnétite pour soulager la contamination des sols du ruissellement industriel et agricole est particulièrement appréciée en raison de son manque de toxicité humaine ou animale. D’autres sous-produits industriels que l’on trouve souvent dans les sols comprennent les phénols et les hydrocarbures aromatiques connexes, dont l’élimination est catalysée par la poudre de magnétite sous la lumière ultraviolette. La réduction de Fe3 à Fe2 est la principale explication du processus catalytique. Notamment, ce processus n’est pas amélioré par la magnétite étant sous forme de nanoparticules(10).

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Conversion de magnétite en maghémite et autres oxydes de fer

Maghemite, Fe2O3, se forme lorsque la magnétite est exposée à des températures dans la région de 350 à 400 oC, ou dans des conditions oxydantes. Certains sols naturellement riches en magnétite peuvent contenir des quantités modérées à élevées de maghemite, comme celles que l’on trouve dans les climats tropicaux. La magnétite n’est pas stable dans les sols humides sur de longues périodes, se convertissant en magnemite(11).

De plus, la magnétite peut réagir avec des nitrites dans les sols(12). Ces nitrites sont souvent des composants d’engrais, et si la magnétite est présente portant des ions Fe3 en présence de nitrite, il peut enlever le nitrate du sol, éventuellement le réduire à l’oxyde nitrique, puis au gaz d’oxyde nitreux, qui quitte le sol. La dénitrification du sol n’est pas idéale car elle exige que plus d’azote soit fixé dans le sol, selon le cycle de l’azote. Dans les sols dérivés de la stéatolite, la magnétite peut être convertie en hématite(13), pendant la formation du sol.

Hématite dans les sols

Comme la magnétite, l’hématite est un oxyde de fer et il a la formule Fe2O3. L’hématite n’est pas magnétique, et n’est donc pas facilement enlevée des sols auxquels il a été ajouté. Il peut également se produire naturellement dans le sol.

L’hématite est l’oxyde de fer le plus répandu dans le sol, en tant que tel, il est également la plus grande source de fer pour la production de fer et d’acier. Les sols latértiques riches en hématite sont souvent utilisés comme composants dans les briques et autres matériaux de construction dans les pays en développement, affichant une forte coloration rouge. L’hématite est également présente dans les sols bauxitiques aux côtés de l’alumine, qui sont également les principaux composants de la « boue rouge » - le flux de déchets du processus Bayer(14).

sol enrichi de poudre de magnétite

Traitement des sols contaminés

Comme sa magnétite cousine, l’hématite est également un bon additif du sol pour l’élimination des contaminants nocifs ou potentiellement nocifs. Un tel exemple pour l’hématite est la réduction de la concentration d’arsenic dans les sols utilisés pour la croissance du maïs. Le maïs est un produit agricole majeur, atteignant des milliards d’êtres humains chaque jour. L’arsenic est toxique pour la vie humaine, et ralentit également la croissance des plantes. Il est donc crucial d’éliminer l’arsenic du sol. Une étude a appliqué entre 0 et 0,2 poids nanoparticules d’hématite à un sol contaminé avec un contenu d’arsenic compris entre 0 et 96 mg/kg. On a constaté que la quantité d’arsenic dans les racines et les feuilles des plants de maïs a été considérablement réduite lorsque le sol avait été traité avec de l’hématite(15). L’hématite s’est avérée « immobiliser » l’arsenic, empêchant l’absorption. Lorsqu’il est utilisé dans des sols qui sont également riches en alumine, il a été constaté que l’hématite est plus efficace à l’immobilisation de l’arsenic(16). L’hématite a également été utilisée dans le cadre d’un biochar magnétique formé à partir de lui et de la pinède, qui a été utilisé pour éliminer l’arsenic des sols, et est particulièrement utile que le biochar d’hématite chargé d’arsenic peut être enlevé à l’aide d’aimants(17). L’éponge de l’arsenic2O3 sur l’hématite était l’éponge de l’arsenic.

Le phosphate et le glyphosate, composants des engrais et des herbicides industriels respectivement, ont été adsorbés dans le sol par l’hématite(18). Fait intéressant, lorsque l’hématite est hydratée en goethite ou en ferrihydrite, l’adsorption favorise le phosphate, tandis que l’hématite non hydratée favorise l’herbicide. Il convient de noter que le glyphosate est un cancérogène présumé et est toxique pour la vie aquatique - donc le ruissellement doit être minimisé.

sol enrichi en poudre d’hématite

Hématite et acides humiques

Les acides humiques sont une large classe de composés organiques présents dans l’humus, la principale composante du sol. La rétention de métaux lourds est liée à la concentration d’acide humique, en particulier lorsqu’on considère l’hématite comme une méthode d’élimination desdits métaux lourds. On dit que l’adsorption d’acide humique sur l’hématite diminue avec l’augmentation du pH, avec d’autres matériaux coordonnant préférentiellement. Mais, dans ces systèmes, l’acide humique conduit à une meilleure adsorption de métaux lourds (et toxiques) tels que le cadmium(19). Ces effets sont observés d’une manière différente avec le thorium dans les essais en laboratoire(20), où l’excès d’acide humique n’a pas amélioré l’adsorption de thorium à l’hématite.

Additifs pour sols / sols pauvres en fer

La carence en fer dans le sol peut être un problème qui affecte profondément les plantes. En règle générale, cela se produit lorsque le pH du sol est supérieur à 6,5. L’ajout de fer au sol n’est pas une solution rapide à moins que le fer ne soit biologiquement disponible, c’est-à-dire sous une forme chélatée. La magnétite et l’hématite ne sont pas biologiquement disponibles et le traitement du sol contenant des plantes soupçonnées d’être déficients en fer est futile.

poudre d’hématite sous forme de roche
poudre de magnétite sous forme de minerai

Sommaire

  • L’hématite et la magnétite sont des oxydes de fer que l’on peut trouver naturellement dans les sols et/ou ajoutés à celui-ci.
  • Ces oxydes de fer offrent les propriétés des sols, y compris la durabilité (d’où leur utilisation dans les matériaux de construction) et souvent coloration intense
  • Il s’combe à des additifs sol viables qui ont le potentiel d’éliminer - ou de catalyser l’élimination - de contaminants indésirables du sol tels que l’arsenic et d’autres métaux lourds.
  • La teneur en fer dans les sols doit être modulée pour s’assurer qu’aucun problème ne résultera du ruissellement dans les cours d’eau, et pour s’assurer que la fixation de l’azote dans les sols n’est pas indûment diminuée
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Références

1 S. Xu et coll.,Env. Sci. Tech., 2016, 50, 2389

2 Daniel Hillel (éd.), Encyclopédie des sols dans l’environnement, Elsevier, Amsterdam, 2005

3 A. M. Guettner et coll., J. Nanopart. Res., 2011, 13, 2387

4 Woojin Lee et Bill Batchelor, Environ. Sci. Technol. 2002, 36, 5147

5 C. A. Gorski et M. M. Scherer, Environ. Sci. Technol. 2009, 43, 3675

6 K.-K. Kim et coll., J. Geochem. Explor., 2012, 113, 124

7 W. Yang et coll., Water Res., 2010, 44, 5693

8 K. Hanna et coll., Chemosphere, 2012, 87, 234

9 P. Faure et coll., Carburant, 2012, 96, 270

10 D. Vione et coll., Appl. Catal. B: Environnement, 2014, 154, 102

11 H. J. M. Morrôs et coll.,Physica B Cond. Matière, 2004, 354, 373

12 P. Dhakal et coll., Environ. Sci. Technol. 2013, 47, 6206

13 G. P. Santana et coll., R. Bras. Ci. Solo, 2001, 25, 33

14 E. Eiche, Arsenic Mobilization Processes in the Red River Delta, Vietnam, KIT Scientific Publishing, Karlsruhe, 2009

15 M. R. Neyestani et coll., Int. J. Env. Sci. Tech., 2017, 14, 1525

16 Y. Jeong et coll., Chem. Eng. Processus., 2007, 46, 1030

17 B. Gao et coll., Bioresource Tech., 2015, 175, 391

18 A. L. Gimsing et O. K. Borggaard, Clays Clay Miner., 2007, 55, 108
19 A. P. Davis et V. Bhatnagar, Chemosphere, 1995, 30, 243

20 V. Moulin et coll., Environ. Sci. Technol. 2005, 39, 1641