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Solubilité de la silice et de l’alumine hydratée
Historique
L’étude des latérites ou des silicates dans l’hydrosphère nécessite de connaître le comportement de la silice dans l’eau. Si les silicates peuvent prendre naissance dans l’hydrosphère, il existe des déséquilibres silice-silicate indispensables à préciser. Les géologues, pour expliquer les silicifications, se sont saisis que la silice des eaux naturelles est à l’état colloïdale : ils en ont déduit que les silicifications sont les produits de la floculation de la silice colloïdale naturelle. Les géologues des années 1898 jusqu’en 1924, ont considéré que la silice des eaux naturelles, était colloïdale. Au contraire, les chimistes ont évolué d’une autre manière, grâce aux travaux expérimentaux. Déjà par la méthode pondérale, Harman (1925, 1926, 1927) [2] avait démontré les erreurs fondamentales du travail initial des années 1898 jusqu’en 1924. De même Charlot (1941) [5] a pu établir une courbe de solubilité de la silice dans l’eau en fonction du pH par la méthode gravimétrique. Aujourd’hui, on utilise la méthode colorimétrique.
Solubilité de la silice
Ce sont des travaux parallèles des chercheurs américains et japonais qui fournissent notre documentation actuelle sur la solubilité de la silice : Correns [3], Krauskoff (1956) [4]. Charlot [5], Okamoto [6], Wey et Siffert [7], Alexander (1953) [39], Iler (1955) .
❖ Solubilité de la silice amorphe :
Selon Krauskoff (1956,1959) [4] la solubilité de la silice est régie par les lois de polymérisation et de dépolymérisation. Tant que la teneur en silice dans l’eau est inférieure à 100-140ppm (partie par million : mgl-1) à 25°C, elle se trouve dispersée, à l’équilibre, sous forme de monomolécules acides monosiliciques Si(OH)4. Cette solubilité de la silice dans l’eau est pratiquement indépendante du pH que celui-ci reste inférieur à pH = 9. Au-delà de 9 l’acide monosilicique Si (OH)4 se dissocie et la solubilité de le silice augmente : Figure : SiO2 = f (pH). Solubilité de la silice en fonction du pH d’après Krauskoff (1956, 1959) [4]. Si la teneur totale de la silice dans l’eau dépasse de 140 ppm (à 25°C et à pH inférieur à 9) on trouvera l’excès de la silice sous forme de molécules condensées ou polymères à côté des monomères de Si(OH)4. La présence de ces polymères caractérise les solutions colloïdales de la silice. Le mécanisme est réversible : si les solutions se dilatent et que la teneur totale en silice tombe au-dessus de 120ppm, la dépolymérisation mène à une solution vraie : la solution amorphe est dissoute. Tout ceci concerne les solutions en équilibre et il faut insister sur le fait que ces équilibres s’établissent lentement. Une solution fraîche peut être dépourvue de polymères et présente une teneur en silice monomère supérieure à 140 ppm.
Solubilité des autres formes de la silice
La solubilité des autres formes de la silice est faible, bien que les mesures soient encore peu nombreuses (Krauskoff 1953) [4]. Cependant le gel de silice partiellement déshydraté a la même solubilité que la silice amorphe. Pour le quartz, les mesures sont extrêmement difficiles, à cause de la lenteur avec laquelle l’équilibre s’établit et la nécessité d’éviter les impuretés et en particulier l’aluminium. Les mesures réalisées et les calculs thermodynamiques indiquent une solubilité de 7 à 14 ppm à 25°C. On peut supposer que les solubilités sont variables avec la structure et le degré de cristallisation des formes naturelles de la silice, mais l’essentiel est qu’elles sont très inférieures à la solubilité de la silice amorphe.
Solubilité de l’alumine hydratée : Al(OH)3
L’alumine hydratée Al(OH)3 est un hydroxyde amphotère. Elle est soluble en milieu acide, en donnant naissance à des cations Al3+. Mais elle est également soluble en milieu alcalin sous forme AlO3H2- . Les valeurs de pH pour lesquelles coexistent Al3+ avec Al(OH)3 d’une part, et Al(OH)3 avec AlO3H2- d’autre part, peuvent être calculées, connaissant le produit de solubilité de l’alumine en équilibre, soit avec l’anion (Correns [3]). La figure 1-5 reproduit la variation de ces pH de dissolution en fonction de la concentration ionique. La partie ponctuée représente le domaine d’insolubilité de l’hydroxyde, lorsque son degré d’organisation est faible : alumine amorphe, pseudoboemite. Le domaine d’insolubilité s’élargit vers les grandes valeurs de pH.
Les différentes places de formation des argiles
Les argiles peuvent se former dans chacune des étapes suivantes : altération, transport, sédimentation, diagenèse, métamorphisme, et genèse des roches cristallines.
➢ Les argiles des altérations et des sols
La zone des altérations et des sols est un des lieux de naissance des argiles
-Naissance par fragmentation, là où les altérations, même intenses, ont un caractère surtout mécanique ou physique. C’est l’altération directe des roches mères constitutives des continents ; elle engendre des argiles héritées.
-Naissance par pédogenèse, là où s’établissent de véritables sols. C’est ici que se mêlent les argiles héritées des roches mères, ou transformées, ou néoformées dans le sol lui même.
➢ Les argiles sédimentaires détritiques
Après transport, la fraction fine est envoyée au bassin de sédimentation. Elle s’installe dans les séries sédimentaires avec possibilité d’alternance. Ces argiles détritiques sont issues, soit de l’érosion directe des roches du continent, soit du remaniement des sols, avec tous les intermédiaires et les mélanges possibles. Ici l’héritage domine.
➢ Les argiles sédimentaires transformées
Les argiles menées aux bassins de sédimentation dans les deux cas précédents, peuvent être l’objet de divers triages, ce qui est évident, mais aussi de modifications physico-chimiques, ce qui est difficile à démonter. Ces modifications, souvent tenues, mais importantes du point de vue géochimique, seront appelées ici les transformations physico-chimiques d’un matériel hérité : nous parlerons d’argiles transformées au cours de la sédimentation.
➢ Les argiles sédimentaires néoformées
Dans les étapes proprement chimiques des séries sédimentaires, les néoformations chimiques ou biochimiques sont la règle : carbonate, silex, phosphates, etc…Il existe aussi des néoformations de silicates et, en particulier, d’argiles. Les minéraux argileux dans ce cas s’édifient de toutes pièces, comme les autres minéraux d’origine chimique, à partir des produits dissous dans l’eau. Ici l’héritage est nul ou faible, et la néoformation domine. Nous parlerons d’argile néoformée.
➢ Les argiles de la diagenèse
D’après leur dépôt, les sédiments ne cessent pas leur évolution. Diagenèses précoces, diagenèses tardives, interviennent. Les argiles n’y sont pas insensibles et nous pourront saisir certain cas de telles évolutions. Nous parlerons d’argiles diagenèses. Telles sont les places principales occupées par les argiles dans les quatre premières étapes du cycle géochimique (suite d’évolutions au cours des étapes : altération, transport, sédimentation, diagenèse, métamorphisme et genèse des roches cristallines), avant qu’elles ne s’évanouissent par métamorphisme. Il existe des argiles d’origine pédologique. Ces deux sortes de matériaux peuvent être transportés dans les bassins de sédimentation, s’y disposer sans modification ou avec transformation. Une nouvelle génération peut survenir dans les dépôts par néoformation. Et le tout peut évoluer de diverses façons par diagenèse. Ce schéma est fondamental et nécessaire comme toile de fond pour l’inventaire des produits argileux naturels de la surface de l’écorce terrestre.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre 1-ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES
1-1- Solubilité de la silice et de l’alumine hydratée
1-1-1 Historique
1-1-2 Solubilité de la silice
1-1-3 Solubilité de l’Alumine hydratée Al(OH)3
1-1-4 Comparaison de la solubilité de la silice et de l’Alumine
1-2- Les différentes places de formation des argiles
1-3-Altération latéritique
1-4-Comportement des ions dans l’eau
1-5-Hydrolyse des silicates
1-6-La genèse des argiles
1-6-1 L’héritage
1-6-2 Les transformations
1-7- Résultats d’études sur la valorisation des latérites à l’ESPA
1-7-1 définition de la latérite
1-7-2 Quelques échantillons
1-7-3 Etudes aux Rayons X
1-7-4 Etudes pondérales
1-7-5 Etudes chimiques
1-7-5-1 Traitement des échantillons
1-7-5-2 Dosage du fer et de l’alumine
1-7-6 Etude de la partie résiduelle après attaque chimique
1-7-6-1 Analyse chimique
1-7-6-2 Valorisation chimique de la latérite
1-7-6-3 Récupération de la kaolinite
1-7-6-4 Valorisation de la kaolinite
1-8- Les procédés modernes d’analyse des latérites
1-8-1 Le microscope électronique
1-8-1-1 Principe du microscope électronique
1-8-1-2 Technique
1-8-1-3 Appareil et formation des images
1-8-2 La spectroscopie Infra-rouge : IR
1-8-2-1 Principe
1-8-2-2 Préparation des échantillons
1-8-2-3 Dépouillement des spectres
1-8-3 Résonance ¨Paramagnétique Electronique : RPE
1-8-4- Radiocristallographie
1-8-4-1 Nature des rayons X
1-8-4-2 Source des rayons X
1-8-4-3 Spectre de rayonnement d’un tube de rayons X
1-8-4-4 Action de rayons X sur la matière
1-8-4-5 Condition générale de diffraction de rayons X
Chapitre 2-TRAVAUX SUR TERRAIN ET DE LABORATOIRE
2-1 Les échantillons d’Argile et leurs caractéristiques
2-1-1Dénomination : ITA, ANO, ANA, SAB, ILA
2-1-2 Propriétés physiques
Analyse granulométrique
Composition granulométrique
Teneur en eau We et Retrait
Caractéristiques géotechniques : LP, LL, Ip
2-1-3 Propriétés chimiques
Diffractogramme RX
Spectre IR
Composition chimique
Composition minéralogique
2-1-4 Analyses thermiques
Analyse thermique pondérale : ATP
Analyse thermique différentielle : ATD
2-2 Echantillons de latérite
2-2-1 Dénomination
2-2-2 Propriétés physiques
Courbes granulométriques
Composition granulométrique
Caractéristiques géotechniques ; LL, LP, Ip
Teneur en eau et retrait
2-2-3 Propriétés chimiques
Composition chimique
Composition minéralogique
Diffractogrammes RX
Spectres IR
2-2-4 Analyses thermiques
Analyse thermique pondérale : ATP
Analyse thermique différentielle : ATD
2-3 Les procédés de séparation d’argile de latérite
2-3-1 Latérite
2-3-2 Méthode rizière : ARI
2-3-3 Terres volcaniques
2-4 Les résultats obtenus
Caractéristiques géotechniques : LL, LP, IP
Teneur en eau et retrait
Courbes granulométriques
Composition granulométrique
Composition chimique
Composition minéralogique
Diffractogramme RX
Spectre IR
Courbes thermiques : ATP, ATD
2-5 Comparaison des argiles
2-5-1 Retraits
2-5-2 Composition granulométrique
2-5-3 Caractéristique géotechniques
2-5-4 Composition chimique
2-5-5 Composition minéralogique
2-5-6 Courbes thermiques : ATP, ATD
2-6 Produits des matériaux sur terrain
Préparation des pâtes
Broyage
Façonnage
Séchage
Cuisson
Caractéristiques du four et courbe de cuisson
2-7 Comparaison des caractéristiques des produits obtenus
2-8 Discussions et interprétation sur la formation des argiles
2-8-1 Effet de la température
2-8-2 Effet de l’humidité
2-8-3 Effet chimique
2-8-4 Effet biologique
2-8-5 Organigrammes de formation des argiles
a- Mécanisme de formation d’argile par action de l’eau
b- Transport des particules
c- Lessivage d’un profil latéritique
d- Drainage d’un sol latéritique
e- Action simultanée de l’eau et de la température
f- Etape de transformation de la latérite
g- Formation des minéraux argileux à partir des silicates des latérites
Chapitre 3-METHODES EXPERIMENTALES D’ANALYSE MINERALOGIQUE ET COMPARAISON DES RESULTATS
CONCLUSION
