Rare earth element (REE) mobility in the critical zone : probing the effects of structural changes on iron oxyhydroxide - REE interactions

Mobilité des terres rares (REE) dans la zone critique : sonder les effets des changements structuraux sur les interactions oxyhydroxides de fer - REE Les terres rares (REE) sont constituées d'éléments du groupe des lanthanides. Elles possèdent des propriétés qui les rendent indispensables pour diverses technologies. Au cours des dernières décennies, la demande et l'extraction des terres rares ont augmenté, ce qui suscite des inquiétudes quant à la présence et à la mobilité des terres rares dans l'environnement. Certaines concentrations les plus élevées se trouvent dans les drainages miniers acides (DMA). Les DMA sont très étudiés car ils contiennent également d'autres polluants métalliques. L'une des régions riches en DMA les plus étudiées est la ceinture ibérique de pyrite (IPB), du sud de l'Espagne et du Portugal. Bien que la variabilité saisonnière de la mobilité des REE dans l'IPB soit bien documentée, on s'attend, en raison du changement climatique, à une augmentation de la fréquence et de l'intensité des précipitations, et leur effet sur la mobilité des éléments est inconnu. Dans ce manuscrit, il est démontré qu'une augmentation des précipitations entraîne une diminution de l'impact de l'AMD sur la rivière qui la traverse, et que les REE rejetées dans la rivière sont presque entièrement associées à la phase particulaire et colloïdale. Un changement clair s'observe dans la répartition des REE, entre fortes et faibles précipitations. L'enrichissement en REE légères des sédiments en suspension (re)mobilisés masquant l'élimination préférentielle des terres rares lourdes par rapport aux REE légères lors du passage de l'AMD en cas de fortes précipitations. En plus de la campagne sur le terrain, la mobilité des REE et leur répartition dans la phase solide ont été étudiées en laboratoire. L'un des facteurs connus pour contrôler les REE dans l'environnement est l'adsorption sur les colloïdes inorganiques dont un représentant majeur est la ferrihydrite (Fh), un hydroxyde de fer mal cristallisé qui est presque omniprésent dans la nature. Les études sont généralement menées sur la Fh pure. Ce qui peut être un problème car la Fh contient fréquemment des substitutions de métaux dans les environnements naturels. Par conséquent, l'effet des substitutions sur les caractéristiques de la Fh et sa capacité à adsorber les REE a été étudié ici. Une série de Fh contenant des quantités variables d'aluminium (Al) et de gallium (Ga) substitués, ont été synthétisés. Sur ces (oxy)hydroxydes ont été adsorbés des REE à pH variable pour déterminer les différences d'adsorption totale et le diagramme de distribution des REE pour une gamme de pH allant de 3 à 7. Des expériences d'adsorption avec le néodyme (Nd) ont également été réalisées pour examiner la complexation des REE à la surface de l'(oxy)hydroxide. De même, des expériences d'adsorption du cérium (Ce) ont été conduites afin de déterminer si les substitutions affectent l'anomalie du Ce, dont on pense qu'elle provient de la sorption préférentielle de Ce⁴⁺ par rapport à Ce³⁺. L'adsorption du Nd a révélé que les REE forment des complexes mononucléaires bidentés (BM) et binucléaires bidentés (BB) sur tous les (oxy)hydroxydes. Sont observées également, une diminution de la formation de sites de complexation BM avec la substitution par le Ga, et une diminution de la formation des sites BM et BB avec la substitution par l'Al, reliée au fait que cette dernière modifie la forme des particules de Fh. Les diagrammes de distribution des REE sont également affectés par la substitution par l'Al : un enrichissement en terres rares lourdes est observé avec l'augmentation de la teneur en Al. Ce changement est lié à la réduction des distances interatomiques causée par la présence d'Al dans la structure de la Fh, favorisant l'adsorption des REE lourdes ayant le rayon ionique le plus petit. Enfin, les expériences d'adsorption du Ce montrent la sorption de Ce⁴⁺ et de Ce³⁺ formant des complexes BB et BM, mais aucune sorption préférentielle de l'une ou l'autre de ces espèces n'est observée.