Development of an artificial phytoremediation technology for soils contaminated by toxic metals

Oropeza Garcia, Norma Angélica (2013). Development of an artificial phytoremediation technology for soils contaminated by toxic metals. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Globally, contamination of soil and groundwater by toxic metals (Pb, As, Cr, Ni, Zn, etc.) are becoming increasingly problematic for both ecosystems and human health. Currently, phytoextraction and phytoaccumulation are studied for the decontamination of metals because they offer a treatment option at low cost. From a biomimetic approach, the general objective of this work is to propose, at a conceptual level, a new technology based on physical-chemical mechanisms of transport of contaminants by plants.

In order to fulfill these objectives, an experimental arrangement was constructed in the laboratory to test some materials and operating factors. The seven metals studied and analyzed by ICP-MS were aluminum, arsenic, cadmium, chromium, nickel, lead and zinc. A cellulosic fibre (M1) and a polyester-polyamide (M2) were used as capillary means of transport due to the fact that they have a diameter similar to that of xylem vessels on the transport system of vascular plants. On the basis of a negative pressure gradient of 0.02 MPa⋅m-1, reported for vascular plants, the studied pressures were 0.011, 0.022, 0.045, 0.090 and 0.18 MPa⋅m-1, while the pH solutions were studied at 4 and 8.

The results show that the highest metal ion transport was obtained at pH 4, in ascending order: Cr <Pb = Al <As <Ni <Zn <Cd to M1 and Cr <Pb = Al = As <Ni = Zn = Cd to M2. Differences on ion transport between M1 and M2, expressed as the percentage of transported ion, are attributed to the chemical composition of the materials, due to unequal amount of active sites on the surface of each material, as well as to the effect of pH on the ions in solution. Under negative pressure, the materials showed similar behaviour to that of membranes, thus, the solution rate of flow (mL⋅h-1) increases with the pressure while the concentration of metal ions (mg⋅L-1) exhibited no significant variation. In addition, a transport coefficient (TCHM), in function of the metal and the material, was obtained. A value of TCHM=1 means that there are no interactions between the metal ion and the material and, at the same time, this value will place the material at the level of a plant species identified as hyperaccumulator; the indicator is useful to assess indirectly the concentration of metal in the soil.

By integrating the laboratory results in a simplified conceptual model, the principles of the artificial phytoremediation technology were highlighted. This technology should be the basis for the development of a new family of technologies that can help reduce some negative impacts caused by the traditional methods of soils decontamination.

Titre traduit

Développement d'une technologie artificielle de phytoremédiation de sols contaminés par des métaux toxiques

Résumé traduit

À l’échelle mondiale, la contamination des sols et la pollution des eaux souterraines par les métaux toxiques (Pb, As, Cr, Ni, Zn, etc.) sont de plus en plus problématiques tant pour les écosystèmes que pour la santé humaine. Actuellement, la phytoextraction et la phytoaccumulation sont étudiées pour la décontamination des métaux, car elles offrent une option de traitement à faible coût. À partir d'une approche biomimétique, l'objectif général de ce travail est de proposer, au niveau conceptuel, une nouvelle technologie physico-chimique basée sur les mécanismes de transport de contaminants par les plantes.

Afin d’atteindre ces objectifs, un montage expérimental a été construit en laboratoire permettant de tester certains matériaux et les facteurs de fonctionnement. Les sept métaux étudiés et analysés par ICP-MS ont été l’aluminium, l’arsenic, le cadmium, le chrome, le nickel, le plomb et le zinc. Une fibre cellulosique (M1) et une autre de polyester-polyamide (M2) ont été utilisées comme moyens capillaires, car ils possèdent un diamètre similaire aux vaisseaux du xylème, système de transport des plantes vasculaires. Sur la base d'un gradient de pression négative de 0.02 MPa⋅m-1, rapporté pour le système vasculaire des plantes, les pressions négatives étudiées ont été 0.011, 0.022, 0.045, 0.090 et 0.18 MPa⋅m-1, tandis que les pH des solutions ont été de 4 et 8.

Les résultats montrent que le plus haut transport d’ions métalliques a été obtenu à pH 4, en l'ordre croissant : Cr<Pb=Al<As<Ni<Zn<Cd pour M1 et Cr <Pb =Al =As<Ni=Zn=Cd pour M2. Les différences dans le transport des ions entre M1 et M2, et exprimées en pourcentage de l’ion transporté, sont attribuées à la composition chimique des matériaux, en raison des quantités inégales de sites actifs sur la surface de chaque matériau, ainsi qu’à l'effet du pH sur les ions en solution. Sous des pressions négatives, les matériaux se comportent comme des membranes. Ainsi, le débit de solution (mL⋅h-1) augmente avec la pression et la concentration des ions métalliques (mg⋅L-1) ne montre pas de changements significatifs. De plus, un coefficient de transport (TCHM), dépendant du métal et du matériau, a été obtenu. Une valeur de TCHM=1 signifie qu’il n’y a pas d’interactions entre l’ion métallique et le matériau et place le matériau au niveau d’une espèce végétale hyperaccumulatrice; l’indicateur est utile pour évaluer indirectement la concentration de métal dans le sol.

En intégrant les résultats obtenus en laboratoire à un modèle conceptuel simplifié, les principes d’une technologie artificielle de phytoremédiation ont été mis en évidence. Cette technologie doit être la base pour le développement d'une nouvelle famille de technologies qui peuvent aider à réduire certains impacts négatifs sur les sols causés par les méthodes traditionnelles de décontamination.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement [i.e. fulfillment] of the requirements for the degree of doctor of philosophy" Bibliographie : pages 121-134.
Mots-clés libres:	Phytorestauration. Sites contaminés. Sols Effets des métaux lourds sur. Plantes hyperaccumulatrices. capillaire, transport, sol solution
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Hausler, Robert
Codirecteur:	Codirecteur Glaus, Mathias
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	12 nov. 2013 16:40
Dernière modification:	21 août 2023 15:08
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1213

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