La complexation du bore par des acides organiques dissous, un acide humique floculé, et des oxydes métalliques (goethite et birnessite) a été caractérisé expérimentalement par potentiométrie, mesure des taux d'adsorption, spectroscopie infrarouge et RMN de 11B, tandis que les fractionnements isotopiques du bore associés ont été mesurés par spectrométrie de masse à source solide. Il ressort de cette étude que le bore est fortement complexé par les composés étudiés et que l'isotope léger (10B) est généralement (sauf dans le cas de la birnessite) préférentiellement adsorbé sur les surfaces solides entraînant un enrichissement en isotope lourd (11B) des eaux superficielles. La modélisation de l'adsorption et du fractionnement isotopique du bore révèle le rôle prépondérant de la structure surfacique du<br />bore sur les valeurs des facteurs de fractionnement isotopique. Ce travail montre que l'interaction du bore avec les sols lors de l'altération peut influencer fortement la composition isotopique des eaux de surface et des océans.

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Abiotic transformation of compounds in the natural environment by metal oxides plays a significant a role in contaminant fate and behavior in soil. The ability of birnessite, ferrihydrite and green rust to abiotically transform insensitive munitions compounds (IMCs) parent (2,4 dinitroanisole [DNAN] and 3-nitro-1,2,4-triazol-5-one [NTO]), and daughter products (2-methoxy-5-nitro aniline [MENA], 2,4-diaminoanisole [DAAN]of DNAN; and 5-amino-1, 2, 4-triazol-3-one [ATO] of NTO) was studied in batch reactors under strictly controlled pH and ionic strength. The objectives of the study were to (i) assess the abiotic transformation potential of soluble DNAN, MENA, DAAN, NTO and ATO by birnessite, ferrihydrite and green rust, and (ii) identify inorganic reaction products. The study was carried out at metal oxide solid to IMC solution ratios (SSR) of 0.15, 1.5 and 15 g kg⁻¹ for birnessite and ferrihydrite and 10 g kg⁻¹ for green rust. Aqueous samples were collected at time intervals between 0 to 3 days after the reaction initiation and analyzed using HPLC with UV detection. Results indicated that DNAN was resistant to oxidation by birnessite and ferrihydrite at given solid to solution ratios. MENA was susceptible to rapid oxidation by birnessite (first order rate constant, 𝑘=1.36 h⁻¹ at 15 g kg⁻¹ SSR). The nitro groups from MENA largely mineralized to nitrite (NO₂⁻). In contrast, ferrihydrite did not oxidize MENA. DAAN was susceptible to oxidation by both birnessite and ferrihydrite, but about a six times higher oxidation rate was observed with birnessite (𝑘=1.18 h⁻¹) as compared to ferrihydrite (𝑘=0.22 h⁻¹) at an SSR of 1.5 g kg⁻¹. There was a complete loss of DAAN from solution after 5 min with birnessite at an SSR 15 g kg⁻¹ (𝑘≥90.5 h⁻¹). CO₂ evolution experiments indicate mineralization of 15 and 12 % of carbon associated with MENA and DAAN, respectively; under aerobic conditions with birnessite at an SSR of 15 g kg⁻¹. NTO was resistant to oxidation by birnessite and ferrihydrite at any SSR; however, there was slight initial loss from solution upon reaction with ferrihydrite at 0.15 and 1.5 g kg⁻¹ SSR and complete loss at 15 g kg⁻¹ SSR due to adsorption. ATO was susceptible to oxidation by birnessite and sorption by ferrihydrite. The first order rate constants (𝑘) for ATO with birnessite at 0.15 and 1.5 g kg⁻¹ SSR are 0.04 and 3.03 h⁻¹ respectively. There was complete loss of ATO from solution with birnessite at 15 g kg⁻¹ SSR (𝑘 ≥ 90.2 h⁻¹) within 5 min of reaction. Transformation products analysis revealed urea, CO₂ and N₂ as major reaction products with 44 % urea recovery and recovery of 51.5 % of ATO carbon as CO₂ and 47.8 % of ATO nitrogen as N₂ at 15 g kg⁻¹ SSR. The oxidation of ATO in the presence of birnessite was found to be independent of dissolved O₂. The results indicate that ATO, the major reductive (bio)transformation product of NTO, is readily oxidized by birnessite in soil. NTO was found strongly sorbed to ferrihydrite as compared to that of ATO. The results of the green rust experiment indicate rapid abiotic reduction of parent compounds NTO and DNAN to their reduced aminated daughter products. NTO was generally reductively transformed to 5-amino-1, 2, 4-triazol-3-one (ATO) within 10 min and completely reacted in 20 min. DNAN was rapidly transformed to its reduced daughter products MENA and 4-methoxy-5-nitroaniline (iMENA). The reduction occurred with a distinctive, staggered regioselectivity. Over the first 10 min, the para-nitro group of DNAN was selectively reduced, generating iMENA. Thereafter the ortho-nitro group was preferentially reduced, generating MENA. Both iMENA and MENA were subsequently transformed to the final reduction product DAAN within 1 day. X-ray absorption near edge spectroscopy data suggested oxidative transformation of green rust to lepidocrocite-like mineral forms, accounting for 94 % of the mineral products in the case of NTO reaction as compared to 62 % in the case of DNAN. The results taken as whole suggest that complete abiotic transformation of IMCs could be achieved by coupled stepwise green rust and birnessite treatments.

La vernadite est un phyllomanganate nanocristallin présentant un empilement de feuillets turbostratique, c'est à dire des fautes d'empilement aléatoire systématiques entre deux feuillets successifs. La présence de lacunes foliaires et/ou de manganèse hétérovalent dans le feuillet induit un déficit de charge compensé par la présence de cations interfoliaires hydratés. Ces caractéristiques confèrent à la vernadite des propriétés d'adsorption et/ou un potentiel redox à l'origine de sa réactivité dans l'Environnement, où, en tant que phase ubiquiste, elle joue un rôle majeur pour le devenir de nombreux polluants organiques et métalliques. Malgré ce rôle, sa structure et celle de son analogue delta-MnO2 sont encore mal connues car leur désordre structural ne permet pas d'utiliser les techniques classiques d'affinement. Nous avons donc appliqué une approche spécifique, couplée à des méthodes chimiques et des mesures spectroscopiques (EXAFS et XANES), pour déterminer la structure d'échantillons de delta-MnO2 et de vernadites produites par des champignons ainsi que l'origine de leur réactivité. Nous avons également montré que la structure de delta-MnO2 évolue en fonction des conditions de pH et avec le temps, avec un impact fort sur sa réactivité. Nous avons enfin déterminé les mécanismes d'adsorption de métaux modèles (Ni et Zn) sur delta-MnO2. L'adsorption se fait majoritairement à l'aplomb de lacunes foliaires, les mécanismes d'asorption dépendant de la structure initiale de delat-MnO2 et du métal.

La birnessite est un oxyde de manganèse lamellaire dont les feuillets sont composés d'octaèdres MnO6. La présence dans ces feuillets de cations Mn hétérovalents ou de lacunes induit un déficit de charge compensé par la présence de cations hydratés dans l'espace interfoliaire. Les oxydes de manganèse jouent un rôle fondamental pour le devenir de nombreux polluants organiques ou métalliques dans l'environnement, mais la connaissance imparfaite de leur structure limite la modélisation de cet impact. Le but de ce travail était de recenser et de classifier les différentes variétés de birnessites obtenues selon deux critères pertinents (symétrie du feuillet et mode d'empilement) et de déterminer la structure de plusieurs variétés essentielles par diffraction des rayons X et des électrons. La birnessite hydrothermale est caractérisée par un feuillet lacunaire de symétrie hexagonale et un empilement rhomboédrique 3R. Dans l'empilement des feuillets de la birnessite haute-température, les octaèdres des feuillets successifs présentent une orientation inverse induisant un polytype à deux feuillets. La symétrie de ces feuillets, liée à l'origine du déficit de charge, dépend de la température de synthèse. A 800°C, le feuillet lacunaire possède une symétrie hexagonale (polytype 2H). A 1000°C, le déficit de charge est dû à la présence de Mn3+ dans le feuillet. L'allongement systématique de ces octaèdres selon l'axe a induit une symétrie orthogonale du feuillet (polytype 2O). Diverses hétérogénéités chimiques et structurales ont également été décrites dans ces échantillons, ainsi que l'occurrence originale d'un nouveau type de désordre structural. Nous avons enfin illustré le lien fondamental entre l'origine de la charge foliaire et la symétrie du feuillet, ainsi que l'influence des paramètres physico-chimiques lors de la synthèse (température, degré d'oxydation du manganèse, nature du cation) sur la structure du composé obtenu, et comparé leurs stabilités chimiques et thermiques.