Détermination de la spéciation du samarium dans l'environnement

Abstract

Les éléments de terres rares (REEs) sont de plus en plus utilisés dans une multitude d’applications, notamment la fabrication d’aimants, de batteries rechargeables et les écrans de téléviseurs. Ils sont pour la plupart des métaux trivalents peu solubles dans les eaux naturelles. Comme pour les métaux divalents, le risque écologique des REEs est très probablement étroitement lié à leurs spéciations chimiques. Cependant, le comportement du samarium (Sm) dans les matrices environnementales est très peu connu et il n'existe actuellement aucune technique pour évaluer sa spéciation chimique. Dans cette optique, la technique d'échange d'ions (IET) sur la résine Dowex a été optimisée pour mesurer le samarium libre en solution. Les temps d'équilibre ont d'abord été déterminés pour des solutions tamponnées de samarium (Sm 6,7x10-8 M ; MES 1,0 mM M ; pH 6,0) en présence du nitrate de sodium (de 0,01M à 0,5 M). Pour ces diverses forces ioniques, l’équilibre thermodynamique n’est atteint que pour NaNO3 0,5M. Un autre mode d’utilisation de la résine (mode dynamique) a donc été développé pour tenir compte des conditions environnementales et évaluer efficacement le samarium libre. Les impacts des ligands organiques tels le NTA, l’EDTA, le citrate, l’acide malique et l’acide fulvique Suwannee River Standard I (SRFA) ont été étudiés par l’IET en mode dynamique. Une grande corrélation a été trouvée plus entre les taux d’accumulation de samarium sur la résine d’échange pour différents rapports NTA : Sm, EDTA : Sm, SRFA : Sm et le samarium libre. Par contre, aucune corrélation significative n’a été observée pour les ligands citrate et acide malique compte tenu des complexes qu’ils forment avec le samarium et qui s’adsorbent aussi sur la résine Dowex. Les concentrations Sm3+ mesurées par la technique IET ont été fortement corrélées avec celles prédites par le modèle WHAM 7.0 en utilisant la constante de stabilité obtenue par titration de SRFA par extinction de la fluorescence. Par ailleurs, la formation de colloïdes de samarium en fonction du pH influe grandement sur la détermination du samarium libre et doit être prise en compte dans la spéciation du samarium. L'IET assisté par des techniques auxiliaires comme le dosage par extinction de la fluorescence et le SP-ICPMS pourrait être une technique utile pour évaluer les concentrations de Sm biodisponible dans les eaux naturelles.

Samarium is present in several high technology products such as magnets, lasers, etc., however little is known about to what extent it can pollute environmental matrices. For divalent metals such as Cd, Cu and Ni, toxicity has often been closely correlated with the free ion concentration. Unfortunately, there are currently no techniques available for evaluating the speciation of samarium in environmental matrices. In this study, an economical and easy to use ion exchange technique (IET) using a resin has been studied for use in measuring free samarium. In order to optimize the IET for free samarium determinations, equilibrium times were first determined for pH buffered solutions of samarium (6.7x10 8 M Sm, 1.0 mM MES, pH 6.0) in the presence of different concentrations of sodium nitrate (NaNO3: 0.01 M to 0.5 M). Equilibrium was only attained for the highest concentration of NaNO3. Therefore, another technique using dynamic measurements on the Dowex resin was developed. Thus, the impacts of different organic ligands such as EDTA, citrate, malic acid and Suwannee River fulvic acid Standard I (SRFA) have been investigated using IET in dynamic mode. The calibration of the technique using different concentrations of NTA, EDTA, citrate, malic acid and fulvic acid (SRFA) allowed the determination of accumulation rates. Strong correlations were found between accumulation rates and the free samarium when using EDTA and NTA to control free samarium. The correlation was very low in case of citrate and malic acid suggesting that their complexes with samarium were adsorbed on the resin. Finally, fluorescence quenching titrations (FQT) and SP-ICPMS were used to determine samarium speciation. The free samarium determined by IET is strongly correlated to that calculated by WHAM 7.0 using the stability constant from FQT and that from Sonke (2006). However, the free Sm resulted from IEC-SP-ICPMS technique has been overestimated once compared to that found using VMinteQ or WHAM 7.0 models. The Sm particulates determined by SP-ICPMS have demonstrated that pH has a great influence on Sm exchange on resin and has to be considered while measuring free samarium. Thus, the IET should be associated to other techniques such as fluorescence quenching titration and SP-ICPMS for evaluating the bioavailable Sm concentrations in natural waters.