Thallium

Thallium
Thallium dans une ampoule.
Mercure ← Thallium → Plomb In     81 Tl                                                                                                                                                                                                                                                                                           ↑ Tl ↓ Nh Tableau complet • Tableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole	Tl
Nom	Thallium
Numéro atomique	81
Groupe	13
Période	6e période
Bloc	Bloc p
Famille d'éléments	Métal pauvre
Configuration électronique	[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p1
Électrons par niveau d’énergie	2, 8, 18, 32, 18, 3
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique	204,383 3 ± 0,000 2 u
Rayon atomique (calc)	190 pm (156 pm)
Rayon de covalence	145 ± 7 pm
Rayon de van der Waals	196 pm
État d’oxydation	3,1
Électronégativité (Pauling)	1,62
Oxyde	basique
Énergies d’ionisation
1re : 6,108 194 eV	2e : 20,428 3 eV
3e : 29,83 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD MeV 203Tl 29,524 % stable avec 122 neutrons 204Tl {syn.} 3,78 ans β- ε 0.764 0.347 204Pb 204Hg 205Tl 70,476 % stable avec 124 neutrons
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire	solide
Masse volumique	11,85 g·cm-3 (20 °C)
Système cristallin	Hexagonal compact
Dureté (Mohs)	1,2
Couleur	Blanc-gris
Point de fusion	304 °C
Point d’ébullition	1 473 °C, 1 456,9 °C
Énergie de fusion	4,142 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation	164,1 kJ·mol-1
Volume molaire	17,22×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur	3,805×10-6 Pa à 577 K
Vitesse du son	818 m·s-1 à 20 °C
Chaleur massique	129 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique	6,17×106 S·m-1
Conductivité thermique	46,1 W·m-1·K-1
Solubilité	sol. dans H2SO4 concentré chaud
Divers
No CAS	7440-28-0
No ECHA	100.028.307
No CE	231-138-1
Précautions
SGH
État pulvérulent : Danger H300, H330, H373, H413, P260, P264, P284, P310 et P301+P310 H300 : Mortel en cas d'ingestion H330 : Mortel par inhalation H373 : Risque présumé d'effets graves pour les organes (indiquer tous les organes affectés, s'ils sont connus) à la suite d'expositions répétées ou d'une exposition prolongée (indiquer la voie d'exposition s'il est formellement prouvé qu'aucune autre voie d'exposition ne conduit au même danger) H413 : Peut entraîner des effets néfastes à long terme pour les organismes aquatiques P260 : Ne pas respirer les poussières/fumées/gaz/brouillards/vapeurs/aérosols. P264 : Se laver … soigneusement après manipulation. P284 : Porter un équipement de protection respiratoire. P310 : Appeler immédiatement un CENTRE ANTIPOISON ou un médecin. P301+P310 : En cas d'ingestion : appeler immédiatement un CENTRE ANTIPOISON ou un médecin.
SIMDUT
Produit non classé La classification de ce produit n'a pas encore été validée par le Service du répertoire toxicologique Divulgation à 1,0% selon la liste de divulgation des ingrédients
Transport
60    3288    Code Kemler : 60 : matière toxique ou présentant un degré mineur de toxicité Numéro ONU : 3288 : SOLIDE INORGANIQUE TOXIQUE, N.S.A. Classe : 6.1 Étiquette : 6.1 : Matières toxiques Emballage : Groupe d'emballage II : matières moyennement dangereuses ;
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le thallium (symbole chimique : Tl) est un métal malléable (qu'on coupe facilement au couteau) et hautement toxique (plus toxique que le mercure et le plomb ou le cadmium). Dans la nature, il est surtout présent sous forme de sulfures et de silicates acides dans certaines roches volcaniques et minerais sulfurés d'autres métaux (Fe, Pb et Zn...). Après altération de la roche-mère en contenant, sous forme en tant que cation monovalent, il devient assez mobile et très biodisponible dans l'eau, les sols, les sédiments et les argiles souterraines. Autrefois, essentiellement piégé dans les roches profondes, il était rare dans la biosphère. Mais depuis le début de l'ère industrielle, il est largement émis et dispersé dans l'environnement par l'Homme. Ceci en fait un polluant émergeant, persistant et devenu préoccupant à échelle mondiale dans l'eau, l'air, les sols, les écosystèmes et dans nos aliments (fruits, légume et produits d'origine animale).

C'est l'élément chimique de numéro atomique 81, de symbole Tl. Il appartient au groupe 13 du tableau périodique ainsi qu'à la famille des métaux pauvres ; il est principalement présent sous forme de Tl(I) et Tl(III).

Plusieurs de ses sels (acétates et nitrates notamment) sont très solubles dans l'eau et bioaccumulables. Ils sont également très réactifs lorsqu'ils sont exposés à l'humidité de l’air ou du sol, libérant alors — dans des conditions ambiantes — des ions thallium, pour certains extrêmement toxiques (ion thalleux monovalent ou thallium(I) ou Tl(I), ou Tl+). C'est pourquoi le thallium est maintenant classé « polluant prioritaire » dans un nombre croissant de pays, et notamment par l'Environmental Protection Agency (EPA, États-Unis) et la directive-cadre européenne sur l'eau. En raison de sa toxicité et de son augmentation dans l'eau, les sols et les aliments, des scientifiques appellent à urgemment et strictement renforcer le monitoring de ce métal dans l'environnement et la chaine alimentaire.

Histoire

Le thallium a été découvert par le chimiste anglais William Crookes en mars 1861 en Angleterre. Celui-ci recherchait, au moyen de la spectroscopie, du tellure dans des dépôts prélevés dans les conduits d'évacuation des fumées d'un four où du minerai de sélénium (pyrite sélinifère) avait été grillé. Le spectroscope de Crookes révèle alors une ligne verte jusque-là inconnue (535,0 m mu), que le chimiste a attribuée à un nouvel élément. Cette couleur évoquant celle d'une jeune végétation, il nomme cet élément « thallium » (qui en latin scientifique, provient du grec θαλλός thallos « bourgeon » ou brindille en herbe ; le même étymon ayant donné en français le mot thalle) et le classe d'abord dans le groupe du soufre 3.

En 1862 et 1863, les propriétés physicochimiques de ce thallium sont étudiées par Crookes ainsi que par un autre chimiste : Claude-Auguste Lamy. Ce dernier est le premier à isoler, en 1862 à Lille, 14 grammes de thallium métallique, à partir de boues de chambres de plomb d'une usine belge produisant de l'acide sulfurique. Lamy prouve aussi qu'il s'agit d'un métal.
En étudiant ce produit, Lamy ressent une faiblesse et des douleurs dans les jambes. Ceci le conduit à tester la toxicité du sulfate de thallium. Pour cela il en fait ingérer par des chiens, des canards et des poules qui en meurent tous après quelques jours, après après des troubles intestinaux et respiratoires, une paralysies périphériques et une faiblesse générale.
De son côté Crookes met en doute la toxicité du thallium, affirmant avoir ingéré plusieurs grains d'un composé de thallium (quel composé ?) sans en souffrir. Mais en France, deux autres chercheurs : Paulet en France en 1863 puis Louis Grandeau confirmeront la toxicité du Thallium, qui s'est montrée dans leurs expériences plus élevée même que celle du plomb.

Au XX^e siècle, il a surtout été utilisé comme poison et pesticide, puis de plus en plus par les technologies de pointe.

Caractéristiques notables

Morceaux de thallium dans une ampoule.

C'est un métal gris, malléable, très tendre (se coupe au couteau) qui ressemble à l'étain et au plomb et se ternit comme lui lorsqu'il est exposé à l'air.

Caractéristiques physiques

• Corrélation pour la masse volumique du liquide est donnée dans la référence ;
• Des équations d'état relatives aux propriétés sur la courbe de pression de vapeur saturante sont données dans la référence^{[réf. souhaitée]} ;
• Des équations d'état décrivant la viscosité dynamique du liquide et du gaz sont données dans la référence^{[réf. souhaitée]} ;
• L'équation d'état décrivant le coefficient d'auto-diffusion du liquide le long de l'isobare atmosphérique est donnée dans la référence^{[réf. souhaitée]}.

Le potentiel d’oxydation pour la réaction Tl(I) à Tl(III) est très faible (−1,28 V), et les halogénures Tl(I) ont une énergie de réseau beaucoup plus élevée que les halogénures Tl(III) (Lin et Nriagu 2011).

Solubilité : elle varie selon ses sels : l'acétate de thallium (jaune clair à blanc) est très soluble dans l'eau, même froide, alors que sous forme de chlorure ou d'iodure ou d'hydroxyde, il est peu ou pas soluble.

Isotopes

Le thallium a 37 isotopes connus, de nombre de masse variant entre 176 et 212, et 42 isomères nucléaires. Parmi eux, seuls deux, ²⁰³Tl et ²⁰⁵Tl, sont stables et constituent la totalité du thallium naturel (si l'on excepte les traces de radioisotopes naturels à faible durée de vie, issus des chaînes de désintégration des isotopes de l'uranium et des isotopes du thorium), dans un ratio 30/70. La masse atomique standard attribuée au thallium est de 204,383 3(2) u.

Les isotopes stables du thallium (Tl) (²⁰⁵Tl et ²⁰³Tl) peuvent être utilisé pour identifier l'origine d'une pollution ; la concentration de Tl et son fractionnement isotopique ont été étudiés, mais la compositions isotopiques du thallium (son « empreinte digitale ») dépend aussi des processus du sol (ex. : les oxydes de Mn(III,IV) spécifiques (principalement la birnessite), en raison de leur capacité potentielle de sorption oxydative de Tl, c'est-à-dire, indiquant que les réactions redox Tl sont un facteur de contrôle critique du fractionnement des isotopes stables de Tl dans les sols et sédiments). Les plantes de la famille Brassica sont hyperaccumulatrices de Tl, et on constate chez elle un fractionnement isotopique de Tl tout au long de la voie de translocation du sol vers le haut de la plante. « Jusqu'à présent, une tendance claire a été observée avec les compositions isotopiques de Tl chez les plantes cultivées sur des sols contaminés et celles cultivées sur des sols non contaminés, indiquant l'importance du milieu de culture sur l'absorption, la translocation et le fractionnement isotopique de Tl ».

Production

Production volontaire

Selon Breuer (1981), dans les années 1970, les pays producteurs étaient les États-Unis, la Russie, la Belgique et la République fédérale d'Allemagne, avec une production industrielle déclarée faible, de même que dans les années 1980 (pas plus de (20 t/an produite par an vers 1980 dans le monde selon Zartner-Nyilas et al. en 1983), quantité qui (selon les déclarations faites par les industriels aux autorités) serait tombée à 9 tonnes/an dans le monde en 2017 d'après un rapport publié en 2020 par Environnement et Changement climatique Canada et Santé Canada.
Son minerai est cependant classé minerai stratégique pour la Défense et l'économie.

Production comme déchet fatal dispersé dans l'air, l'eau et les sols

Outre les quelques centaines de tonnes volontairement produites depuis la découverte de ce métal, d'énormes quantité, croissantes, en sont rejetés chaque année dans l'environnement, où il s'accumule comme déchet fatal, et DTQD (déchets toxiques en quantités dispersées) (voir détails plus bas).

Utilisations

Le thallium a de nombreux usages :

• Industrie verrière : plusieurs de ses composés sont ou ont été utilisés pour conférer un indice de réfraction élevé au verre destiné à la fabrication de lentilles ou à la production de fausses pierres précieuses. Lié au soufre et à l'arsenic, le thallium peut aussi servir d'agent fondant (abaissant la température de fusion du verre à environ 150 °C). Il sert aussi dans la production de fibre de verre ;
• Métallurgie : ajouter du thallium à certains métaux augmente leur résistance (à la déformation mais aussi à la corrosion) ; le thallium a été utilisé pour allonger la durée de vie des filaments de tungstène des lampes ;
• Chimie de synthèse : le Tl y est un catalyseur ou un « intermédiaires » dans la production de produits chimiques ;
• Diagnostic médical ; la technique de dosage du flux de thallium par fluorescence sert à mesurer l'activité de certains canaux ioniques (par exemple pour étudier les fonctions et caractéristiques des canaux potassiques, afin de découvrir et caractériser de modulateurs de canaux ioniques d'intérêt pharmacologiques).
• Thermomètre : formant avec le mercure, un eutectique restant liquide jusqu'à −60 °C, le mélange Hg (91,5 %)-Tl (8,5 %) est utilisé dans les thermomètres dans les régions très froides ;
• Semi-conducteurs : le Tl est utilisé dans les cellules photoélectriques et comme activateur dans certains cristaux photosensibles ;
• technologies de l'infrarouge : les halogénures de thallium (chlorure, bromure et iodure) étant transparents au rayonnement infrarouge, ils servent à fabriquer des fenêtres d'entrée pour les détecteurs infrarouge, notamment sous forme de sulfure Tl₂S  ;
• Éclairage et lasers : le thallium est utilisé dans certaines lampes à halogénures métalliques sous forme d'iodure de thallium (qui donne une émission lumineuse verte), dans les lampes à arc au mercure, et dans certains lasers ;
• Supraconducteurs (à haute température) ;
• Gammadétection : le Tl est un « activateurs » dans les détecteurs de rayonnement gamma (scintillomètre) ;
• Le thallium ²⁰¹ est un isotope radioactif se fixant notamment sur le muscle cardiaque ; il est donc utilisé en scintigraphie cardiaque pour l'étude de la perfusion ou de la viabilité myocardique ;
• Caméras de télévision : des sels de thallium sont présents dans les capteurs de type vidicon et plumbicon ;
• minéralogie, Le thallium est un composant de la liqueur de Clérici, qui sert à séparer différents minéraux ;
• Alliages avec d’autres métaux (dont en joaillerie) ;
• Composant de pigments, colorants et certains feux d’artifice.

Une évaluation canadienne de 2020 a aussi retrouvé du thallium dans des produits mis sur le marché dans des médicaments et produit radiopharmaceutique destinés aux patients et comme ingrédient médicinal dans certains produits de santé autorisés, mais aussi comme composant de certains matériaux d’emballage alimentaire.

Parmi ses composés les plus utilisés figurent notamment

• le sulfate de thallium (I) (TI₂SO₄, hautement toxique, n° CAS=10031-59-1),
• le thallure de sodium (NaTI),
• l'alkoxyde thalleux,
• l'acétate de thallium (n° CAS:563-68-8),
• le chlorure de thallium (²⁰¹TlCl ; n° CAS:7791-12-0). À titre d'exemple : le Canada a évalué qu'entre 100 et 1 000 kg/an de chlorure de thallium ont été fabriqués dans le pays (où la limite de déclaration et de 100 kg/an) en 2011 ; et moins de 30 kg de thallium y aurait été importés en 2017).

Concentration croissante et préoccupante dans l'environnement

Production annuelle de charbon par région dans le monde (en équivalents térawattheure) ; ce graphique reflète l'introduction de thallium dans la biosphère à partir de l'industrie extractive du charbon et met en exergue la Chine comme premier pays pour la pollution environnementale par le thallium

La croûte terrestre en renferme environ 10⁻⁴% (« concentration moyenne de 0,7 mg/kg » selon Santé Canada), ce qui le classe en 61^e position par ordre d'importance dans la liste des éléments. Les minéraux contenant du thallium (crokésite ou (Cu, Tl, Ag)2Se contenant 17 % de Tl), lorandite ou TlAsS2 contenant 59 % de Tl, la hutchinsonite (PbTlAs₅S₉), l'urbaïte (Tl2S3(As,Sb)2S3) ou TlAs₂SbS₅ contenant 30 % de Tl), etc.) sont très rares ; on peut aussi citer des sels de soufre comme la jordanite, la gratonite, la dufrenoisite ou la sphalérite.
Dans les minerais sulfurés massivement extraits du sous-sol par l'industrie, on le retrouve plus concentré (ex. : dans le minerai de zinc, de cuivre, de fer et de plomb). Et il est aussi présent dans les carburants fossiles et les émissions polluantes de raffineries. Les cendres de pyrite utilisées par les cimenteries peuvent aussi en contenir de grandes quantités ; les cimenteries sont une source majeure de pollution par le thallium (via les vapeurs et fumées, mais aussi les envol de poussières).

Dans les régions industrialisées, tous les compartiments de l'environnement terrestre (zones humides notamment) sont touchés, comme le montrent par exemple les analyses faites sur les têtards (stade aquatique) et des crapauds (jeunes et adultes au stade « terrestre ») capturés près d'une fonderie de zinc polonaise.

Selon Dmowski et al. (2002), au début du XXI^e siècle, environ 5 000 t de thallium étaient injectées dans l'environnement mondial dont environ 1 000 t venaient de la seule combustion du charbon selon Galván-Arzate et Santamaria en 1998 ; ou Querol et al. en 1995. La plupart de ce thallium est remonté du sous-sol sous forme de sulfures (environ 70 %), le reste l'est sous forme d'aluminosilicates acides ou lié à des composés organiques. Les sulfures de fer de l'Est de la région Silésie-Cracovie en contiennent de 80 à 10 000 mg kg-1, et les sulfures de zinc de 60 à 280 mg kg⁻¹.

Dans l'environnement industriel, les scories et cendres de charbon contiennent les taux les plus élevées de thallium ; quand on brûle le charbon pour fondre du métal ou produire du ciment, le thallium s'oxyde à haute température puis se condense et s'adsorbe à la surface des particules de cendres quand elles refroidissent, c'est pourquoi les cendres volantes en contiennent tant (2 à 10 fois plus que le charbon avant combustion selon Cvjetko et al. en 2010, selon Galba J en 1982 et Finkelman en 1999 ; ce dernier a estimé qu'à la fin du XX^e siècle les ressources mondiales de thallium dans le charbon s'élevaient à environ 630 000 tonnes. À titre d'illustration, dans les années 1990, les taux de thallium des cendres volantes d'une cimenterie polonaise variaient de 18 à 40 mg kg−1  ; les cendres du filtre des cheminées d'un four rotatif de l'usine minière-métallurgique « Bolesław » en contenaient encore plus (en moyenne 882 mg kg−1) ; et Kicińska (2009) note que les cendres d'un four de frittage en contenaient jusqu'à 5 % en poids sec.

La teneur d'un milieu et/ou d'un organisme vivant en thallium dépend de plusieurs facteurs (environnementaux naturels, mais surtout anthropiques), encore en cours d'exploration.

On savait que les microplastiques et nanoplastiques en suspension dans l'eau adsorbent, relèguent et transportent de nombreux éléments trace métalliques toxiques. Le thallium en fait partie. Il peut se fixer sur les particules de polyéthylène (PE), de polystyrène (PS) et de polypropylène, en eau douce comme dans l'eau de mer, plus ou moins selon le pH et les cations compétitifs dans le milieu (Cf. [[salinité])). Le polystyrène aurait la capacité d'adsorption de Tl la plus élevée (via un processus de complexation de surface). Selon une prépublication chinoise « avec l'augmentation du pH, la déprotonation des groupes fonctionnels carboxyle sur les microplastiques est améliorée, ce qui augmente les sites d'adsorption efficaces et favorise l'adsorption de Tl. Mais la capacité d'adsorption des microplastiques étudiées pour Tl est bien inférieure à la capacité correspondante des minéraux naturels (oxydes de fer et de manganèse ou issus d'argile en suspension) rapportée précédemment. Par conséquent, les microplastiques peuvent ne pas être les principaux facteurs affectant le comportement environnemental de Tl », selon une prépublication de Liu, M & al. (2022).

Au milieu des années 2010, selon l'Institut de physique du globe de Paris (IPGP), sa spéciation et donc sa mobilité et sa cinétique environnementales, de même que ses interactions (adsorption/complexation…) avec la matière organique naturelle et les minéraux argileux sont encore mal connus, mais font activement l'objet de recherches.

Dans les milieux aquatiques

Dans l'eau le thallium peut avoir deux états d’oxydation :

1. thalleux monovalent Tl(I) (c’est-à-dire Tl⁺) ;
2. thallique trivalent Tl(III) (c’est-à-dire Tl³⁺) qui se comporte comme un oxydant fort et se transforme facilement en Tl+ .

« L’ion Tl(I), hautement soluble et faiblement réactif, est l’espèce de thallium la plus biodisponible dans les milieux aquatiques et terrestres. La précipitation de Tl(OH)3 inerte pourrait être un mécanisme efficace pour éliminer le thallium de l’eau. Cependant, le thallium peut être remobilisé depuis les sédiments et pénétrer dans la colonne d’eau dans des conditions anoxiques où le Tl(III) sera réduit en Tl(I). Par conséquent, cette évaluation préalable porte essentiellement sur le Tl(I) ».

En 2022, la Chine est l'un des pays les plus touché par cette pollution en raison localement d'accidents industriels (ex : dans le Delta de la rivière des Perles), mais surtout à cause du large développement des industries extractives, d'une utilisation massive de charbon, d'une grande étendue de champs et de rizières facilement polluées par le thallium), les scientifiques estiment, sur la base de traçages isotopiques notamment, que'« alors que le contrôle de la pollution par le thallium a été négligé dans le monde entier, d'innombrables polluants contenant du Tl ont été rejetés dans l'environnement, mettant en danger la sécurité de l'eau potable, des sols des terres agricoles et de la chaîne alimentaire, et posant finalement une grande menace pour la santé humaine ». Le traçage isotopique du thallium environnemental montre qu'il provient en grande partie de couches géologiques plus ou moins profondes, du fait des activités humaines extractives (industrie pétrolière, industrie du charbon et « activités industrielles à haute température »), et via certaines eaux hydrothermales. Ils suggèrent un monitoring de ce métal dans l'environnement, basé sur le traçage isotopique afin de cartographier et contrôler les sources de cette pollution dans les scénarios de contamination élevée par le thallium (tels les systèmes agricoles, forestiers, l'eau et les sédiments et l'air).

Dans les eaux de surface et de nappe, l'une de ses sources anthropiques importantes (et chronique) est le drainage minier acide.

En Pologne (localement très contaminée par la combustion du charbon), dans les années 1990 et au début des années 2000, les eaux fluviales en contiennent de 5 à 17 ng L⁻¹ et l'eau de mer de 10 à 15 ng L⁻¹ . Le lac d'Ohrid en contenait en moyenne 0,5 μg L⁻¹, contre 0,3 μg·L⁻¹ pour des échantillons prélevés près de Ljubanista. L'eau du robinet de Skopje (Macédoine du Nord) en contenait 0,8 μg L⁻¹ en moyenne alors que celle de Silésie-Cracovie variait de 0,16 à 3,24 μg L−1 , pendant qu'outre atlantique, dans le Michigan, les rivières Huron et Raisin en contenaient (attention : ici échelle en nanogramme et non en microgramme) de 21 jusqu'à 2 621 ng L⁻¹.

Dans l'air

Le thallium est présent à de très faibles doses (ng/m³ dans les aérosols et les particules atmosphériques), ou à taux plus élevé dans le zones urbaine, industrialisées (métallurgiques et minières notamment) où le thallium est émis dans l'air sous forme de poussières, de vapeurs ou de liquides puis retrouvé dans l'air (ainsi dans les années 1980, les aérosols du centre-ville de Katowice en contenaient 66 μg m⁻³ en moyenne, et bien plus à proximité des fonderies de métaux alors que la norme air (seuil à ne pas dépasser) est de 0,1 mg m⁻³ selon l'OSHA en 2015.

On note que depuis l'ère industrielle, les glaciers de haute montagne, qui reflètent la pollution de l'air, en contiennent de plus en plus, mais pas du fait des cimenteries selon une étude isotopique récente faite sur les sommets alpins). De même les taux de thallium de l'urine et du sang sont en augmentation chez les ouvriers de l'industrie, et dans la population générale.

Dans les roches mères

Les roches ignées ont un taux de Tl variant de 0,05 à 1,7 mg kg−1 (selon Lin et Nriagu en 1998), grimpant à 1,7 à 55 mg kg−1 dans les calcaire, marne ou granite d'après Tremel et al. en 1997 et jusqu'à environ 1000 mg kg−1 dans des ardoises organiques et du charbon jurassique (Yang et al., 2005).

Dans les sols

Les contextes miniers, industriels et d'utilisation intense de combustibles fossiles sont sources de pollution du sol et de l'eau du sol par le thallium.

Par exemple en Pologne, la terre végétale échantillonnée sur terrils en contient des quantité parfois très élevées (valeur médiane de 22,9 mg kg−1).
En Corée du Sud, en 2015, les sols analysés près de cimenteries en contenaient 1,20 à 12,91 mg kg−1 (soit plus que sols proches des mines et des fonderies qui n'en contenaient, eux, « que » de 0,18 à 1,09 mg kg−1).
Près d'Olkusz, dans le sol, sous un tas de déchets miniers vieux de 100 ans on trouvait encore en 2004 un taux moyen de thallium de 43 mg kg-1, grimpant localement à 78 mg kg-1.

La situation est pire en Chine, avec par exemple dans la région de Lanmuchang (sud-ouest de la province du Guizhou), des taux de 100 à 35 000 mg kg−1 dans les minerais sulfurés, et de 12 à 46 mg kg−1 dans les charbons.
Là les minéraux secondaires issus du lessivage de sols pollués (lessivage par les pluies) en contiennent de 25 à 1100 mg kg−1, et de 32 2600 mg kg−1 dans les stériles de mines.
Les roches hôtes altérées en contiennent de 39 à 490 mg kg−1, et 6 à 330 mg kg−1 dans les roches affleurantes.
Le sol en contient de 40 à 124 mg kg-1 dans la zone minière, de 20 à 28 mg kg-1 dans les matériaux de lessivage des pentes naturelles et de 14 à 62 mg kg-1 dans les dépôts alluviaux (en aval et à distance) contre 1,5 à 6,9 mg kg−1 dans les sols naturels non perturbés de la région (Xiao et al., 2004).

Les sols forestiers et de prairies ne sont pas toujours épargnés (par exemple en République tchèque où en 2009 Vanek et al. y ont trouvé de 0,56 à 1,65 et de 1,1 à 2,06 mg kg−1 respectivement en forêt et en prairie).

En région calcaire, la minéralisation du substrat géologique carbonaté (minéralisation qui croît avec l'Acidification des sols et l'acidification des pluies et la température, 3 facteurs en hausse en raison du réchauffement climatique) est une source significative voire très importante de Tl dans la couche arable (0–20 cm) : à titre d'exemple, on en a retrouvé de 100–1000 mg/kg dans la zone la plus touchée, là où les concentrations dans le sous-sol montaient jusqu'à 6 000 mg de Tl par kg de roche carbonatée minéralisée, dans les horizons de sol contenant de la roche altérée (de la jarosite et l'avicennite partiellement substituées par Tl(I) (Tl₂O₃) ont été identifiés comme formes minérales secondaires du thallium issus d'une altération par minéralisation sulfurée Tl–As–Fe encaissée dans la roche carbonatée à partir de laquelle le sol s'est développé.
On sait aussi que sous forme Tl(III), le thallium peut être séquestré dans les oxydes de Mn, et que sous forme Tl(I) il peut être absorbé ou adsorbé par une argile (illite notamment, ce qui est le mécanisme dominant de « puits de thallium » dans les matériaux de la couche arable « probablement parce que les charges de Tl du sol dépassaient la capacité de ce mécanisme d'absorption ».
Le taux de thallium dans les échantillons de CaCl₂ 10 mM croissent avec l'augmentation du taux de Tl dans le sol et avec la diminution du pH du sol (acidification), mais sans variations drastiques selon la Spéciation chimique du Tl.

Toxicité, écotoxicité

Thallium métallique corrodé

Un toxique longtemps ignoré

Le thallium est particulièrement toxique sous forme de sulfate, d'acétate, de carbonates, de nitrate, et moins sous forme de sulfite ou d'idoine qui sont bien moins solubles et donc biodisponibles.

Vers 1920, le groupe Bayer crée un puissant rodenticide (« pâte Zelio », « granulés Zelio ») contenant environ 2 % de sulfate de thallium.

Outre-atlantique, on s'en inspire en créant un autre rodenticide contenant deux fois moins de thallium (1% de sulfate de thallium) mais tout aussi efficace. Baptisé "Thalgrain", il est préparé et délivré par des agences officielles dans dix comtés de Californie dans le cadre d'un programme d'éradication des spermophiles de Californie (Otospermophilus beecheyi, écureuil terrestre jugé par le département de l'Agriculture indésirable dans les champs, où il se montrait étonnamment résistants à la strychnine). Il est aussi utilisé pour lutter contre le Chien de prairie.

Cette campagne induit une épidémie d'empoisonnements humains par ce rodenticide ; à faible dose de ce produit cause chez l'Homme un groupe de symptômes caractéristiques de la « thallotoxicose » : alopécie, stomatite, gastro-entérite avec vomissement, diarrhée et constipation avec anorexie, perte de poids ; névrite périphérique, névrite rétrobulbaire ; douleurs et crampes dans les jambes, paresthésies douloureuses des mains et des pieds, souvent accompagnées de faiblesse musculaire et d'une perte du réflexe du tendon d'Achille ; troubles endocrinologiques ; fatigue, dépression ; rire hystérique parfois, cyanose, hypertension avec tachycardie, bradycardie, convulsions et éventuellement mort. On signale parfois aussi une salivation anormale.

Des patients ayant utilisé des produits pharmaceutiques ou cosmétiques thalliés (ex. : crème dépilatoire) ou ayant été en contact avec le Thalgrain présentent, à divers degrés tout ou partie de ces symptômes.

La production de Thalgrain, faible en 1925, croît usqu'en 1928, puis diminue après qu'il soit devenu évident que ce poison tuait de nombreuse espèces non-cibles, dont des animaux d'élevage comme le mouton, ou les oiseaux sauvages et des espèces-gibier. les animaux nécrophages et décomposeurs peuvent eux-mêmes ensuite être mortellement empoisonnés par le thallium (qui n'est pas dégradable).
Les pesticides au thallium sont alors aussi de plus en plus impliqués dans des cas de suicides et d'homicides involontaires ou volontaires

En 1924, une première étude pharmacologique poussée du thallium est donc lancée par le Bureau of Biological Survey, sur le modèle animal. Elle permet de commencer à comprendre le mécanisme toxique du thallium, et lui trouve même un antidote. Plusieurs autres études sur la thallotoxicose sont publiée dans les années 1930 par la revue JAMA.

Au 19ème siècle, Marme, puis Swain et Bateman, avaient déjà prouvé que le thallium est aussi un toxique cumulatif (ex. : plusieurs petites doses fractionnées sur 13 jours ont un effet similaire à la même dose distribuée en jours).

Ses usages médicaux et cosmétiques (crèmes ou onguents dépilatoires) ont par ailleurs tué au moins 600 personnes (pour ne citer que les cas scientifiquement documentés) et empoisonnés un grand nombre d'autres personnes dont certaines ont conservé de graves séquelles physiques et/ou mentales. Durant les année 1920, le principal usage médical, qui s'est rapidement développé pour devenir courant, était l'épilation générale d'enfants pré-pubères, bien nourris et en bonne santé, dans le cadre de procédures de traitement de teignes et d'autres dermatophytoses. Durant un certain temps, les médecins estimaient qu'à raison de 8 mg/kg (délivrés sous forme de tablettes contenant de l'acétate ou du nitrate de thallium soigneusement dosé, à ingérer, sous contrôle médical, et avant la puberté), ce traitement était justifié et assez bien toléré par l'enfant pré-pubère. Mais une revue d'étude publiée en 1947 n'a pas validé cette assertion.

Enjeu de santé environnementale

Les suivis environnementaux récents montrent que la concentration de thallium dans l'atmosphère et la biosphère augmente, avec des pics locaux préoccupants (par exemple dans les aliments cultivés près des cimenteries allemandes, sources une élévation significative de l'exposition au thallium des personnes vivant à proximité ou consommant ces aliments).

La combustion du charbon et de carburants fossiles est l'une des sources majeures de ce thallium.

Or le thallium est un élément non-essentiel, encore plus toxique pour l'homme que le mercure, le cadmium ou le plomb (sa concentration maximale admissible a été fixée à 0,1 mg mL−1).

Il perturbe notamment la formation de l'adénosine tri-phosphate (ATP), une molécule vitale pour toutes les espèces animales connues. Il cause de nombreuses intoxications accidentelles, professionnelles, criminelles ou thérapeutiques depuis sa découverte (1861). Comme ses voisins chimiques (mercure et plomb), il fait partie des métaux lourds et comme eux, c'est notamment un neurotoxique central cumulatif pour le système nerveux central des mammifères. Selon le modèle animal, même à faible dose (sub-toxique), il perturbe le fonctionnement musculaire ; et il se montre hépatotoxique chez l'être humain, reprotoxique (facteur de délétion de la spermatogenèse) et cardiotoxique.

Il se comporte chimiquement comme le plomb et l'argent mais aussi comme certains métaux alcalins tels que K, Rb, et Cs ; dans l'organisme, l'ion Tl⁺ se substitue au potassium. La toxicité de tous ses composés semble principalement causée par la similitude de la structure de l'ion thallium(I), hautement toxique, à celle des ions potassium qui sont eux vitaux, faisant qu'il perturbe ou bloque des processus métaboliques vitaux dépendants du potassium induisant notamment un dysfonctionnement mitochondrial). Le thallium induit aussi un important stress oxydatif.

Dans les eaux naturelles, il est surtout présent sous forme de cation monovalent très soluble ; et Le thallium et ses composés « présentent une solubilité dans l'eau plus élevée que les autres métaux lourds », les poissons, notamment, y sont vulnérables ; ils sont donc facilement et communément transportés dans les différents compartiments de l'environnement et de la chaine alimentaire par l'eau (notamment à partir d'effluents de mines de métaux de base, mais il et pas ou mal éliminé par les méthodes traditionnelles de traitement des métaux lourds dans les eaux usées (de nouvelles techniques d'épuration du thallium sont recherchées et testées). Certains le considère comme l'un des risques cachés mais préoccupants pour l'environnement et la santé.

Seuils de teneurs environnementales à ne pas dépasser pour le thallium (en 2004).

-	Seuil de sécurité pour le thallium environnemental	Source
Eau potable	2 μg L−1	USEPA (2015), Xiao et al. (2004)
Sol arable	1 mg kg−1	CCME (2003), Xiao et al. (2004)
Végétal	0.008–1.0 mg kg−1	Kabata Pendias and Pendias (1992)
Plantes alimentaires	0.03–0.3 mg kg−1	Kabata Pendias and Pendias (1992)
ou ADI pour average daily intake)	2 μg jour−1	Sabbioni et al. (1984), Xiao et al. (2004).
seuil oral (Oral reference dose)	0.056 mg jour−1	Risk Assessment Information System (RAIS, 2003 (2003) Toxicity profiles ; Xiao et al. (2004)

Selon F.F Heyroth (1947), comme cet élément n'est pas normalement présent dans les tissus sains, le fait d'en détecter aussi peu que 0,5 mg. pour 100 g. doit faire penser à une intoxication par le thallium, Entre 0,5 et 10,0 mg. pour 100 g. de tissus, on parle d'intoxication subaiguë à mortelle .

Plus récemment, l’Agence fédérale allemande de l'environnement a produit une « valeur guide » (à pas dépasser pour la santé humaine, valeur utilisée pour la biosurveillance humaine) : 6,4 µg/g de créatinine.

Chez l'Humain

À titre d'exemple issu de la littérature médico-légale (publié en 2020) : un couple hospitalisé à Milan s'est avéré contaminé par du thallium ; une enquête judiciaire a conclu qu'au domicile, seule le dessous des chaussures du père présentait des traces de poudre de thallium (utilisé illégalement par le fils dans une parcelle cultivée où le père allait quotidiennement aider son fils ; le père aurait ainsi accidentellement contaminé son environnement intérieur, s'intoxiquant lui-même ainsi que son épouse.

Il a été utilisé comme poison car, réduit en poudre, ses sels sont pour la plupart inodores, incolores et avec une dose létale très basse (moins de 5 mmol ; un peu plus de 1,5 milligrammes de thallium par kg de masse corporelle suffit à tuer un humain. Les usages du thallium comme insecticide, formicide (pâtes et sirops contenant du thallium utilisés dans les années 1920 pour tenter d'éradiquer certaines espèces de fourmis dans le sud-ouest des Etats-unis) ou mort aux rats tendent à disparaître depuis que son effet toxique pour l'homme est démontré, mais ce métal continue à s'accumuler dans l'environnement alors qu'il n'est pas biodégradable ni dégradable.

Chez l'Humain, le thallium « cible » principalement les os, les reins et le système nerveux, en y perturbant notamment plusieurs enzymes vitaux, avec comme conséquences les plus communes des ulcères gastriques et intestinaux, l'alopécie, des polyneuropathies, ou encore des troubles astraux, insomnie, paralysies, amaigrissement, hémorragies internes, lésions myocardiques pouvant conduire à la la mort. Des taux accrus de Tl chez la femme enceinte semblent induire un risque accru de faible poids à la naissance. Il affecte aussi le système endocrinien, et se montre notamment reprotoxique chez le rat mâle (atrophie testiculaire et délétion de la spermatogenèse selon les observations de A. Buschke en 1922).

Quelques statistiques

En moyenne :

• Ingestion : 2 ppb de thallium sont ingérés par jour selon Wallace (2015) ;

• Teneur corporelle : le corps d'un américain moyen en contient environ 0,1 mg, selon Lansdown (2013) ; ou en moyenne 0,051 mg par kg de masse corporelle ;
  Taux de thallium dans quelques organes : Il augmente dans l'ordre suivant : 0,42–1,5 ng g−1 (cerveau) < 1,5 ng g−1 (foie) < 6,1 ng g−1 (rein) < 7–650 ng g−1 (cheveux, pilosité), <0,6 μg g−1 (squelette) < 1,2 μg g−1 (ongle).

Le Tl s'accumule préférentiellement dans les organes périphériques (dont les phanères qui, comme pour d'autres métaux toxiques (plomb, mercure) peuvent continuer à éliminer une partie du Tl ingéré).
La majorité du thallium non-fixé dans le corps, est excrétés via l'urine et, moindrement, via les fèces ; les analyses d'urines sont donc considérées comme utiles pour évaluer le thallium dans le corps humain. Le thallium urinaire est normalement inférieur à 1 μg/g de créatinine. Les taux urinaires médians et pour le 95e percentile de thallium de 0,21 et 0,55 µg/g de créatinine chez les Canadiens. Le thallium est détecté dans l'urine après 1 h et jusqu'à 2 mois après l'exposition.

• Taux sanguin de thallium : En 1994, Sabbioni & al. ont proposé comme intervalle de référence provisoire pour le thallium sanguin : 0,014 ± 0,19 μg L-1 .; Il y a toxicité à partir de 100 μg L⁻¹ (Lansdown 2013) ; Le taux sanguin atteint 3 μg L⁻¹, pour des valeurs de référence calculées comme comprises entre 0,15 et 0,63 μg L⁻¹ dans le sang et 0,02–0,34 μg L⁻¹ dans le sérum ; le sang d'un européen moyen en contient de 0,063 μg L-1 .

• Taux urinaire de thallium : c'est l'un moyen rapide et courants d'évaluer l'exposition humaine récente ou chronique. La collecte d'urine de 24 heures est recommandée pour tenir compte de la variation diurne, et du fait que le pic d'excrétion varie en fonction des habitudes/moments d'hydratation et de consommation. Au dessus de 20 μg L-1, il y a exposition excessive, et au dessus de 200 μg L-1 il y a empoisonnement . L'urine d'un européen moyen en contient 0,066 μg L-1 . En 1994, Sabbioni & al. ont proposé comme intervalle de référence provisoire pour le thallium urinaire : 0,019 ± 0,17 μg L-1 .

• Phanères (ongles et cheveux) * chez une personne dite non exposées on trouve trois fois plus de thallium dans les ongles que dans ses cheveux (cheveux qui sont moins bon indicateur d'une contamination en cours que l'urine). Le taux de Tl des phanères reflète celui de l'environnement et/ou de l'alimentation de la personne, mais celui des cheveux peut être difficile à mesurer dans les cas de très faibles doses d'exposition de l'organisme.

• Dans l'air : le taux « habituel » de thallium dans l'air inhalé se situe entre 5 et 10 ng/g ;

• En 2015, Ghaderi et ses collègues constatent une nette augmentation du thallium dans le corps des consommateurs d'opioïdes : en moyenne 21 μg L⁻¹, contre 1 μg L⁻¹ chez le groupe témoin.

Absorption, distribution et excrétion

Le phosphate de thallium est 50 fois plus soluble que le phosphate de calcium, mais contrairement au plomb, le thallium n'a pas une grande affinité pour l'os.

La peau et les muqueuses digestive et respiratoires sont rapidement et très facilement traversées par plusieurs sels de thallium (sulfate de thallium notamment pour lequel Bonani et Marino ont montré dès 1906 (sur des lapins et chiens) qu'il commence à être absorbé dès le niveau de l'œsophage. Et il y a plus de 100 ans, en 1869 Jones avait noté qu'on le retrouvait dans l'urine dans les 2 heures après ingestion ; et en 1890) le médecin californien J. Blake, le retrouvait dans les poumons du lapin expérimentalement exposé à du sulfate de thallium par intraveineuse, dès les premières minutes suivant l'exposition.
Gettler et Weiss ont estimé à partir de six chiens et un cas humain étudié, que par unité de poids, les reins, le pancréas, la rate et les muscles contenaient plus de thallium que le foie ou d'autres organes.

Chez l'homme comme chez l'animal, la totalité du thallium n'est cependant que lentement évacuée (ainsi lors de l'épidémie d'intoxication en Californie, l'urine des patients en contenait encore 3 semaines après l'intoxication bien que chez deux d'entre eux, le taux urinaire de thallium a atteint 2,39 mg/litre. L'urine d'intoxiqués chroniques en contient durant 2 mois environ. Chez des humains mortellement empoisonnés, on retrouve des concentration de 3 à 11 parties par million dans les reins, le foie, les poumons, le cœur, la rate, les intestins et les os{199). Chez un homme, on a mesuré 3,3 mg de thallium pour 100 g de foie ; 1,6 mg pour 98 g de rein, contre 5 mg pour 100 g d'urine.
Olmer et Tian ont mesuré (spectroscopiquement) 1 partie par 50 millions de thallium dans le liquide céphalorachidien d'un homme gravement empoisonné par du thallium ; et après avoir retiré de l'échantillon les cellules par centrifugation, la quantité a été réduite à un dixième de sa valeur antérieure. Le métal s'accumule aussi en petites quantités dans la peau et les cheveux.

Shaw et Lansbury ont estimé que les rats ayant reçu des doses sublétales répétées excrètent quotidiennement environ 0,4 mg. de thallium par kilogramme de poids corporel ; et le lait de femelles rates allaitantes intoxiquées par une dose létale de thallium en contient assez pour retarder ou arrêter la croissance des poils et pour inhiber la croissance et le développement des petits, (mais pas pour les tuer). Shaw, chez des oies empoisonnées (par ingestion de 20 mg/kg de poids corporel de thallium), mortes en 15 jours, leurs tisssus contenaient encore 35 à 70 % du thallium ingéré. Chez le chien, il faut 36 jours pour que l'urine évacue environ 60% de la quantité ingérée.

Teneurs et cinétiques environnementales et tendances

Le thallium est plutôt rare, mais peut être trouvée à des teneurs plus élevées dans le charbon, les météorites, le granit et les roches volcaniques.

Cycle biogéochmique ; et source-puits de Thallium

L'océan profond et ses sédiments et les nodules sous-marins de manganèse en sont le « puits naturel », mais le comportement de ce métal dans la frange littorale et dans les eaux océaniques ouvertes est encore énigmatique. Des indices récents plaident pour l'implication importante de bactéries du sédiment dans le cycle marin aqueux du thallium.

Ce métal non (bio)essentiel ET « hautement toxique » dans le milieu marin a longtemps été considéré comme stable dans ce milieu. Mais dans les années 2010, des universitaires allemands ont montré que ce n'est pas du tout le cas. Ainsi, aux abords de l'île de Spiekeroog dans les eaux côtières allemandes, dans toutes les zones testées de la Baie de Jade, de l'estuaire et de la région offshore adjacente, les taux de thallium dissous (« Tldiss ») fluctuent fortement (∼25–60pM) dans la colonne d'eau en fonction des zones et du rythme des marées et des saisons (corrélativement au Mo et Mn dans la colonne d'eau) et sans rapport avec la salinité. En termes de bilan massique, le Tldiss dissous diminue généralement à marée basse (jusqu'à 50 % de moins) et de manière inversement proportionnel au manganèse dissous (Mndiss), sauf en été. Cette « anomalie » est détectée jusqu'à plus de 40 km du trait de côte, jusqu'à l'île de Helgoland.
Ces variations traduisent un phénomène d'absorption/désorption rythmique du Tl des eaux interstitielles du sédiment, lié à la chimie redox du thallium encore mal comprise (les sédiments anoxiques, estuaires par exemple) pourraient être un puits pour le Tl dissous qui s'y incorporerait dans le sulfure de fer ; on a d'abord suggéré qu'il existerait une réduction du Tl dans les eaux interstitielles uniquement en conditions anoxiques/sulfuriques, mais une étude plus récente laisse penser que le cycle du Tl est déjà modifié par des conditions légèrement réductrices (et suboxiques), probablement en lien avec des phases de réduction microbienne du Mn dans les sédiments ; on a montré en 2021, en mésocosme que la saisonnalité du phénomène de forte diminution du Tl dissous peu être due à une complexation temporaire du Tl par la matière organique issue des blooms planctoniques saisonniers. Le Tl est alors extrait de la colonne d'eau et provisoirement immobilisé par des phases porteuses organiques (bactéries, algues-détritus, ligands...) et inorganiques (aluminosilicates), avant son dépôt et sa fixation potentielle dans les sédiments sulfurés là où il y en a. Ce phénomène ôterait périodiquement mais temporairement 4 à 20 % du total de Tl dissous de la colonne d'eau. En mésocosme, les diatomées ne semblent pas jour de rôle dans ce phénomène, alors les blooms de Phaeocystis sp. (notamment au stade colonial de formation d'hydrogel) induisent des déplétions significatives de Tl dissous (jusqu'à ~27% d-1).

Une étude allemande, en 2021, observe des enrichissements élevés (multiplication par 6) en Thallium dans l'eau interstitielle de divers sédiments, corrélés à la dégradation aérobie de la matière organique (MO). Inversement, le Tl est disparait de la colonne d'eau interstitielle quand elle est faiblement réductrice (caractérisée par plus de 1 µM de Mn ou de Fe). La distribution spatiale du Tl dans les eaux intertidales répond au niveau de Mn et de Fe dissous, qui varie spatialement, et selon la saison. Les auteurs suggèrent que libération rapide et cyclique de Tl dans l'eau soit due à un ensemble de phénomène impliquant la dégradation de la MO, la désorption du thallium provisoirement adsorbé sur les particules dédimentée ou à la réoxydation ; et inversement la disparition cyclique du Tl de l'eau serait « probablement liée à la présence de traces de sulfure dissous ».
In fine : « Bien que les sédiments intertidaux sont globalement un puits pour le thallium (ainsi que pour l'uranium et le Rhénium), notamment en conditions principalement anoxiques en été, les sédiments se transforment en une source nette de Tl en hiver, quand les sédiments sont plus oxygénés ». Selon les auteurs, ces métaux quand ils disparaissent de l'eau interstitielle le font dans l'ordre d'élimination suivant : « Tl > Re > U > Mo. Le comportement d'élimination ainsi que les enrichissements élevés de Tl dans les eaux interstitielles impliquent que les puits et les sources dans le milieu marin ne sont pas encore entièrement compris (...) ces estimations de flux de Tl pourraient ne pas être applicables dans les sédiments perméables des plages de sable et dans de nombreux autres types de sédiments, qui hébergent des conditions légèrement sulfurées » (de plus, des expérience ex-situ montrent que dans les eaux interstitielles des grain de sable des plages, les cinétique de réaction du thallium sont rapides). Dans le contexte du dérèglement climatique qui affecte la température, l'érosion et l'oxygénation de l'eau, dans le contexte des bouchons vaseux estuariens notamment, ces données nouvelles doivent être, autant que possible, prises en compte dans les modèles océanographiques.

Sur les terres émergées, les sources naturelles connues de Thallium sont essentiellement le volcanisme, les geysers et certains systèmes hydrothermaux (associés à des sulfures, tels que la pyrite, la sphalérite ou la marcassite), l'érosion de roches riches en thallium et la proximité de certains affleurements géologiques riches en métaux lourds.

Dans les années 2020, les scientifiques cherchent à modéliser et prédire le comportement du Tl dans l'environnement, dont en prédisant ses liaison dynamique aux interfaces solide-eau, en fonction des conditions de température, pH, dureté, oxygénation, biotique/abiotique, etc..

Tendances et sources anthropiques

La part des sources anthropiques et naturelles du thallium dans le réseau trophique est encore mal connue et très variable selon les régions, mais il y a consensus scientifique sur le fait que les apports anthropiques diffus et chroniques sont importants (dépassant de loin la production industrielle), et en croissance régulière. Ils proviennent surtout de l'industrie minière et métallurgique (fusion de pyrites, fusion et affinage des métaux), des cimenteries, des briqueteries et d'autres installations brûlant des carburants fossiles et/ou produisant ou utilisant des cendres volantes ; Dans le sol des régions industrielles, les taux de Tl peuvent atteindre 73 ppm (contre 0,08 à 1,5 ppm zones non polluées).

Slon Santé Canada (2020) : « Les concentrations chroniques estimées sans effet (CESE) du thallium pour les organismes aquatiques ont été obtenues à partir d’études d’écotoxicité fiables. L’information actuellement disponible sur la toxicité du thallium pour le sol indique qu’une CESE identique à la recommandation du CCME (Conseil canadien des ministres de l'environnement) de 1999 protège les organismes endogés et les plantes de l’environnement canadien (…) le thallium peut causer des dommages écologiques dans l’environnement aquatique en raison de son rejet par de multiples secteurs sur des sites partout au Canada ».

Dans les eaux

Eaux de surface

À titre d'exemple, en 2011, dans le sud-ouest de l'Angleterre, le thallium (Tl) a été dosé dans des échantillons (filtrés et non filtrés) d'eau de pluie, d'eau du robinet, de rivière, d'estuaire, d'eaux usées et d'effluents de décharges. Dans cette région, le Tl dissout était le moins présent (<20 ng L−1) dans l'eau du robinet, l'eau de pluie, les eaux usées traitées et les effluents de décharges, les eaux estuariennes et de rivières drainant les bassins versants de grès et de schistes. Mais des concentrations allant jusqu'à environ 450 ng L−1 ont été dans les eaux de bassins versants en partie minéralisés et là où ont existé des mines (jusqu'à 1400 ng L−1 ont été trouvés dans l'eau d'une mine abandonnée). Comparé à d'autres éléments trace métalliques mesurés par cette étude (ex. : As, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn), le thallium montrait une faible affinité pour les particules en suspension. L'étude a aussi montré qu'il échappe aux traitement conventionnel des eaux minières (précipitation d'hydroxyde).

À Trzebinia, dans une région houillère de Pologne, des échantillons d'eau, de sédiments de fond et de sol de terrasse de plaine inondable des ruisseaux Wodna et Luszowka présentaient en 2010 des niveaux de thallium 20 à 30 fois plus élevé que dans les eaux typiques de surface du pays.

En surface ce thallium est plutôt sous une forme piégé dans les matières en suspension, qui présente des concentrations alarmantes (dépassant de dix fois environ celle des minerais de Zinc-Plomb ; « la médiane du thallium (Tl) soluble des eaux colorées du Miocène est 10 fois plus élevée que celle des eaux de surface », constituant « une grave source de préoccupation », car « même un faible pourcentage de Tl soluble crée une concentration élevée de l'élément dans l'eau [médiane 0,11 μg L−1)], qui est environ 10 fois plus élevée que dans les eaux de surface de la rivière Warta. La concentration de Tl dans SS est très élevée (médiane de 15 μg g − 1) et dépasse d'un ordre de grandeur la concentration de l'élément dans les minerais bruts de Zn – Pb ».

Eaux souterraines

Globalement, la quantité de thallium dissous dans les eaux souterraine augmente avec la profondeur, et en fonction du contexte géologique.

Elle est généralement comprise entre 20 et 24 μg L−1, et peut atteint au moins 1100 μg L−1 plus en profondeur (ex : en Pologne dans des eaux de forage remontées de grande profondeur ou contaminées par exemple par des eaux colorées du Miocène issues de la lignite). Ces eaux sont une source importante de pollution par le thallium (avec des concentrations atteignant en Pologne de 2 à 3 ordres de grandeur supérieures à celles des eaux de surface).

Dans le quartier de Valdicastello Carducci, en périphérie de Pietrasanta, en Toscane (Italie), la nappe, naturellement acide, a été polluée par d'anciennes mine de pyrites (où dans les galeries l'eau contient jusqu'à 9000 μg/L de thallium). En 2014, l'eau du robinet contenait de 2 à 10 μg/L de thallium. L'analyse de centaines d'échantillons de cheveux et d'urine d'habitants de la région a montré, en 2016, des valeurs dépassant les seuils de référence européens. Les cheveux et l'urine des personne-témoin (a priori non exposées à cette eau) en contenait de 0,1 à 6 ng/g, contre 1 à 498 ng/g chez les sujets exposés, et les taux de Tl étant là corrélés à ceux de l'eau du robinet de la zone de vie des personnes concernées, ainsi qu'avec leurs habitudes de vie.
Et alors que le seuil de référence européen pour l'urine est 0,006 μg/L, près de Valdicastello Carducci, l'urine en contenaient et de 0,046 à 5,44 μg/L respectivement. L'ordre a été donnée à la population de ne plus boire cette eau.

Dans le sédiments

Les sédiments de ruisseaux nés de des sols lessivés naturels contiennent très peu de Thallium (ex. : 0,02 à 0,17 mg kg−1 dans les sédiments de ruisseaux traversant des sables et des graviers fluvioglaciaires de Pologne.

Inversement les sédiments de régions industrielles en contiennent des quantités préoccupantes. Par exemple, dans le sud de la Chine une étude (2022) a porté sur la nature et la quantité des isotopes ε²⁰⁵Tl du Tl trouvés dans les sédiments d'une rivière, en aval d'une grande fonderie de Pb-Zn. Cet isotope (dissous et dans les particules ultrafines [~ μm] y augmentait fortement en aval de l'usine (avec des valeurs proches de celles trouvées dans les déchets de la fonderie) ; les auteurs en ont déduit que la fonderie était responsable d'environ 80 % de la contamination en Tl de la rivière et de ses sédiments.

Chez les microbes

Autour de gisements géologique ex. : mines de pyrites) contenant naturellement au thallium (Tl), les organismes vivant y sont chroniquement exposés. Là, certaines communautés bactériennes s'y sont adaptées (plus ou moins, selon les teneurs en thallium et selon des paramètres géochimiques de type pH, S, Fe et TOM). Les chercheurs constatent que le Thallium conditionne et façonne là la distribution verticale de ces communauté. Là les assemblages microbiens sont surtout dominés par les bactéries réductrices du fer (FeRB), des bactéries oxydantes du Fe (FeOB), des bactéries oxydantes du S et ces bactéries réductrices de Mn ; les cycles des éléments Fe, Mn et S dans le sol sont étroitement impliqués dans le cycle biogéochimique du Tl ; ceci fait évoquer une possibile bioremédiation de sols contaminés par le Tl en utilisant des microbes indigènes.

Chez les végétaux

Les végétaux absorbent le thallium à partir du sol, de l'eau du sol, et des dépôts humides (pluies, rosées, neige, givre…) et secs (retombées atmosphérique de nanoparticules, microparticules, particules et poussières).

Dans le phytoplancton

Le phytoplancton d'eau douce, comme chez les macrophytes terrestres, les teneurs en thallium varient beaucoup, selon le type d'organisme, mais aussi selon sa durée d'exposition (Kwan et Smith 1991), et du taux environnemental de Tl , le taux d'ions K+ dans le milieu d'exposition ainsi que le pH ambiant.

Dans les plantes (macrophytes terrestres, hors arbres)

En Pologne, au début du XXI^e siècle, les plantes en contiennent habituellement 0,05 mg kg−1 , mais avec d'implorantes variations (ex. : de 0,008 à 0,01 mg kg−1 pour des trèfles de régions réputés non-contaminés ; et de 0,02 à 0,6 mg kg−1 pour les graminées ; 0,02–0,3 mg kg− 1 pour les légumes ...mais jusqu'à 5,5 mg kg−1 (soit près de 20 fois plus que dans les légumes les plus contaminés) pour les champignons [pour rappel, le groupe taxonomique des champignons est bien connu pour bioaccumuler les métaux toxiques]).
Les plus fortes contaminations mesurées l'ont été entre Katowice et Cracovie dans la région de Bukovno-Olkusz, autour d'un complexe d'extraction et fusion de Zinc-Plomb. Là les bourgeons de bouleau contenaient de 9,4 à 12,6 mg kg−1 de thallium, et les feuilles en contenait en moyenne 18,5 mg kg−1 ; les graminées en contenaient encore plus (25,5 mg kg−1). La sève de bouleau (consommée par l'homme) contenait de 89 à 145 μg L⁻¹ de thallium. Le genre brassica bioaccumule le Tl, surtout le chou, le chou frisé mais aussi le colza alertaient Asami et ses collègues en 1996). D'autres auteurs ont montré que (comme pour d'autres métaux toxiques) l'absorption du thallium par la plante augmente avec l'acidité du sol ; or, beaucoup de régions industrielles ont été ou sont encore exposées à des pluies acides et beaucoup de régions minières sont exposées au processus auto-entretenu dit drainage minier acide.

Des chercheurs chinois ont confirmé que le potassium (K) rapidement disponible, et le potassium total du sol sont les deux facteurs qui affectent le plus la biodisponibilité du Tl dans les sols cultivés, mais que l'altération du sol aggrave aussi l'accumulation de Tl dans les légumes. Et curieusement, le taux de matière organique du sol ne semble pas significativement affecter la mobilité de Tl dans la plupart des sols à laitues ; de même, les oxydes de Fe et de manganèse (Mn) ont dans ce cas peu contribué à rendre le thallium plus biodisponibile. Selon cette étude, les risques d'ingérer une doses préoccupante de thallium via le choux fleuri ou la laitue semblent minimes.

Dans les arbres (résineux surtout)

Le thallium est également bioconcentré et bioaccumulé par certains végétaux, et notamment par les arbres résineux.

La composition isotopique du thallium, Zn, Cd, Pb, K, Ca, Mg et Mn et leur répartition dans les cernes du pin sylvestre (Pinus sylvestris L.) ont été mesurées autour d'une usine de première fusion du zinc à Olkusz (Sud-Pologne) ; les cernes des pins en contenaient jusqu'à 0,8 mg/kg, confirmant la tendance des conifères à bioaccumuler ce métal, au point que ces cernes pourraient être un bio-indicateur alternatif d'une pollution chronique par le thallium, mais ils ne permettent pas le suivi temporel précis d'une telle contamination. En effet, dans le bois de pin, le thallium a un comportement atypique (par rapport aux autres éléments trace métalliques) : le zinc et le cadmium des cernes sont significativement corrélés aux dépôts au sol, ce qui est moins vrai pour le thallium, qui reflétaient mal l'anamnèse (évolution temporelle) des dépôts (rétrospectivement modélisés). Ceci pourrait être expliqué par d'autres apports (via les feuilles ou l'écorce) que par les racines, par des capacités d'absorption racinaire variant dans le temps (selon météo, activité mycorhizienne…) ou par des effets inégaux de translocation latérale du thallium de l'aubier vers le bois (hypothèse retenue par les chercheurs). Des effets similaires sont signalés chez plusieurs essences d'arbres avec l'arsenic qui est un homologue chimique du phosphore (Le thallium étant, lui, un homologue du potassium). Dans ce cas, la composition isotopique du plomb (${}^{206}Pb/{}^{207}Pb\sim 1,172\to 1,184$) des arbres et du sol sous-jacent montrait que la fonderie était l'origine prédominante de la contamination(${}^{206}Pb/{}^{207}Pb\sim 1,17$). Par ailleurs, l'analyse des taux d'éléments nutritifs (Ca, Mg et Mn) du bois a reflété les changements environnementaux liés aux dépôts acides. Le suivi dendrométrique thallium dans les cernes (comme pour l'arsenic) ne semble donc pas pertinent car ils ne sont pas une archive fidèle de la chronologie des dépôts de Tl dans l'environnement de l'arbre.

La forte affinité du thallium pour les bois résineux a plusieurs conséquences :

• les feux de forêts de résineux réinjectent du thallium piégé par les arbres, via les fumées de feux de forêt ;
• Le bois en décomposition réinjecte dans le réseau trophique le thallium qu'il a stocké durant sa vie, ou dans l'air via son utilisation en « bois énergie », expliquant qu'on en trouve des doses très élevées dans certains champignons ;
• Les effluents gazeux, solides et liquides d'usine de fabrication de pâte à papier et de papier ou carton faits à partir de fibres cellulosiques de pins ou d'autres résineux (les données manquent pour les feuillus) peuvent être très contaminées par le Thallium
  :Ainsi dans 27 usines (papeteries) surveillées en Ontario durant un an (en 1990), les effluents contenaient de 890 à 70 000 ng/L les 6 premiers mois, puis de 6 920 à 230 000 ng/L les 6 mois suivants. Les effluents d'une fabrique de carton ondulé en contenaient aussi (de 52 780 ng/L à 230 000 ng/L, bien au delà des 200 ng/L à ne pas dépasser pour l'eau potable) ; ceci alors que dans ces même usine, les concentrations moyennes n'étaient « que » de 400 ng/L pour le mercure (Hg), 20 800 ng/L pour le cadmium (Cd) et 130 000 ng/L pour le plomb (Pb).

Jusqu'à la fin des années 1980, dans le suivi des effluents gazeux, liquides ou solides de tous les secteurs de l'aciérie et de la papeterie, le Thallium a été oublié et/ou très sous-estimé, alors que, selon une étude ayant comparé les taux de ce polluant avec ceux de plomb, cadmium et mercure (polluants prioritaires systématiquement recherchés depuis des décennies) : les concentrations dans les effluents variaient systématiquement comme suit : Tl ≥ Pb > Cd > Hg.
Dans les effluents aqueux du secteur fer/acier, pour sept usines suivies en Ontario, les concentrations se comptent en kg/jour, variant de 10,1 à 23,6 à kg/jour de thallium (18,7 kg/jour en moyenne), soit bien plus que la charge moyenne de mercure (0,05 kg/jour), de cadmium (4,0 kg/jour) et de plomb (21 kg/jour). Dans la plupart des usines les effluents en contenaient de 0,0 à 60 000 ng/L, et dans une usine spécialisée, ce taux variant de 10 000 à 220 000 ng/L. Ces taux dépassent souvent, et de loin, le seuil pour la qualité de l'eau de l'Ontario (200 ng/L), confirmant qu'au début du XXI^e siècle, le Tl est un polluant environnemental majeur, plus qu'émergeant, et sous-estimé en concluaient Cheam et al. en 2000.

Chez les animaux

Chez les animaux à sang chaud (dont l'Homme) et à sang froid, le thallium est très bioassimilé et hautement toxique, même à très faible dose ; et à l'état métallique, un simple contact est déjà dangereux. Pour cette raison, des sels de thallium ont été ou sont encore présents dans certains insecticides ; ils ont aussi été utilisés dans la mort aux rats.

Poissons

Des salmonidés (Salvelinus namaycush) migrant entre le Lac Michigan et le centre de l'océan Pacifique contenaient de 0,2 à 12 nmol g−1 de thallium.. Des truites alpines (Salvelinus alpinus) du lac Hazen (île d'Ellesmere, Nunavut, Canada) présentaient des taux allant de 0,07 à 0,61 nmol g−1). Dans des lacs recevant des eaux usées de traitement de l'uranium, le tissus musculaire du grand brochet (Esox lucius) contenait quatre à cinq fois plus de thallium que celui de poissons vivant dans des lacs non contaminés de la même région.

Dans des zones contaminées par le Tl étudiées, le muscle de poissons en contenait de 470 dans les années 1950 à 575 nmol g−1 dans les années 1970. Et le plus faible taux de thallium dissous pour lequelle des effets toxiques ont été signalés est de 0,15 μmol L⁻¹ pour le saumon atlantique juvénile. 50 % des poissons meurent à partir de 20,9 à 294 μmol L⁻¹ selon les espèces (gardon, perche et truite arc-en-ciel) selon Pickard et al. en 2001.

Amphibiens

Dans la région de Bukovno-Olkusz, entre les villes de Katowice et Cracovie (Pologne), le frai des amphibiens peut être une source très importante de contamination au thallium pour les prédateurs. De même pour les amphibiens eux-mêmes (ex. : chez les crapauds adultes de Bukowno, les foies accumulent le plus de thallium ; 3,98 mg kg-1 (en poids sec) en moyenne et jusqu'à 18,63 mg kg-1 ; et plus de 96,5 % des foies contenaient plus de 1,0 mg kg−1 de thallium, niveau correspondant à un empoisonnement.

Oiseaux

Au Japon, Mochizuki et al. en 2005 dont dosé le thallium dans le foie et les reins de 5 espèces de canards barboteurs et de trois espèces de canards plongeurs. Les taux de thallium variaient de 0,0049 à 0,14 μmol g−1 en poids sec, et étaient 4 fois plus élevés chez les canards de surface (par rapport aux plongeurs), probablement en raison de comportements alimentaires très différents dans un même plan d'eau.

Animaux chassés, pêchés ou élevés et mangés, risques pour les consommateurs

En 1906; W. Luck a empoisonné une poule avec du thallium et a donné à manger sa chair à des rats ; cela a suffit à tuer onze rats, ce qui laisse penser que de espèce nécrophage (le sanglier est volontiers nécrophage) et/ou des espèces gibier ayant mangé des granulés raticides pourraient être dangereusement contaminé et menacer la santé de leurs consommateurs. Un autre auteur (P.G Shaw, en 1932) déduit d'observations des taux de thallium retenus dans les tissus, qu'il est effectivement probable que la chair de gibier à plumes ayant eu accès à un appât rodenticide au thallium provoquerait une intoxication secondaire chez les consommateurs de gibier. Une autre étude a montré que le fœtus d'animaux gravides empoisonnés peut également en contenir des quantités significatives.

Des études plus récentes donnent quelques fourchettes de teneurs typiques des tissus musculaires d'autres animaux}, également chassés, pêchés ou élevés et consommés par l'Homme :

• de 0,74 à 110,5 ng g−1 (poisson) ;
• 0,84 ng g−1 (lapin) ;
• 1,7 ng g−1 (porc) ;
• 0,74 ng g−1 (bovin).

Dans les agrosystèmes

On le retrouve aussi dans les agrosystèmes, dont en France selon des études faites par l'INRA dans les années 1990.

Toxicologie

Ce produit étant toxique à très faible dose et difficile à doser, l'empoisonnement par le thallium ou thallotoxicose est resté longtemps méconnu. Il a commencé à être décrit dans les années 1930.

Au stade fœtal et embryonnaire humain

Les effets de l'exposition prénatale précoce au thallium sont encore mal documentés, mais on sait que bien qu'à très faible dose en général, le thallium (Tl), il est de plus en plus largement présent dans l'environnement il est retrouvé jusque dans les glaciers et les neiges de l'antarctique, ce qui laisse supposer une large contamination des chaines alimentaires) (niveau de fond "naturel" de thallium pour l'Arctique : estimé en 2001 entre 0,02 et 0,03 pg/g), et il est bioassimilable. Très soluble dans le sang, il pénètre les barrières pulmonaire, intestinale et placentaire (quand la mère est contaminée, on le retrouve rapidement dan le sang de cordon et dans le liquide amniotique), l'embryon et le fœtus ; une étude chinoise récente (2016), basée sur 816 personnes, a confirmé que l'augmentation du taux urinaire de thallium chez la femme enceinte est associé à un risque significativement plus élevé de faible poids du bébé à la naissance.

Comme pour le plomb, l'exposition in utero au thallium affecte l'intelligence du futur enfant, mai avec un effet « genré » :

• Selon une étude (2020) basée sur une cohorte de 2851 paires mère-nouveau-né dont le sang de cordon a été testé lors des premier, deuxième et troisième trimestres de la grossesse : en cas d'exposition prénatale au thallium au second trimestre de grossesse, le risque de troubles neurocomportementaux de type trouble déficitaire de l'attention/hyperactivité (TDAH) augmente chez les jeunes enfants observés à l'âge de 36 mois. Ce risque est plus marqué chez les garçons (qui au stade fœtus semblent nettement plus sensibles à la neurotoxicité ce ce métal que les filles) ;
• Par ailleurs, une autre étude (chinoise) publiée en 2022 a évalué de la même manière l'exposition prénatale au thallium et a modélisé les fenêtres critiques de la neurotoxicité du Tl ; elle conclue que des taux de Tl plus élevés au premier trimestre de grossesse sont associés à des scores VSI plus faibles et que si la "contamination" se fait au troisième trimestre, les scores aux tests du WISC sont d'autant plus mauvais pour les aspects VSI (Visual Spatial Index), FRI (fluid reasoning index) et PSI que le degré de contamination a été important in utero. Cette équipe conclue que l'exposition in utero au Tl est « très probablement associée à un développement cognitif moins bon chez les garçons ».

Exemples d'empoisonnements connus au thallium

• Cet élément chimique a été utilisé par William Bechtel réserviste du SDECE pour empoisonner le combattant nationaliste camerounais Félix Moumié à Genève en 1960. L'agent (ancien combattant parachutiste Franco-Suisse et réserviste du SDECE, alors sexagénaire, qui s'est fait passer pour un journaliste) aurait versé une première dose mortelle dans son apéritif (un Pernod), que Moumié n'a pas bu en début de repas trouvant qu'il avait mauvais goût, incitant l'agent à en verser une seconde dans un verre de vin. Moumié, à la fin du repas, finit par boire le verre de vin et le pastis empoisonné en disant : « On va pas leur laisser l'apéritif qu'on n'a pas bu », prenant ainsi une double dose de thallium. Il aurait ensuite compris rapidement qu'il avait été empoisonné ;
• Selon l'ex-ministre des Affaires étrangères irakien Hamed Jabori, Boumédiène a également été empoisonné par les services irakiens avec du thallium.
• Lors de l'empoisonnement supposé d'Alexandre Litvinenko en 2006, on a d'abord soupçonné le thallium avant de trouver des traces de polonium 210 dans ses urines.

Traitement des intoxications au thallium

Antidote :

• le bleu de Prusse pris par voie orale absorbe le césium et le thallium dans le tube digestif. Le césium et le thallium ainsi complexés par le bleu de Prusse sont alors insolubles et non disponibles, éliminés dans les selles (qu’il colore en bleu très foncé), et non-biodisponible pour les plantes et les autres organismes vivants. Le traitement sera d'autant plus efficace qu'il sera pris tôt, mais le diagnostic est souvent tardif (au moment de l'alopécie qui en est le symptôme le plus typique par exemple).
• un apport en a été utilisé avec succès contre l'intoxication, pour l'excrétion forcée de thallium.

Écotoxicologie

On suppose que son écotoxicité est liée à sa toxicité intrinsèque et au fait que son comportement géochimique et sa mobilité miment celles du potassium.

Au début des années 2020, l'écotoxicologie du Tl est encore très lacunaire. Ceci s'explique par la rareté des études sur les mécanismes dynamiques de migration, transformation, bioaccumulation et biomagnification du Tl dans les divers habitats et éosystèmes, par le fait que c'est un élément souvent présent à très faible dose (< 1 ppm dans la croûte terrestre et < 1 μg/L en eau douce non contaminée, et moins de 20 nanogrammes par litre d'eau de mer, en général). Son dosage et son suivi impliquent des outils efficaces de microextraction, et de pré-concentration et/ou de mesure très sensibles, en particulier pour le doser dans des matrices complexes. De plus, dans l'environnement aquatique, « la technologie de séparation du Tl(III) et du Tl(I) est encore immature, en particulier il est difficile de séparer efficacement le Tl .(III) et Tl(I) dans l'eau de mer ».

Réglementation

Concernant les appâts empoisonnés utilisés par les chasseurs ou les agriculteurs ou les syndicats ou personnes chargés de lutter contre les rongeurs ou d'autres animaux jugés indésirables, les interdictions ont tardé à se mettre en place. Par exemple en Suisse il a fallu attendre 1973 pour interdire cet usage du thallium. Mais près des frontières, des cas d'empoisonnement humains ont persisté des années après, car ces poisons pouvaient encore être facilement achetés en Allemagne, en France ou en Italie où ils étaient encore mis sur le marché.

En 1970, ces poisons étaient encore utilisés dans tous le pays européens. Et en 1980, ils l'étaient encore en Amérique du Sud, en Asie, et même encore un peu dans certains États du Sud des États-Unis, alors que c'est en Californie qu'on a pris conscience, bien plus tôt, de leur grande dangerosité pour l'Homme et les animaux domestiques et d'élevage.

Dépollution de milieux contaminés par le Thallium

Potabilisation de l'eau

Selon Xiaoliu Huangfu et ses collègues (du laboratoire éco-environnemental du réservoir/Barrage des trois gorges et du laboratoire d'Etat chinois en charge des ressources en eau pour les villes), dans le monde et en Chine « Il est urgent de développer des stratégies appropriées pour l'élimination des traces de Tl dans les usines de traitement de l'eau potable ». Selon les données disponibles vers 2020, l'adsorption semble être le mécanisme le plus sélectivement capable de capter le thallium pour l'éliminer des eaux contaminées (y compris pour un potabilisation), et c'est le plus utilisé à échelle industrielle. Pour cela, de nouveaux adsorbants sont recherchés (des analogues du bleu de Prusse, de nouveaux biosorbants ainsi que les oxydes métalliques ont été testés) mais au début des années 2020, éliminer le Tl(I) des milieux solides ou aqueux reste un défi, car il est dangereux et présent à des doses souvent extrêmement faible dans les eaux usées, et son extraction est « perturbée par nombreux ions d'impuretés qui l'accompagnent » (cations qui « entraînent une faible efficacité d'élimination de Tl(I) »

Divers composés organiques macrocycliques ont aussi un fort potentiel de fixation du thallium(I), ainsi que certains déchets liquides riches en certains nanomatériaux non agglomérés et à grande surface spécifique d'échange. Une étude (2022) a par exemple expérimentalement testé avec succès l'utilisation de pyrolusite de mauvaise qualité et de résidu de pyrolyse de boues huileuse pour épurer de l'eau polluée par du thallium.

D'autres pistes sont explorées. En voici quelques exemples :

• En 2014, on a montré, en Chine, que dans certaines conditions de pH (acide), quelques oxydes métalliques modifiés peuvent efficacement capter et même inerter le Tl(I) dissous en l'adsorbant et en l'oxydant en Tl(III) : c'est le cas du dioxyde de manganèse hydraté amorphe (HMO, déjà connu comme bon sorbant pour la rétention d'autres métaux toxique). En laboratoire, sur une « eau simulée », ce matériau montre une grande sélectivité de sorption pour de Tl(I), même en présence de Ca(II) concurrent présent à des niveaux beaucoup plus élevés. Xiaoliu Huangfu et al. ont montré que l'ajout de dioxyde de manganèse nanométrique amorphe (nMnO2) peut ainsi améliorer l'efficacité de l'épuration de traces (0,5 μg/L) de Tl, dans de l'eau simulée, mais moindrement dans des eaux de surface représentatives (rivière, et réservoir de barrage) ; si dans l'eau simulée, le taux de thallium chute de 0,5 μg/L à 0,1 μg/L résiduel, ce n'est pas le cas dans les eaux de surface naturelles testées, en raison probablement de la présence de cations compétitifs Ca2+ pour l'adsorption de Tl sur nMnO2. Ajuster le pH de l'eau aux conditions alcalines et la préoxyder le Tl(I) en Tl(III) peut alors améliorer l'extraction du Tl qui une fois adsorbé sur nMnO2 pourra être éliminé en décharge (après décantation du nMnO2).
  Une fois saturées, les particules HMO semblent en outre pouvoir être régénérées dans une « solution binaire NaOH - NaOCl d'alcalinité à 7,8 % et de chlore actif à 5,0 % »..
  Un problème est que l'acide humique, naturellement présent dans de nombreux types d'eaux de surface, pourrait contrer l'efficacité de cette coagulation améliorés par nMnO2 ;

• En 2015, on a montré que du Florisil (Silicate de magnésium synthétique) imprégné sous ultrasons de liquides ioniques (LI) permet d'extraire du Tl(I) d'un milieux aqueux en contenant. Des liquides ioniques « fonctionnalisés » ont pu capter efficacement d'autres métaux lourds et semblent être de bons candidats pour capter les ions thallium présents à faible dose. Parmi ceux qui ont été aussi testés pour le Tl, ceux à base de phosphonium en adsorbaient plus que ceux à base d'imidazolium. Les ultrasons permettent de rapidement préparer l'adsorbant, en conservant et associant les atouts des liquides ioniques et ceux du support solide, tout en économisant la quantité de liquide ionique utilisée, et sans perdre d'extractant dans la phase aqueuse ;

• en 2020, Wang & al. ont testé des nanomatériaux à base de titane ;

• en 2021, López & al. ont proposé un matériau composite adsorbant, facile à préparer, peu coûteux, réutilisable et jugé par eux « respectueux de l'environnement », associant un dérivé du bleu de Prusse à des nanoparticules de magnétite. Ce composite magnétique est aisément récupérable au moyen d'un électro-aimant. En laboratoire, il a permis de récupérer jusqu'à 117 mg de Tl(I) par gramme de composite après 21 h d'interaction. IL a pu abaisser le taux de Tl dans le milieu jusqu'à 28 fois sous le seuil autorisé pour les eaux usées, et sans pâtir des variations de pH, mais avec « de légères interférences des ions typiques contenus dans les eaux usées de l'industrie minière ». En outre, ce sorbant est réutilisable, permettant d'encore récupérer 97% du thallium éliminé sous traitement de désorption en solution KCl. Et enfin, il semble pouvoir aussi adsorber d'autres métaux indésirables (Cu) ou hautement toxiques (Pb) fréquents dans les eaux usées.

• En 2022,
  • des oxydes de manganèse biogéniques (BMnOx) ont été étudiés comme adsorbeurs de Tl. Préparés en oxydant le Mn(II) par une bactérie mise en présence de Mn(II) dans une solution de 4,0 à 28 mg/L de manganèse, ce BMnOx a efficacement piégé le Tl par chimisorption principalement, et via des interactions synergiques d'oxydation-précipitation, d'attraction électrostatique, d'échange d'ions et de complexation en surface du BMnOx : Et en outre, après l'adsorption, 19,46 % du Tl(I) hautement toxique a été transformé en Tl2O3 bien moins toxique. oxydes de manganèse biogéniques. La captation de Tl était efficace dans une large fourchette de pH (3,0 à 9,0) même en présence de 40 mg/L.
  • une technique oxydation avancée du Tl(I) par du fer à valence nulle (Fe0) couplé avec du persulfate a permis, en laboratoire, d'épurer des eaux contenant du Tl(I), sans que les ions coexistants et ni la matière organique (NO3−, SO42−, Cl− et HA) n'aient trop perturbé le processus, et ce dans une large gamme de pH et de température. (plus de 98 % du Tl(I) extrait pour une concentration de Tl(I) ≤ 0,250 mM, avec le radical·OH actif dans l'élimination du Tl(I), oxydé et récupéré par co-précipitation pendant que Fe0 catalyse la réaction en tant que source d'ions Fe2+ . Le Fe0 résiduel est récupérable grâce à son magnétisme, et réutilisable comme réactif.

Tous ces procédés impliquent des moyens technologiques et financiers qui ne sont pas à la portée de nombreuses communautés et pays.

Dépollution de sols

Certains microbes présentent un potentiel pour la dépollution de sols ou de substrats de culture contaminés ; et quelques plante métallophytes peuvent bioaccumuler et bioconcentrer des quantités importantes de thallium sans en mourrir comme on l'a par exemple montré autour d'Olkusz en Pologne (ex : plantes des genres Iberis et Biscutella), ce qui leur donne un intérêt pour la phytoremédiation, mais on ne peut raisonnablement les utiliser à ce jour que sur de petites surfaces.

Décontamination de déchets

De très nombreux types d'effluents industriels, aqueux notamment, sont contaminés par le thallium (généralement conjointement à d'autres métaux ou polluants dont certains peuvent avoir une certaine valeur). Pour être recyclables ou évacué sans danger dans un « milieu récepteur » (cours d'eau, mer), ou dans le contexte du traitement de séquelles industrielles, ces déchets doivent être décontaminés de ce métal, ce qui ne peut être fait par les technologies classiques d'épuration.

De nouvelles méthodes de traitement sont explorées, qui ont toutes leurs avantages, limites et inconvénients : elles sont généralement basées sur des adsorbants multifonctionnels, des d'extractants non toxiques, l'oxydo-réduction, l'échange d'ions avec une résine échangeuse d'ions permettant une récupération facile et non polluante du Tl, des technologies de séparation membranaire, l'absorption/extraction par solvants, la précipitation/co-précipitation chimique, la coagulation-floculation, la flottation et la bioremédiation. Généralement, une seule de ces techniques ne suffit pas à éliminer Tl pour descendre à un niveau sûr (quelques "μg L-1") ; il faut donc combiner plusieurs de ces technologies pour obtenir l'efficacité nécessaire et un rendement soutenable à grande échelle ; et il faudra ensuite inerter et gérer de manière sûre le thallium ainsi « extrait » et pour les matériaux d'adsorption épuisés ou les boues ou stériles ne pouvant être traitées dans les conditions économiques et techniques du moment. En 2020, la plupart de ces méthodes impliquent encore un long passage dans le process épuratoire ; elles ne conviennent pas aux besoins de « technologies d'urgence potentielles » nécessaires en cas d'accident technologique ou industriel impliquant une pollution thalliée.

On cherche aussi à récupérer ce métal sous des formes réutilisables et/ou peu encombrantes (précipité solide insoluble idéalement), pour améliorer la soutenabilité et la rentabilité des processus de dépollution.

Mesure des concentration de thallium

Selon matrices étudiées (eau, air, sol, sédiment, échantillons minéraux, végétaux, fongiques ou animaux), avec ou sans recherche isotopique, divers techniques analytiques sont utilisées, dont :

• spectrométrie de fluorescence atomique excitée par laser (LEAFS) ;
• spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) ;

voltampérométrie à impulsions différentielles par décapage anodique (DPASV) ;

• spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif haute résolution (HR-ICP-MS) ;
• spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif par vaporisation électrothermique (ETV-ICP-MS) ;
• spectrométrie d'absorption atomique : spectrométrie d'absorption atomique à flamme (FAAS) ou spectrométrie d'absorption atomique à four graphite (GFAAS).

Cartographie de la pollution par le thallium

Les données de terrain, si elles sont assez précise et nombreuses peuvent être intégrées dans une cartographie de distribution du thallium. Par exemple, au Canada, la première carte à grande échelle de ce type a été produite en 2001.

Voir aussi

Bibliographie

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

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Liens externes

• (en) « Technical data for Thallium » (consulté le 15 août 2016), avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope
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