La dissolution de l’oxyde de cadmium (CdO) par des acides organiques est analysée pour évaluer son impact environnemental et son potentiel de récupération. Cette étude met en lumière les méthodes hydrométallurgiques visant à réduire la toxicité et à optimiser l’utilisation des ressources métalliques.
Chapitre VI
Etude de la dissolution de l’oxyde de cadmium (CdO) par les acides organiques
Introduction
Le cadmium est considéré comme un métal toxique qui n’a aucun effet bénéfique sur la santé humaine [1-7]. Cependant, ses utilisations sont nombreuses [8-10]. Parmi ses composés l’oxyde de cadmium (CdO) est utilisé dans de larges applications technologiques comme catalyseur [11], capteur de gaz [12-14], dans les cellules photovoltaïques et dans les électrodes transparentes [15,16]. Après utilisation, beaucoup de ces matériaux se retrouvent jetés dans la nature contaminant par conséquent le sol et les eaux souterraines. En raison de son potentiel de dissémination incontrôlée dans l’environnement, le cadmium fait partie des métaux les plus dangereux qu’il faut traiter en priorité.
La dissolution du cadmium métallique a été étudiée dans le cadre de la récupération hydrométallurgique de résidus industriels comme montré dans le chapitre III. Cependant, et en dépit de la large utilisation de sa forme oxyde (CdO) son comportement au cours de la dissolution n’est pas très connue. De plus aucune information sur sa réactivité avec des acides organiques n’a été trouvée dans la littérature.
Dans ce chapitre la dissolution de l’oxyde de cadmium a été étudiée en présence des quatre acides organiques déjà utilisés avec l’oxyde de zinc. De même que pour le ZnO différentes conditions opératoires ont été testées afin d’optimiser les rendements de dissolution. Les résultats sont présentés dans ce qui suit.
Mode opératoire
L’oxyde de cadmium (CdO) a été préparé par calcination du nitrate de cadmium (Cd(NO3)2.4H2O, Sigma Aldrich) à 500°C pendant 2h avec une vitesse de calcination de 100°/h. une poudre de couleur marron a été obtenue et photographiée comme montré sur la figure VI.1. L’image MEB montre de particules ayant une dimension entre 10 et 100µm.
[img_1]
(a)
[img_2]
100µm
(b)
Fig.IV.1. La poudre de CdO préparée au laboratoire (a) et image MEB du produit obtenu (b)
Les mêmes acides organiques ainsi que dispositif expérimental utilisés pour la dissolution de l’oxyde de zinc ont été utilisés avec l’oxyde de cadmium.
Une masse de 0,05g de CdO a été mise en contact avec 200mL des solutions d’acides organiques. Le cation Cd2+ a été analysé par méthode volumétrique utilisant le triplexe III et l’orangé de xylénol comme indicateur coloré.
La réaction de dissolution du CdO en présence des quatre acides peut être écrite comme suit :
3CdO(s) + 2C6H8O7(aq) → 3Cd2+ + 2C6H5O73-(aq) + 3H2O(l)
CdO(s) + C6H8O6(aq) → Cd2+ + C6H6O62-(aq) + H2O(l)
CdO(s) + 2C3H6O3(aq) → Cd2+ + 2C3H5O3–(aq) + H2O(l)
CdO(s) + 2C2H4O2(aq) → Cd2+ + 2C2H3O2–(aq) + H2O(l)
Les effets de la concentration des acides, de la vitesse d’agitation et de la température ont été étudiés.
Résultats et discussion
Effet de la concentration des acides
L’oxyde de cadmium a été mis en contact avec les quatre acides à différentes concentrations : (0,001-0,003-0,005 et 0,01M) correspondant aux rapports molaires nacide/nCdO de 0,5- 1,5- 2,56 et 5 respectivement. L’effet de la concentration a été étudié à 25°C et 350tr/min. Les résultats sont montrés sur les figures VI.2a-d.
(b)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Citric
Ascorbic
Lactic
Acetic
0,001M
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min)
100
90
80
70
60
50
40
0,003M
30
20
10
0
Citric
Ascorbic Lactic Acetic
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,005M
Citric
Ascorbic Lactic Acetic
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,01M
Citric
Ascorbic Lactic Acetic
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min)
CdO dissout (%)
CdO dissout (%)
CdO dissout (%)
CdO dissout (%)
(c) (d)
Fig.VI.2. Effet de la concentration des acides sur la dissolution du CdO
Les résultats montrent que la dissolution de l’oxyde de cadmium augmente dans le sens citrique>ascorbique>lactique>acétique avec les concentrations de 0,003- 0,005 et 0,01M alors qu’avec la concentration de 0,001M la dissolution suit le sens citrique>lactique>acétique>ascorbique (Fig.VI.2a). Dans ce cas c’est l’acide ascorbique qui enregistre le plus faible effet sur la dissolution du CdO avec 26,6% enregistré après 60min de réaction. L’augmentation de la concentration de l’acide citrique de 0,005M à 0,01M n’a eu aucun effet sur l’amélioration de la dissolution du CdO contrairement aux autres acides organiques.
Suivi du pH au cours de la réaction de dissolution du CdO
La variation du pH des quatre solutions acides aux différentes concentrations au cours de la dissolution du CdO a été suivie à 25°C et 350tr/min. Les résultats sont montrés sur les figures VI.3a-d.
8
7
6
5
4
3
0,001M
2
1
Citric acid
Ascorbic acid
Lactic acid
Acetic acid
0
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min)
6
5
4
3
2
0,003M
1
Citric acid
Ascorbic acid
Lactic acid
Acetic acid
0
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min)
pH
pH
(b)
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0,005M
Citric acid
Ascorbic acid
Lactic acid
Acetic acid
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min)
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0,01M
Citric acid
Ascorbic acid
Lactic acid
Acetic acid
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min)
pH
pH
(c) (d)
Fig.VI.3. Suivi de la variation du pH au cours de la dissolution du CdO par les quatre acides organiques
Dans tous les cas le pH augmente avec l’avancement de la réaction indiquant la consommation des ions H+. Après les 5 premières minutes la variation du pH a été moins prononcée. Le pH reste dans des valeurs acides dans tous les cas à l’exception de l’acide ascorbique à 0,001M où la neutralité a été atteinte après 30min de réaction. L’arrêt de la dissolution observé après 30min coïncide avec le pH 7 atteint après le même temps de réaction.
Effet de la vitesse d’agitation
L’effet de l’agitation a été étudié en testant plusieurs valeurs : 100- 350 et 600tr/min à 25°C et avec une concentration en acide égale à 0,005M. Les résultats sont présentés sur les figures VI.4a-d.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
acide citrique
100rpm
350rpm 600rpm
0 10 20 30 40 50 60 70
t(min)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
acide ascorbique
100rpm
350rmp 600rpm
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min)
CdO dissout (%)
CdO dissout (%)
(b)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
acide lactique
100rpm
350rpm 600rpm
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
acide acétique
100rpm
350rpm 600rpm
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min)
CdO dissout (%)
CdO dissout (%)
(c) (d)
Fig.VI.4. Effet de la vitesse d’agitation sur la dissolution du CdO par les quatre acides organiques
Les résultats montrent que l’agitation a un effet important sur la dissolution de l’oxyde de cadmium. Deux différents comportements ont été observés en fonction de la nature des acides. En effet, avec les acides citrique et ascorbique l’agitation n’a eu aucun effet au-delà de 350tr/min alors qu’avec les acides acétique et lactique l’agitation améliore visiblement la dissolution lorsque l’on passe de 100tr/min à 600tr/min. L’amélioration de la dissolution en fonction de la vitesse d’agitation indique que l’effet de la diffusion est plus important que celui de la réaction chimique.
Effet de la température
L’effet de la température a été examiné dans l’intervalle 25-40°C avec les quatre acides à 0,005M et 350tr/min. Les résultats sont présentés sur les figures VI.5a-d.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
acide citrique
25°C
30°C
35°C
40°C
0 5 10 15 20 25 30
t (min)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
acide ascorbique
25°C
30°C
35°C
40°C
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min)
CdO dissout (%)
CdO dissolved (%)
(b)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
acide lactique
25°C
30°C
35°C
40°C
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min)
80
70
acide acétique
60
50
40
30
20
10
25°C
30°C
35°C
40°C
0
0 10 20 30 40 50 60 70
t (min)
CdO dissout (%)
CdO dissout (%)
(c) (d)
Fig.VI.5. Effet de la température sur la dissolution du CdO par les quatre acides organiques
Les résultats montrent que la température n’a pas d’effet remarquable sur la dissolution de l’oxyde de cadmium à l’exception de sa réaction avec l’acide lactique. En effet, en présence de ce dernier la dissolution est passée de 74,3% à 25°C à 100% à 40°C après 60min de réaction. La dissolution a été très rapide avec l’acide citrique atteignant 98% après seulement 10min de contact à 40°C. L’absence d’un effet notable de la température sur la dissolution de l’oxyde de cadmium suggère que la réaction chimique ne contrôle pas sa dissolution.
En dépit de ce constat, l’application du modèle de Levenspiel pour le contrôle de la dissolution par diffusion dans le film liquide n’a pas donné de droites avec des coefficients de régression proche de 1. Ainsi, le comportement de l’oxyde de cadmium est différent de celui de l’oxyde de zinc. Ce n’est pourtant pas une réaction élémentaire dans laquelle les ordres partiels de la réaction par rapport aux réactifs correspondent à la stœchiométrie de la réaction de dissolution comme montré ci-après.