Les applications pratiques de la lixiviation révèlent une extraction de cuivre exceptionnelle de 24,8796 g/L en seulement 120 minutes. Cette étude innovante sur la granulométrie du minerai oxydé de Kibolwe transforme notre compréhension des procédés d’extraction, avec des implications cruciales pour l’industrie minière.
II-6. APPROCHE THERMODYNAMIQUE ET CINETIQUE DE LA LIXIVIATION
II-6-1. Généralités
Comme mentionnée précédemment la lixiviation un processus simple d’extraction par dissolution basé sur le fait que chaque minerais a un coefficient de dissolution différents et peut donc se retrouver séparer de sa la gangue par la circulation d’un solvant, et les réactions chimiques mises en œuvre sont du type acido-basique et redox.
La thermodynamique chimique est une branche de la chimie physique qui prévoit sous certaines conditions bien définies :
- la stabilité ou l’instabilité d’un composé chimique ;
- la possibilité ou l’impossibilité d’une réaction chimique de se dérouler ;
- le sens dans lequel se déroule la réaction ainsi que le point d’équilibre que peut atteindre le système réactionnel (Jacques ILUNGA, 2017)..
II-6-2. Diagrammes de POURBAIX
Aussi appelés sous le nom du diagramme potentiel-pH (ou E-pH), furent initialement développés par Marcel Pourbaix en 1938. Ils indiquent sur un plan E-pH les domaines d’existence ou de prédominance des différentes formes (ions, complexe, précipité, métal) d’un élément. Ils sont essentiellement basés sur l’équation de Nernst. Ils peuvent faire apparaitre le domaine de stabilité de l’eau (Wikipédia).
II-6-2-1. Structure des diagrammes de POURBAIX
Le diagramme E-pH d’un élément métallique fait en général apparaitre trois domaines :
- la zone d’immunité : zone de stabilité thermodynamique du métal ;
- la zone de corrosion : zone où il y a attaque du métal avec formation d’ions (libres ou complexe)
- la zone de passivation : zone où la surface du métal en solution est recourt par une couche d’oxydes ou d’hydroxydes.
II-6-2-2. Diagramme de POURBAIX de l’eau
L’hydrogène dans la molécule d’eau intervient comme réducteur dans le couple H+aq/H2 de la demi-réaction suivante :
2H2O + 2è H2(g)↑ + 2OH– (II.4)
Ou
2H+ + 2è H2(g)↑ (II.5)
L’oxygène intervient comme oxydant dans le couple O2/H2O, de demi-réaction ci-après :
2H2O → O2(g) + 4H+ + 4è (II.6)
Les deux demi-réactions peuvent être effectuées dans une cuve électrolytique connectée à une source d’énergie à courant continue qui entretien une différence de potentiel suffisante entre deux électrodes. Si le potentiel électrique de l’anode est suffisamment positif, l’anode fournira les électrons nécessaires selon la réaction d’oxydation (II.6).
Si par contre le potentiel électrique de la cathode est suffisamment négatif, la cathode sera le siège de la réaction de réduction (II.4 ou II.5). On aura d’un côté (la cathode) un dégagement d’hydrogène et de l’autre (Anode) un dégagement d’oxygène.
Les potentiels correspondant à ces deux demi-réactions, lorsque nous tenons compte de ce que l’eau est très peu dissociée et lorsque nous admettons que l’activité de l’eau est égale à l’unité et que la température est de 298K, peuvent s’écrire respectivement :
E1=E° (H+aq/H2) + 0,06/2.log [H+]2 (II.7)
E1=E° (H+aq/H2) +0,06.log[H+] (II.8)
Or nous savons que pH = −log[H+], on aura donc
E1=E°(H+aq/H2) -0,06.pH (II.9)
Et
E2=E°(O2/H2O) +0,06.log[H+]4 (II.10)
E2= E°(O2/H2O) – 0,06pH (II.11)
Par convention, le potentiel de référence E°(H+aq/H2) du couple H+/H2 est nul à toute température et le potentiel standard E°(O2/H2O) du couple O2/H2O vaut 1.23 à pH nul ; les relations (II.9) et (II.11) deviennent après calcul :
E1= −0,06. 𝑝𝐻 (II.12)
E2= 1.3 – 0,06. pH (II.13)
Sur la Figure II.3 ci-dessous sont représentés les graphes des potentiels E1 et E2 qui sont des fonctions linéaires avec le pH comme variable indépendant.
Les droites obtenues divisent le diagramme en plusieurs domaines dits d’existence des espèces réactionnelles (Jacques ILUNGA, 2017).
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Figure II- 3: Zone de stabilité thermodynamique de l’eau vis-à-vis des oxydants et des réducteurs.
La Droite (b) correspond à la demi-équation (II-5) sépare le plan (E-pH) en deux régions. Au-dessus, l’eau est thermodynamiquement stable vis-à-vis des réducteurs, au- dessous, elle est instable vis-à-vis d’eux ; de l’hydrogène se forme.
La droite (b) correspond à la demi-équation d’oxydation (II.6) sépare également le plan (E-pH) en deux régions ; au-dessous, l’eau est thermodynamiquement stable vis-à-vis des oxydants. Au-dessus, elle est instable vis-à-vis d’eux : de l’oxygène se forme.
Lors de l’étude du comportement d’un élément métallique vis-à-vis de l’eau, les choses ont tendance à se compliquer davantage du fait que le dit élément peut s’oxyder en ions, mais aussi précipiter sous forme d’hydroxyde en milieu suffisamment basique selon l’équation :
Me + 2OH- Me(OH) + 2è (II.14)
En exploitant tous ces comportements, on peut construire le diagramme de POURBAIX de tout système réactionnel pour lequel on connaitrait les différentes espèces participantes et leurs potentiels standards (Jacques ILUNGA, 2017).
II-6-2-3. Diagramme de POURBAIX du système Cu-H2O
Dans le diagramme du système cuivre –eau à 25°C, comme illustre à la figure II-4 nous remarquons que le cuivre sous forme Cu2+ est stable à des pH acides et en milieu oxydant d’une façon générale, il faudrait des conditions acides et oxydantes pour rompre l’équilibre afin d’obtenir les ions cuivriques, les conditions acides sont suffisantes pour se retrouver dans le domaine de stabilité de Cu2+ (Lauth SANGUYA, 2020).
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Figure II- 4: Diagramme E-pH du système Cu-H2O
II-7. APPROCHE CINETIQUE DE LA LIXIVIATION
La cinétique a pour objectifs principaux la mesure des vitesses de réactions et la recherche des facteurs dont elles dépendent ou qui déterminent leur évolution dans le temps.
Elle permet d’évaluer la durée de transformation qu’on veut effectuer dans des conditions physico-chimiques déterminées ou de définir, pour une transformation donnée, les meilleures conditions opératoires des points de vue technique et économique (ROGER RUMBU, 2018).
II-7-1. Facteurs influençant la cinétique de lixiviation
Étant donné le caractère hétérogène des réactions de lixiviation (plus d’une phase), la vitesse de réaction peut être influencée par les facteurs suivants :
- Dimension des particules
Les particules fines permettent une meilleure lixiviation. Alors que les trop fines particules posent cependant des problèmes lors des procédés subséquents de séparation Solide-Liquide (BOUKHEMIKHEM Zahira, 2010).
- Concentration des réactifs
La vitesse de la réaction est favorisée par l’augmentation de la concentration des agents de lixiviation, quoi qu’une perte de sélectivité puisse aussi en résulter (BOUKHEMIKHEM Zahira, 2010).
- Agitation
Étant donné que les réactifs doivent se rendre à la surface solide pour l’attaquer, les phénomènes de transfert de matière sont très importants. Les coefficients de transfert de matière sont fonction du nombre de Reynolds, donc du degré de turbulence de la suspension, d’où le besoin d’avoir un bon niveau d’agitation (BOUKHEMIKHEM Zahira, 2010).
- Densité de la pulpe
En général, la vitesse de lixiviation augmente lorsqu’il s’agit de pulpes diluées. Cependant une telle opération est plus dispendieuse et elle implique des coûts supplémentaires lors de la purification de la solution et la récupération du métal (BOUKHEMIKHEM Zahira, 2010).
- Température
Comme toute réaction chimique, les réactions de lixiviation sont accélérées par la température (effet sur la constante cinétique, équation d’Arrhenius). Cependant, lorsqu’il ya des gaz impliqués dans la réaction, leur plus grande volatilité oblige à établir un compromis (BOUKHEMIKHEM Zahira, 2010).
II-8. LE RENDEMENT DE LIXIVIATION
Le rendement de lixiviation est déterminé par la teneur des solutions de lixiviations et la teneur résiduelle après traitement :
𝑅(%) = 𝑀𝑙𝑖𝑥𝑖𝑣𝑖é
𝑀𝑙𝑖𝑥𝑖𝑣𝑖é+𝑀𝑟é𝑠𝑖𝑑𝑢𝑒𝑙
× 100 (II-15)
La récupération varie avec le temps car au fur et à mesure que celle-ci avance, moins de matière lixiviable reste dans le réacteur.
Il est donc important de connaitre l’évolution de la récupération avec le temps afin de pouvoir décider du meilleur moment pour arrêter le processus (BOUKHEMIKHEM Zahira, 2010).
II-9. OPERATIONS SUBSEQUENTES A LA LIXIVIATION
Les solutions de lixiviation contiennent des proportions de solide variables selon le type d’opération effectuée : faible dans les jus de lixiviation en tas, importante dans ceux issus de la lixiviation en réacteurs agités.
Les étapes de séparation Solide-Liquide constituent une partie essentielle des usines de lixiviation car elles permettent de séparer la solution riche des résidus solide sans valeur.
II-9-1. Séparation Solide-Liquide
L’efficacité des procédés subséquents de purification (extraction par solvant, échange ionique, etc.) nécessite des solutions exemptes de solide en suspension et dépend fortement de la présence de l’espèce recherchée dans la solution d’alimentation. Si le résidu contienne un minimum de solution de lixiviation, cela signifierait une perte de métal et une pollution de résidu.
L’obtention de solutions claires requiert des séparations Solide-Liquide assez complexes et dispendieuses. Le degré de finesse des particules utilisées dans certaines opérations de lixiviation ne facilite pas la tâche de séparation Solide-Liquide en raison de la faible vitesse de sédimentation de ces particules (BOUKHEMIKHEM Zahira, 2010).
Les techniques de séparation Solide-Liquide principalement mise en œuvre sont :
- La décantation :
La décantation est très employée en industrie, elle permet un fonctionnement en continu des installations. Elle consiste en un déplacement dans un milieu fluide de particules solides sous l’action du champ de pesanteur. Les particules solides coulent au fond des décanteurs sous forme de boues. Cette technique est très répandue dans les usines d’épuration et de traitement des eaux.
- La filtration :
Souvent réalisée en continu : Lors de la filtration, on fait passer la pulpe ou le liquide turbide à travers une membrane poreuse ou un lit de particules (milieu filtrant) qui retient les particules solides, laissant par contre passer le liquide (filtrat).
- La centrifugation :
Très rarement mise en œuvre à l’échelle industrielle, La centrifugation est largement mise en œuvre à l’échelle de laboratoire, son utilisation dans l’industrie est rare du fait du coût d’entretien élevé et des contraintes exigées par l’appareillage. Elle consiste à appliquer aux particules en suspension un champ de forces centrifuges infiniment plus grand que le champ de pesanteur. La centrifugation permet d’améliorer la séparation dans les cas délicats (la granulométrie est faible <50μm) (BOUKHEMIKHEM Zahira, 2010).
Questions Fréquemment Posées
Qu’est-ce que la lixiviation et comment fonctionne-t-elle?
La lixiviation est un processus simple d’extraction par dissolution basé sur le fait que chaque minerai a un coefficient de dissolution différent et peut donc se retrouver séparé de sa gangue par la circulation d’un solvant.
Quels sont les diagrammes de Pourbaix et leur utilité?
Les diagrammes de Pourbaix, ou diagrammes potentiel-pH, indiquent sur un plan E-pH les domaines d’existence ou de prédominance des différentes formes d’un élément, basés sur l’équation de Nernst.
Comment la granulométrie influence-t-elle la lixiviation du cuivre?
L’étude montre que la granulométrie a une influence sur la cinétique de lixiviation, avec des essais réalisés sur quatre granulométries différentes pour évaluer l’évolution de la mise en solution du cuivre.