Etude du comportement des métaux au cours de leurs traitements hydrométallurgiques
Une étude sur la récupération du ZnO à partir du catalyseur ZnO/Al2O3 par l’acide citrique a été réalisée, dans le cadre de méthodes hydrométallurgiques à faible impact écologique. L’utilisation de lixiviants naturels permet de réduire les post-traitements et de protéger l’environnement.
Université Badji Mokhtar-Annaba
Faculté des sciences de l’ingéniorat Département de génie des procédés
Doctorat 3ème cycle
Présentation du projet
Etude du comportement des métaux au cours de leurs traitements hydrométallurgiques
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Larba Rima
Dirigé par: Prof. Djerad Souad & Prof. Tifouti Lakhdar
2016
DEDICACE
Je dédie ce modeste travail à :
Mes parents qui m’ont toujours soutenue et encouragée pendant toutes ces années d’études.
A mon mari pour son aide précieuse et ses encouragements.
A mes chères sœurs Sarra et Ines.
A mon petit enfant Ahmed que dieu le protège.
A toutes mes amies.
Rima
Remerciement
Au terme de ce travail, je tiens à remercier Dieu avant tout ;
Je tiens à remercier tous ceux qui ont participé à la réalisation de cette thèse et qui n’a été possible que grâce au soutien de nombreuses personnes, que chacune trouve dans les premières phrases de cette thèse l’expression de ma profonde et sincère reconnaissance.
Je tiens tout d’abord à exprimer mes remerciements au professeur DJERAD Souâd, ma directrice de thèse, pour son inspiration constante, ses orientations enrichissantes et son encadrement scientifique, ce qui a permis de donner plus de valeur à l’ensemble de ce travail.
Les membres du jury: Le professeur DERRADJI Ahmed qui m’a fait l’honneur de présider mon jury de thèse ; Le Professeur DELIMI Rachid de l’université de Annaba et le Docteur DERBAL Karoum de l’université de Constantine pour avoir accepté de participer à l’évaluation de ce travail ; Le professeur TIFOUTI lakhdar ; directeur du laboratoire de génie de l’environnement pour son suivi constant des travaux de recherches réalisés par les doctorants du département.
Mes remerciements sont adressés aussi à tous ceux qui ont participé de prés ou de loin et dont leurs noms ne figurent pas sur cette liste.
Table des Matières
Introduction générale. 1
Chapitre I : Importance des métaux dans l’économie mondiale 3
• Introduction. 3
• Importance des métaux dans l’économie mondiale. 4
• Ressources minérales et développement économique. 5
• La disparité de consommation des ressources naturelles 9
• Epuisement des ressources naturelles 10Calendrier de l’épuisement des minerais. 11La disparition du Cryolithe et du Terbium. 11la fin de l’argent (2021) 12La fin du palladium (2023). 12La fin de l’or (2025). 12La fin du cuivre (2039). 13La fin du zinc (2025). 13La fin du cadmium (2040). 14
• Calendrier de l’épuisement des minerais. 11La disparition du Cryolithe et du Terbium. 11la fin de l’argent (2021) 12La fin du palladium (2023). 12La fin de l’or (2025). 12La fin du cuivre (2039). 13La fin du zinc (2025). 13La fin du cadmium (2040). 14
• La disparition du Cryolithe et du Terbium. 11
• la fin de l’argent (2021) 12
• La fin du palladium (2023). 12
• La fin de l’or (2025). 12
• La fin du cuivre (2039). 13
• La fin du zinc (2025). 13
• La fin du cadmium (2040). 14
• Le recyclage des métaux. 14
• Les enjeux du recyclage. 15
• Conclusion. 16
Références. 17
Chapitre II : Pollution environnementale par les industries extractives 18
• Introduction. 18
• Les activités industrielles. 19
• Impacts des activités industrielles sur l’environnement. 20
III. 1. Impact sur la qualité de l’eau. 20
• 2. Impact sur la qualité de l’air. 21Impact sur la qualité du sol. 22Impact sur la santé publique. 23
• Impact sur la qualité du sol. 22
• Impact sur la santé publique. 23
• Traitements de réhabilitation des sols 24Classement des différentes techniques de dépollution 24Classement en fonction de la nature des procédés employés 24Classement en fonction du lieu de traitement 25Classement en fonction du devenir des polluants 25
• Classement des différentes techniques de dépollution 24Classement en fonction de la nature des procédés employés 24Classement en fonction du lieu de traitement 25Classement en fonction du devenir des polluants 25
• Classement en fonction de la nature des procédés employés 24
• Classement en fonction du lieu de traitement 25
• Classement en fonction du devenir des polluants 25
• Spécificités de la pollution par les métaux. 26
• Toxicologie des métaux lourds. 27Le zinc. 29caractéristiques générales 29Spéciation et mobilité du zinc. 29Toxicité. 30Le cadmium. 30caractéristiques générales 30Spéciation et mobilité du cadmium. 31Toxicité. 31
• Le zinc. 29caractéristiques générales 29Spéciation et mobilité du zinc. 29Toxicité. 30
• caractéristiques générales 29
• Spéciation et mobilité du zinc. 29
• Toxicité. 30
• Le cadmium. 30caractéristiques générales 30Spéciation et mobilité du cadmium. 31Toxicité. 31
• caractéristiques générales 30
• Spéciation et mobilité du cadmium. 31
• Toxicité. 31
• Conclusion. 32
Références. 33
Chapitre III : Hydrométallurgie et recyclage des métaux 35
• Introduction. 35
• Importance du recyclage. 35
• Procédés hydrométallurgiques 36Hydrométallurgie primaire 36
• Hydrométallurgie primaire 36
III.1. a. La lixiviation 37
III.1. b. La purification 37
• c. L’électrolyse 38Hydrométallurgie Secondaire 38
• c. L’électrolyse 38
• Hydrométallurgie Secondaire 38
III.2. a. Lixiviation à l’eau 39
III.2. b. Lixiviation acide 39
III.2. c. Lixiviation alcaline 40
III.2. d. Lixiviation complexante 40
III.2. e. Lixiviation oxydante 41
III.2.f. Lixiviation bactérienne 41
• Avantages et les inconvénients de l’hydrométallurgie 41
• Concept d’économie verte 43Cas de la valorisation des déchets 44La notion de technologie propre 44Les technologies de substitution 45Éco-compatibilité 46
• Cas de la valorisation des déchets 44La notion de technologie propre 44Les technologies de substitution 45Éco-compatibilité 46
• La notion de technologie propre 44
• Les technologies de substitution 45
• Éco-compatibilité 46
• Conclusion. 47
Références. 48
Chapitre IV : Etude bibliographique sur la dissolution des solides 50
• Historique. 50
• « Shrinking core model » ou le modèle de la sphère à noyau rétrécissant. 53
II-1- Contrôle par la diffusion à travers le film gazeux. 54
II-2- Contrôle par diffusion à travers la couche de produits. 56
II-3- Contrôle par la réaction chimique. 59
• Réactivité à l’interface solide/liquide des oxydes métalliques. 60
• Revue bibliographique 63
• Conclusion. 66
Références. 67
Chapitre V : Etude de la lixiviation du zinc par différents acides organiques 69
• Introduction. 69
• Matériels et produits chimiques utilisés. 71
• Préparation du catalyseur ZnO/Al2O3. 71
• Titrage du zinc par complexation. 74
• Mise en solution du catalyseur. 75
• Etude de la dissolution du ZnO par les acides organiques 75Effet de la concentration des acides organiques. 75Effet de l’agitation. 77Effet de la température. 78suivi du pH des solutions au cours des réactions chimiques. 79Etude Cinétique. 80conclusion. 83
• Effet de la concentration des acides organiques. 75
• Effet de l’agitation. 77
• Effet de la température. 78
• suivi du pH des solutions au cours des réactions chimiques. 79
• Etude Cinétique. 80
• conclusion. 83
• Etude de la dissolution du ZnO à partir du catalyseur ZnO/Al2O3 par l’acide citrique. 84Effet de la concentration de l’acide citrique. 86Effet de la vitesse d’agitation. 87Effet de la température. 87Effet de l’ajout des sels à l’acide citrique. 88Effet des sels sur la dissolution de l’oxyde de zinc en l’absence de l’acide. 90Etude Cinétique 92Suivi du pH au cours de la réaction de dissolution 93
• Effet de la concentration de l’acide citrique. 86
• Effet de la vitesse d’agitation. 87
• Effet de la température. 87
• Effet de l’ajout des sels à l’acide citrique. 88
• Effet des sels sur la dissolution de l’oxyde de zinc en l’absence de l’acide. 90
• Etude Cinétique 92
• Suivi du pH au cours de la réaction de dissolution 93
• Comparaison entre le comportement du ZnO seul et supportée par l’alumine. 96
• Les forces d’agitation thermique. 96
• Les forces hydrodynamiques. 96
• Interactions entre les particules. 96
• Conclusion 103
Références. 105
Chapitre VI : Etude de la dissolution de l’oxyde de cadmium (CdO) par différents acides organiques. 108
• Introduction. 108
• Mode opératoire. 109
• Résultats et discussion. 110Effet de la concentration des acides. 110Suivi du pH au cours de la réaction de dissolution du CdO. 112Effet de la vitesse d’agitation. 113Effet de la température. 114Détermination de l’ordre de la réaction par rapport aux acides. 115
• Effet de la concentration des acides. 110
• Suivi du pH au cours de la réaction de dissolution du CdO. 112
• Effet de la vitesse d’agitation. 113
• Effet de la température. 114
• Détermination de l’ordre de la réaction par rapport aux acides. 115
• Conclusion 122
Références. 123
Conclusion générale. 125
Figures N°Listes des figuresPagesFig. I.1Tonnages de métaux produits annuellement dans le monde.8Fig. I.2Date prévisible d’épuisement des ressources minérales9Fig. I.3Réserves mondiale disponible à cours terme11Fig. I.4Tableau de Mendeleïev montrant les risques de pénurie des espèces minérales15Fig. II.1Boues générées par l’exploitation d’une mine de manganèse au RDC20Fig. II.2Brume de poussière sur une ville minière d’exploitation du manganèse au RDC21Fig. II.3Excavations creusées dans le s d’une mine d’exploitation de manganèse en RDC22Fig. II.4Terrils non réhabilités dénaturant le paysage23Fig. III.1Procédé hydrométallurgique de récupération des matières premières secondaires42Fig. IV.1Extrait de publication de Noyes et Whitney en 189750Fig. IV.2Schéma descriptif du modèle du noyau rétrécissant54Fig. IV.3Représentation des réactifs et des produits dans le cas d’un contrôle difusionnel54Fig. IV.4Représentation des concentrations des réactifs et des produits dans le cas d’uncontrôle à travers la couche de produits57Fig. IV.5Représentation de la particule réactive lorsque la réaction est sous contrôlechimique59Fig. IV.6Représentation schématique de l’hydratation de la surface d’un oxyde et del’apparition de la charge de surface61Fig. IV.7Illustration du mécanisme de détachement des atomes métalliques de la surface d’un oxyde en milieu aqueux (la position, les charges électroniques et lesnombres de molécules d’hydrogène et d’oxygène ont été choisit arbitrairement)62Fig. V.1Dispositif expérimental utilisé pour la dissolution de l’Aluminium. 1-Thermoplongeur, 2-Agitateur magnétique, 3-Réfrigérant, 4-Réacteur en verre, 5- Bain marie.71Fig. V.2Spectre de diffraction des rayons X (a) et microscopie électronique à balayage (b) du catalyseur ZnO/Al2O372Fig. V.3Spectre de diffraction des rayons X (a) et microscopie électronique à balayage (b) du catalyseur ZnO73Fig. V.4Photo des deux solides pulvérulents préparés. A gauche le ZnO, à droite le ZnO/Al2O374Fig. V.5Effet de la concentration de l’acide citrique sur la dissolution du ZnO76Fig. V.6Effet de la vitesse d’agitation sur la dissolution du ZnO77Fig. V.7Effet de la température sur la dissolution du ZnO par les quatre acides78Fig. V.8Suivi du pH des solutions au cours de la dissolution du ZnO par les quatre acides79Fig. V.9Application du modèle de Levenspiel sur la dissolution du ZnO par les quatreacides organiques81Fig. V.10Calcul des énergies d’activation pour les quatre réactions de dissolution82
Fig. V.11Mélange contenant 200mL d’acide citrique et 4g de catalyseur ZnO/ Al2O385Fig. V.12Mélange contenant 200mL d’acide citrique et 0.153g de ZnO85Fig. V.13Effet de la concentration de l’acide citrique sur la dissolution de l’oxyde de zinc86Fig. V.14Effet de la vitesse d’agitation sur la dissolution de l’oxyde de zinc par l’acide citrique87Fig. V.15Effet de la température sur la dissolution de l’oxyde de zinc par l’acide citrique88Fig. V.16Effet de la température sur la dissolution de l’oxyde de zinc par l’acide citrique en présence de Cl- (a), NO3-(b) et SO42- (c)89Fig. V.17Effet des anions Cl- (a), NO3-(b) et SO42- (c) sur la dissolution de l’oxyde de zinc en l’absence de l’acide citrique91Fig. V.18Application du modèle de Levenspiel sur la dissolution du ZnO à partir du catalyseur ZnO/Al2O392Fig. V.19Variation du pH au cours de la dissolution du ZnO94Fig. V.20Comparaison entre les résultats de dissolution par l’acide citrique obtenue avecl’oxyde seul et supporté100Fig. V.21Comparaison entre les résultats de dissolutions par l’acide citrique à 0.05Mobtenus avec l’oxyde seul et supporté101Fig. V.22Diagramme de spéciation de l’acide citrique seul102Fig. V.23Diagramme de spéciation du ZnO en présence de l’acide citrique seul102Fig. VI.1La poudre de CdO préparée au laboratoire (a) et image MEB du produit obtenu (b)109Fig. VI.2Effet de la concentration des acides sur la dissolution du CdO111Fig. VI.3Suivi de la variation du pH au cours de la dissolution du CdO par les quatre acides organiques112Fig. VI.4Effet de la vitesse d’agitation sur la dissolution du CdO par les quatre acides organiques113Fig. VI.5Effet de la température sur la dissolution du CdO par les quatre acides organiques114Fig. VI.6Détermination des ordres des réactions par rapports aux acides organiques115Fig. VI.7Effet du pH initial des solutions d’acides sur la vitesse initiale de dissolution du CdO117Fig. VI.8Effet de la concentration initiale des acides sur la vitesse initiale de dissolution du CdO117Fig. VI.9Oxydation de l’acide ascorbique en DHA119Fig. VI.10Diagramme de spéciation de CdO en présence de l’acide citrique à différentes concentrations121
Liste des tableaux
TableauN°Titre des tableauxPagesTableau I.1Utilisation actuelle courante des métaux dans l’industrie (entre parenthèses : abondance moyenne de chaque élément dans la croûte terrestre).5Tableau I.2Dépendance de l’Union Européenne en matière première minérale.7Tableau II.1Classement des méthodes (adapté de Locomte, 1998)26Tableau II.2Temps de demi-vie biologique de quelques éléments.28Tableau III.1Quantité de chrome rejeté par l’industrie.36Tableau VI.1Valeurs des constantes d’acidité des acides testés119Tableau VI.2Espèce existants en fonction de la concentration de l’acide citrique après 60 min de réaction122