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Enlèvement et récupération du chrome (III) des boues de tannerie.

Shen, Shaobo (2002). Enlèvement et récupération du chrome (III) des boues de tannerie. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 206 p.

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Résumé

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Malgré les teneurs élevées en Cr(III) dans les boues de tannerie, la plupart de celles-ci sont encore disposées par enfouissement partout dans le monde par manque de méthodes appropriées de traitement. Depuis le début des années 90, la récupération du Cr(III) des boues de tannerie a été étudiée par différents chercheurs. Les concentrations élevées en Al, Fe, Ca, Mg et Zn dans l'agent tannant sont nuisibles aux propriétés du cuir tanné. Pour faciliter l'enlèvement du chrome des boues de tannerie et recycler le chrome comme agent tannant, ces cinq métaux doivent d'abord être enlevés autant que possible de l'extrait acide des boues de tannerie. Cette étude a permis, dans un premier temps, d'établir les conditions optimales d'extraction du Cr(III) à partir des boues de tannerie en utilisant l'acide sulfurique. Ainsi, l'effet de divers paramètres (le temps d'extraction, le type d'acides minéraux, la consommation de l'acide, le pH, la concentration en solides des boues, la température et le type des boues) sur les rendements de lixiviation des métaux a été étudié. Les résultats ont montré que l'efficacité maximum d'extraction du Cr(III) des boues de tannerie se situe aux environs de 90 %. Les résultats ont aussi indiqué qu'une période de 2 h est suffisante pour l'extraction de la plupart des métaux à partir des boues de tannerie. De plus, cette étude a révélé que l'acide sulfurique constitue l'acide inorganique le plus intéressant, sur le plan coût/efficacité, pour l'extraction du chrome à partir de ce type de boues. Les différents tests effectués ont montré que la gamme optimale de pH pour l'extraction du chrome se situe entre 2.0 et 3.0. De même, selon les tests réalisés la concentration optimale en solides des boues pour l'extraction du Cr(III) se situe aux environs de 75- 80 g/L. Également, les essais de lixiviation conduits à différentes températures ont démontré que le rendement d'extraction du chrome diminue avec la hausse de la température des boues. Finalement, le type des boues traitées (humides ou séchées) n'a aucun effet sur le rendement de lixiviation du Cr(III). Pour expliquer les observations expérimentales et fournir la base théorique des conditions optimales d'extraction du chrome, des calculs thermodynamiques ont été effectués afin de définir les précipités pouvant être formés lors du procédé d'extraction en milieu acide. L'énergie libre de Gibbs (ΔG = RTln (Qc/Kc)) de précipitation a été employée pour examiner la formation des précipités pendant le procédé de lixiviation. Les constantes d'équilibre d'activité (Ka) de diverses précipitations ont été tirées de la littérature. Les valeurs de Ka ont été corrigées pour obtenir les valeurs correspondantes du produit de concentration (Qc) et de la constante d'équilibre de concentration (Kc) en utilisant les coefficients d'activité (γ) d'ions. Ces calculs ont proposé que les composés suivants peuvent être formés: (am)Cr(OH)3, (am)CrP04, (am)Fe(OH)3, a-FeOOH (goethite) , FeP04•2H20, (am)AIP04•2H20 et CaS04•2H20 (gypse). Les solubilités de ces précipités diminuent avec la hausse de la force ionique (ou la concentration en solides des boues). Les résultats des calculs ont été appuyés par les observations expérimentales. Par la suite, l'isolement du Cr(III) à partir du lixiviat acide ( extrait acide) contenant également d'autres métaux (Al, Fe(III), Ca, Mg et Zn) a été étudié et a conduit au développement d'un nouveau procédé. Cette technologie inclut la dilution du lixiviat, l'enlèvement de l'Al et du Fe par précipitation d'hydroxydes à pH 4.0-5.0, l'enlèvement de l'Al et du Fe résiduels, ainsi que du Zn par leur précipitation avec un agent organique (cupferron), la séparation du Cr(III) du Ca et du Mg par une précipitation à pH 6.0-8.0. Enfin, le Cr(III) isolé est obtenu sous forme d'un précipité d'hydroxyde (Cr(OH)3). Ce procédé simple est fort intéressant puisqu'il ne nécessite pas l'oxydation du Cr(III) en Cr(VI) et l'utilisation de résines échangeuses d'ions. De plus, le cupferron utilisé peut être récupéré et réutilisé. Un essai pilote sur l'isolement du Cr(III) a également été exécuté. Environ 450 g de boues séchées de tannerie (équivalent à 1490 g de boues humides) a été utilisé dans l'essai. Le volume utile du réacteur était de 30 L. Un rendement global de récupération du Cr(III) de 44 % (25.7 g) a été mesuré dans le précipité final contenant le Cr(OH)3. Le taux molaire relatif d'Al, du Ca, du Cr, du Fe, du Mg et du Zn dans le précipité était 3.8, 1.8, 100.0, 0.8,3.3 et 0.2, respectivement. La concentration en Cr dans ce produit est de 32.5 % et le rapport des concentrations des métaux nuisibles par rapport au Cr ((Al + Fe + Ca + Mg + Zn)/5Cr) est inférieur ou égal à 0.02. Un tel concentré de Cr(III) peut être non seulement utilisé en tant qu'agent tannant, mais également peut être utilisé dans la préparation de pigments, d'acier inoxydable, de matériaux réfractaires et de catalyseurs. Il a été observé qu'une grande quantité d'acide sulfurique est requise pour extraire le Cr(III) , ce qui augmente le coût d'extraction du chrome. Pour contrer ce problème, la solubilisation du chrome a été étudiée par un procédé de biolixiviation utilisant des bactéries oxydant le soufre élémentaire en acide sulfurique. Le dénombrement des bactéries oxydant le soufre élémentaire a montré que les thiobacilles acidophiles contribuent davantage à la réduction du pH dans les boues de tannerie que les thiobacilles peu-acidophiles. Malgré l'atteinte d'une concentration élevée en Cr(III) (aussi élevée que 5 930 mg/L), aucun effet toxique n'a été décelé sur les bactéries oxydant le soufre (thiobacilles). De plus, les bactéries oxydant le soufre élémentaire ont pu vivre dans les boues de tannerie à un pH aussi faible que 0.48 à 21°C. Une concentration en solides de 60 g/L a pu être utilisée avec succès, toutefois, une concentration de 40 g/L s'avère être la teneur optimale en solides pour l'opération du procédé de biolixiviation. D'autre part, les essais effectués ont montré que la concentration optimale, d'un point de vue économique, de soufre élémentaire ajouté pour la biolixiviation du Cr(III) se situe à 20 g/L. L'efficacité d'extraction du chrome par le procédé biologique s'est avérée comparable à celle du procédé chimique avec l'acide sulfurique, tandis que le coût des produits chimiques requis pour le procédé biologique est seulement 28 % de celui du procédé chimique. Cette étude constitue donc la première démonstration de l'efficacité de la biolixiviation avec soufre élémentaire pour l'extraction du chrome des boues de tannerie.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Tyagi, Rajeshwar Dayal
Co-directeurs de mémoire/thèse: Blais, Jean-François
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: boue; tannerie; chrome; extraction; séparation; calcul thermodynamique; métaux
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 11 févr. 2014 16:46
Dernière modification: 17 mars 2016 17:37
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1970

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