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Valorisation et décontamination des métaux présents dans les poussières de four à arc électrique (EAF) issues de la fabrication de l’acier.

Xu, Tengfei (2015). Valorisation et décontamination des métaux présents dans les poussières de four à arc électrique (EAF) issues de la fabrication de l’acier. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 242 p.

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Résumé

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Au cours des dernières décennies, le recyclage des ferrailles dans la fabrication de l’acier s’est généralisé avec la prolifération des fours à arc électriques (EAF). Bien que ce soit un outil puissant dans la production de l’acier, cette technologie produit également des émissions polluantes parmi lesquelles des poussières, composées principalement d’oxydes métalliques. Les poussières d’aciérie (PA) ont été classées dans la catégorie des déchets dangereux par différents organismes gouvernementaux au Canada et à l’international comme l’Agence de Protection de l’Environnement des États-Unis (United States Environmental Protection Agency - USEPA), en raison du potentiel risque de lixiviation des métaux toxiques présents dans les résidus tels que le Cd, le Cr et le Pb. Cependant, la présence de Zn en fortes concentrations dans ces poussières fait de ce résidu un déchet potentiellement valorisable. Plus de 3,7 Mt de PA sont produites chaque année à travers le monde. Les procédés hydrométallurgiques sont plus souvent utilisés que les procédés pyrométallurgiques pour la décontamination et la valorisation des PA car ils génèrent moins de pollution et possèdent des coûts d’opération moins élevés. Dans ce projet de maîtrise, de nombreux essais ont été menés afin de développer un procédé hydrométallurgique permettant de récupérer le Zn présent dans les PA sous une forme valorisable (Zn métallique, Zn(OH)2, etc.), tout en traitant les autres métaux lourds toxiques présents initialement dans les poussières, dans le but de générer un résidu final non dangereux pour l’environnement. La première partie de ce projet a consisté à réaliser une étude bibliographique approfondie sur les différents procédés hydrométallurgiques existants permettant de récupérer les métaux présents dans les cendres de sidérurgie. Une caractérisation chimique et morphologique des échantillons de PA fournies par Arcelor Mittal Montréal Inc. a ensuite été réalisée. Des analyses par ICP-AES, DRX et MEB ont été réalisées afin d’étudier les propriétés chimiques, minéralogiques et morphologiques de ces résidus. Pour les essais de lixiviation, l’acide sulfurique a été appliqué dans un premier temps comme agent de lixiviation en raison de son faible coût. Une étude cinétique de la réaction de lixiviation en milieu acide, ainsi que deux séries d’expérimentations d’optimisation des conditions opératoires ont été réalisées. La méthodologie des plans d’expériences Box Behnken a été utilisée afin d’identifier les paramètres opératoires ayant une influence sur la solubilisation des métaux et d’évaluer les conditions optimales des procédés de lixiviation en milieu acide et basique. La lixiviation basique a été abandonnée en raison des faibles rendements de solubilisation obtenus pour le Pb et le Zn sur l’ensemble du domaine expérimental testé. Un taux d’extraction du Zn de 70% a été atteint dans les conditions optimales du procédé de lixiviation en milieu acide ([H2SO4] = 1 M, S/L ratio = 15% (p/p), T = 20°C). Le Pb, quant à lui, reste toujours insoluble dans les conditions de lixiviation acide. Par la suite, un procédé de lixiviation combinant des étapes de lixiviation acide et basique a été testé dans le but d’améliorer la solubilisation du Zn et du Pb présents initialement dans les poussières d’aciérie. Malheureusement, malgré toutes les conditions testées, le résidu sortant du procédé n’atteint pas le critère défini dans la réglementation québécoise pour le Pb lors du test TCLP (Toxicity characteristic leaching procedure). Par conséquent, la méthode a été abandonnée. Par la suite, un inertage du Pb en présence d’acide phosphorique a été réalisé suite aux étapes de lixiviation acide. Les critères du test TCLP ont été atteints pour le Pb après les premiers essais d’inertage. Cependant, une optimisation des paramètres opératoires du procédé d’inertage devra être étudiée. De grandes quantités d’effluents acides contenant des teneurs élevées en Zn et en Fe ont été produites au cours du procédé de lixiviation acide optimisé. Différents modes de récupération du Zn, basés principalement sur la précipitation sélective et/ou l’électrodéposition, ont été étudiés dans le but de valoriser le Zn présent dans les effluents acides. Les essais de précipitation sélective ont été menés sur 1 kg de lixiviat avec une étape préalable d’enlèvement du Fe par oxydation des ions ferreux en ions ferriques. Différentes conditions opératoires (agents d’oxydation, agents de précipitation, pH) ont été testées afin de précipiter le Zn sous forme d’hydroxydes ou de sulfures purs. Les résultats ont permis de montrer l’efficacité de la précipitation sélective du Zn avec une pureté de Zn(OH)2 de plus de 70% après l’enlèvement des impuretés par oxydation et précipitation sélective du fer. Le traitement des effluents issus des étapes de lixiviation par électrodéposition a permis de déposer une poudre de zinc ayant une pureté de plus de 95% sur la cathode en acier. Les essais d’optimisation des paramètres opératoires (durée de l’électrodéposition, intensité de courant appliquée) ont été réalisés sur des solutions synthétiques, puis ont été testées sur les lixiviats générés lors du procédé de décontamination et de valorisation du Zn présent dans les PA. Pour les essais réalisés sur le lixiviat, plus de 75% du Zn présent en solution a été déposé sur la cathode après 150 min avec une intensité de courant fixée à 10 A (densité de courant = 11,4 mA/cm2). Ces résultats obtenus lors du développement de ce procédé de lixiviation et de valorisation du Zn présent dans les effluents générés s’avèrent encourageants d’un point de vue efficacité et faisabilité économique, permettant d’envisager une application industrielle du procédé et une application plus vaste aux autres résidus ayant des compositions chimiques comparables.

abstract

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Over the recent decades, the recycling of scrap in steel production is becoming more and more important with the proliferation of electric arc furnace plants (EAF). Although this technology is considered as a powerful tool in steel production, it produces emissions including dusts, mainly composed of metallic oxides. The steel dusts were classified as hazardous wastes by several governmental agencies in Canada and across the world (United States Environmental Protection Agency in the USA) due to the potential risks of toxic metals leaching such as Cd, Cr and Pb from the residues. However, the presence of high concentrations of Zn in steel dusts converts these wastes into attractive recoverable residual wastes. Across the world, more than 3.7 Mt of steel dusts are produced annually. Usually, hydrometallurgical processes are more commonly used than pyro-metallurgical processes for the decontamination and the recovery of steel dusts due to their low operating costs and their smaller impacts on the environment. In the present research project, several assays were conducted in order to develop an efficient and economically viable hydrometallurgical process able to remove toxic metals initially present in the dusts in order to produce a non-hazardous residue and to recover Zn from EAF dusts in a marketable form (metal Zn, Zn (OH)2, etc.). The first part of this project was to conduct a literature review on the different existing hydrometallurgical processes allowing the removal of metals from EAF dusts. A chemical and morphological characterization of EAF dusts samples provided by ArcelorMittal Montreal Inc. was then performed. Indeed, a characterization based on ICP-AES, XRD and SEM analysis was conducted to study the chemical, the mineralogical and the morphological aspects of these residues. Sulfuric acid was used as a leaching agent during the leaching tests because of its low cost and its high efficiency to solubilize metals from solid matrix. Kinetic studies of the solubilization of metals in an acidic medium followed by two series of optimization experiments of the operating conditions were performed. The Box Behnken methodology was used to identify the influence of different operating parameters on the solubilization of metals and to determine the optimal conditions of both leaching processes in acidic and alkaline media. The alkaline leaching process was abandoned because of its low performances of Pb and Zn solubilization obtained on the entire experimental region. Under optimal conditions ([H2SO4] = 1 M, S/L ratio = 15% (w/w), T = 20°C), more than 70% of Zn was solubilized whereas Pb still remains insoluble in acidic leaching conditions. Then, a combination of acidic and alkaline leaching steps was tested in order to improve the solubilization of Zn and Pb initially present in the EAF dusts. Unfortunately, despite all the conditions tested, the final EAF residue does not reach the criterion defined in the TCLP test (Toxicity characteristic leaching procedure) for the Pb. Therefore, the performances of the immobilization of Pb in the presence of phosphoric acid were studied on the residues coming out of the acidic leaching steps. After the Pb immobilization step, the residues meet the TCLP criteria defined for Pb. However, an optimization of the operating parameters of the immobilization process should be done. Large amounts of effluents containing high concentrations of Zn and Fe were produced during the acidic leaching process. Different methods of zinc recovery, mainly based on the selective precipitation and/or electrodeposition, have been studied in order to remove the Zn from the acidic effluent and to recover it in its purest form; increasing its potential of valorization. The selective precipitation experiments were conducted on 1 kg of leachate. In order to allow a selective recovery of Zn, a preliminary oxidation of ferrous ions into ferric ions followed by the precipitation of iron at pH 3-4 was performed. Different operating conditions (oxidizing agents, neutralizing agents and pH values) were tested to precipitate Zn under hydroxides or sulfides precipitates. The results showed that after impurities removals by oxidation and selective precipitation of Fe at pH = 4, a precipitate of Zn(OH)2 with a purity higher than 70% was obtained at pH = 7. The electrodeposition of Zn, carried out on steel cathodes, allowed a recovery of Zn with a purity of 95%. The optimization of the operating parameters (duration of electroplating, applied intensity) were first performed on synthetic solutions and were then tested on the leachates produced during the decontamination process. For the experiments conducted on the leachate coming from the decontamination process, more than 75% of Zn present in the leachate was deposited on the cathode after 150 min with a current density set at 10 A (current density = 11.4 mA/cm2). The different results obtained during the development of this leaching process and the recovery of Zn present in the generated effluents were very promising in terms of performances and operational costs; allowing us to consider an industrial application of this process to respond to the actual problematic of EAF dusts disposal.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Mercier, Guy
Co-directeurs de mémoire/thèse: Blais, Jean-François
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: industrie sidérurgique; poussières d’aciérie; lixiviation acide; effluents; précipitation sélective; électrodéposition; zinc; plomb; cadmium
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 11 févr. 2016 18:40
Dernière modification: 11 févr. 2016 19:19
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/3299

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