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Étude d’un procédé hydrométallurgique de récupération du manganèse et du zinc présents dans les déchets de piles alcalines.

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Jabir, Ahlame Dalila (2018). Étude d’un procédé hydrométallurgique de récupération du manganèse et du zinc présents dans les déchets de piles alcalines. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 118 p.

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Résumé

Depuis plusieurs années, les ventes de piles grand public ne cessent d’augmenter sur le marché mondial. Les piles, qu’elles soient rechargeables ou non, ont une durée de vie limitée. Par conséquent, au cours de ces dernières années, les quantités de déchets de piles rejoignant le flux de matières résiduelles acheminées vers les lieux d’élimination et/ou vers l’incinérateur deviennent de plus en plus importantes. Différentes filières de traitement/valorisation des déchets de piles ont été développées au cours de ces dernières années en fonction de la catégorie de piles usagées considérée. Pour les piles alcalines, qui représentent plus de 80% des piles commercialisées à travers le monde, une nouvelle technologie simple, efficace, rentable et respectueuse de l’environnement a été développée au sein de l’INRS-ETE en vue de son application au secteur industriel. Ce projet de recherche vise le développement et l’optimisation, à l’échelle pilote, d’un procédé de recyclage et de valorisation des métaux d’intérêt, tels que le zinc (Zn) et le manganèse (Mn), présents dans les déchets de piles alcalines. Une filière technologique de traitement a donc été mise au point afin de récupérer les métaux présents dans les déchets de piles alcalines. Avant tout, les piles doivent être collectées et triées afin d’être prêtes pour le déchiquetage et le concassage mécanique. Ensuite, les poudres de piles alcalines ont été extraites par un traitement physique et les métaux contenus dans ces poudres ont été lixiviés à l’aide d’une solution de H₂SO₄ et de Na₂S₂O₅. Chaque étape du procédé de solubilisation des métaux et de récupération sélective du Zn et du Mn a été optimisée par l’étude de l’ensemble des paramètres agissant sur les performances de récupération de ces métaux d’intérêt. Dans un premier temps, les métaux (Zn et Mn) ont été solubilisés de manière sélective, le Zn étant solubilisé en présence d’ H₂SO₄ et le Mn en présence d’ H₂SO₄ et de Na₂S₂O₅. Les meilleures conditions opératoires pour la lixiviation du Zn sont : un ratio S/L de 40% (p/v), [H₂SO₄] = 2 M, T = 20°C et temps de lixiviation = 45 min. Pour le Mn, les meilleures conditions opératoires sont : un ratio S/L de 15%, 0.45 g Na₂S₂O₅/g poudre de piles alcalines, [H₂SO₄] = 2 M, t = 45 min et T = 20°C. Avec ces conditions, 82% du Zn et 21% du Mn ont été extraits durant la première étape de lixiviation ensuite 90% du Mn et 87% du Zn restants dans le résidu ont été extraits en deuxième lixiviation. Par la suite, les recherches ont été concentrées sur la récupération du Mn présent dans l’effluent issu de la seconde étape de lixiviation. Le Zn résiduel présent dans le lixiviat issu de la seconde étape de lixiviation a été récupéré par précipitation sous forme de ZnS afin de purifier l’effluent avant la récupération du Mn. Ces boues de précipitation pourront être réintroduites dans le procédé de lixiviation pour récupérer le Zn et le Mn ayant co-précipité afin de réduire la quantité de déchets à gérer et de maximiser la valeur commerciale du Zn et du Mn présents dans les déchets de piles alcalines. Le Mn présent en solution a été récupéré par précipitation sous forme de carbonates purs à 95%. Dans son aspect final, le procédé développé et optimisé au cours de ce projet est considéré comme une solution économiquement viable et écologiquement durable permettant de résoudre la problématique actuelle de gestion des déchets de piles.

Abstract

Large public sales of batteries are increasing on the international market. Rechargeable and non-rechargeable batteries have a limited life span. Consequently, the amounts of spent batteries reaching the flow of domestic wastes through the landfill sites or incinerator are becoming more and more important during the last few years. Different recycling processes have been developed over the last few years to recover valuable metals depending on the type of spent batteries. For alkaline batteries, which represent more than 80% of batteries on the market throughout the world, a new simple, efficient, profitable, and environmentally friendly technology has been developed at the INRS-ETE. This research project aims at developing and optimising a recycling process and recovering metals such as zinc (Zn) and manganese (Mn) mainly found in alkaline spent batteries. First of all, spent batteries have to be collected and sorted out, so that they can be torn to pieces and crushed mechanically. Then, the powder has been extracted using a physical process and metals were solubilized using H₂SO₄ and Na₂S₂O₅. Each step of this process including the solubilisation of metals and the selective recovery of Zn and Mn has been optimised by studying all the factors which have an effect on the recovery of these metals of interest. First, the metals (Zn and Mn) have been solubilized in a selective way. Zinc has been solubilized with H₂SO₄, and Mn with a combination of H₂SO₄ and Na₂S₂O₅.The optimal parameters for Zn leaching are: S/L ratio of 40% (w/v), [H₂SO₄] = 2 M, T = 20°C and leaching time = 45 min. For Mn, the optimal parameters are: S/L ratio of 15%, 0.45 g Na₂S₂O₅/g alkaline battery powder, [H₂SO₄] = 2 M, t = 45 min and T = 20°C. In these conditions, 82% of the Zn and 21% of the Mn were removed during the first leaching step, after which 90% of the Mn and 87% of Zn the remaining in the residue were removed during the second leaching. Then, we focused our attention on the selective recovery of Mn from the effluent emerging from the second leaching step. The residual Zn found in the leaching solution emerging from the second leaching step was recovered by precipitation in the form of ZnS. The sludge, which contained both ZnS and MnS, can be reintroduced in the leaching process to recover Zn and Mn which have co-precipitated, to reduce the amounts of wastes to be managed and to maximize the commercial value of Zn and Mn found in the alkaline spent batteries. The residual present in the supernatant was then recovered by precipitation in the form of 95% pure carbonate. In its final aspect, the developed and optimized process is as an efficient and environmentally friendly process, which makes it easy to resolve the current issue of managing spent batteries.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Blais, Jean-François
Co-directeurs de mémoire/thèse: Mercier, Guy
Mots-clés libres: recyclage; valorisation; piles alcalines; séparation physique; hydrométallurgie; lixiviation; précipitation sélective; zinc; manganèse; recycling; valorization; alkaline batteries; physical separation; hydrometallurgy; leaching; selective precipitation; zinc; manganese
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 19 oct. 2018 15:15
Dernière modification: 19 oct. 2018 15:15
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/7585

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