Optimisation de la précipitation des métaux lourds en mélange et valorisation des boues d'hydroxydes : application aux effluents de traitement de surfaces

Precipitation of heavy metals in mixture optimization and obtained hydroxide sludge valorisation : application to the effluents of surface treatment.

• Auteur / Autrice : Adeline Tatangelo
• Direction : Jacques Bourgois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie de l'environnement
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydroxydes doubles lamellaires

Hydroxydes

Métaux lourds

Pollution

Traitements de surface

Résumé

Le traitement de surfaces est responsable d’une part importante de la pollution industriellefrançaise. L’activité génère entre autre des métaux lourds toxiques en mélange (zinc, nickel,chrome, etc. ) que la réglementation impose d’éliminer, avant rejet dans le milieu récepteur. La précipitation sous forme d’hydroxydes est le procédé le plus utilisée et donne des résultatssatisfaisants, aux regards des seuils de rejet actuels. Mais face à une évolution constante de la réglementation vers des seuils plus sévères et l’obligation de cadrer avec les Meilleures Techniques Disponibles, l’optimisation du rendement de la précipitation de métaux en mélange, revêt un enjeu important pour les traiteurs de surfaces, souvent demandeurs pour l’amélioration de leur procédé, plutôt basé sur le savoir-faire. Alors que de nombreux travaux concernent les métaux seuls en solution, les études sur les mélanges métalliques sont en effet limitées. Une modélisation mathématique du second degré, est établie entre le rendement de précipitation et les conditions opératoires (pH, proportion en cations, vitesse d’agitation et temps) pour des solutions synthétiques bimétalliques de zinc, nickel et chrome trivalent. Les résultas obtenus permettent de connaître les pH optimaux de précipitation, selon les rapports de proportion entre les métaux. Malgré les résultats de validation concluants, il apparaît que le modèle quadratique ne soit pas adapté pour les deux métaux divalents en mélange avec le chromeIII. De plus, les résultats ont montré que le chrome trivalent abaisse le pH optimal de précipitation du zinc et du nickel vers 6,4, son propre pH de précipitation. Un pH de 10 permet la précipitation du zinc et du nickel, en mélange, en particulier s’ils sont dans des proportions 50/50. Il en résulte, dans l’optique d’une application industrielle, la possibilité et un intérêt (économie de réactif) de précipiter simultanément le chrome avec le zinc ou le nickel d’une part et le zinc et le nickel d’autre part. Les résultats obtenus en laboratoire sont confirmés par les essais pilote. L’optimisation de l’étape de précipitation dans son ensemble englobe également la valorisation des boues d’hydroxydes formées. Les Hydroxydes Doubles Lamellaires (HDL) sont des composés aux propriétés uniques permettant parmi d’autres applications, le piégeage de métaux lourds. L’analyse de boues industrielles et de boues formées en laboratoire à partir d’effluents industriels a montré la présence de structures se rapprochant des HDL. Nos travaux ont ainsi mis en évidence la possibilité d’utiliser des boues industrielles pour le piégeage de chromates. Cette phase exploratrice est prometteuse et ouvre des perspectives intéressantes de valorisation des boues d’hydroxydes industrielles.

Surface treatment generates an important part of French industrial pollution. Effluents contain a mixture of toxic heavy metals, such as nickel, zinc or chromium. In order to comply with regulation, theses pollutants have to be eliminated before discharge into the environment. The most used process is the hydroxide precipitation with soda or lime. It allows satisfying results in terms of discharge thresholds. Mainly based on craftsmanship, the optimization of the depuration process is then limited. But, facing regulations becoming more and more strict and having to consider the best available technologies, metal finishers must take care of the optimisation of the metal mixture precipitation efficiency Even if there is a lot of research works concerning heavy metals alone in solution, studies on heavy metals mixtures are much limited. Then, second degree mathematical models are built linking the precipitation efficiency to the operating conditions (pH, cation proportion, agitation speed and duration) for bimetallic synthetic solutions of zinc, nickel and chromiumIII. The given results allow to deduce the optimal pH of precipitation for the metal proportion rates. In spite of conclusive validation results, it appears that models concerning the two divalent metals in mixture with chromiumIII are not really satisfying. The quadratic mathematical model seem not to be adapted. Moreover, results shows that the chromiumIII reduces the optimal precipitation pH of zinc and nickel down to 6. 4, its own precipitation pH. A pH of 10 allows the zinc and nickel precipitation, in mixture, particularly in a 50/50 rate. In terms of industrial application, this results into the possibility and the interest (reactive economy) to simultaneously precipitate in one hand the chromium with the zinc or the nickel, and on the other hand the zinc and the nickel together. The pilot scale tests confirm the laboratory scale results. The optimisation of the precipitation step in its wholeness includes also the valorisation of the generated hydroxide sludge. Lamellar Double Hydroxides (LDH) are compounds with unique properties permitting among other applications, the absorption of heavy metals. The analysis of industrial sludge and of laboratory sludge generated from industrial effluents showed the presence of structure close to LDH. The possibility of using industrial sludge for absorbing chromates have been exposed by our research work. This exploring phase is promising and opens interesting perspectives for the valorisation of hydroxide sludge.