Synthèse de gels phosphocalciques issus de déchets industriels carbonatés : caractérisation physico-chimique, thermique et rhéologique

Synthesis of phosphocalcic gels from industrial waste : physico-chemical, thermal and rheological characterization

• Auteur / Autrice : Mouna Chkir
• Direction : Ange Nzihou, Patrick Sharrock
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et de l'environnement
• Date : Soutenance le 10/06/2011
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ange Nzihou, Patrick Sharrock, Guy Depelsenaire
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Éric Champion, Lev Filippov

Mots clés

Mots clés libres

Synthèse

Adsorbant

Valorisation

Déchet industriel

Carbonate de calcium

Gel

Rhéologie

Viscoélasticité

Synthesis

Adsorbent

Valorization

Calcium-carbonate waste

Gel

Rheology

Viscoelasticity

Résumé

Les travaux présentés ont pour objectif la valorisation de déchets industriels riches en carbonates pour la préparation de gels phosphocalciques. Ces gels sont destinés à des applications environnementales. Leur synthèse est basée sur la réaction des carbonates de calcium avec une solution de phosphates solubles à température ambiante et à pression atmosphérique. Le procédé élaboré à l’échelle laboratoire consiste à additionner les réactifs en variant les paramètres expérimentaux tels que le Ca/P, la température et la dilution. Cette méthode a été utilisée pour la synthèse de gels à partir de deux types de déchets industriels. Une synthèse de référence a été définie à base de carbonates de calcium purs. Dans la première partie de ce travail, une caractérisation physico-chimique et thermique des poudres synthétisées a été réalisée par différentes techniques telles que le Microscopie Electronique à Balayage (MEB), la diffraction des rayons X (XRD), la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et la thermogravimétrie. Les résultats obtenus ont montré la formation de précurseurs de Ca-HAp qui évoluent de phosphates de calcium monocalciques à des particules de Ca-HAp amorphe. Une chronologie de cette évolution a été mise en évidence pour les carbonates de calcium purs et confirmée pour les carbonates de calcium issus des déchets industriels. La transformation des carbonates de calcium a été étudiée en réalisant un bilan massique basé sur la consommation des carbonates de calcium. Ce bilan, réalisé à température ambiante, a confirmé un taux de conversion à plus de 90% pour les carbonates de calcium purs, jusqu’à 70% des carbonates issus du premier type de déchet et 50% des carbonates correspondant au deuxième type de déchet. L’influence de certains paramètres expérimentaux s’est avérée primordiale pour l’amélioration de ce taux de conversion et particulièrement l’augmentation de la température. Dans la deuxième partie de ce travail, les propriétés rhéologiques des gels phosphocalciques ont été étudiées. Le suivi de la viscosité et des caractéristiques élastiques a permis de mettre en évidence la formation d’un gel viscoélastique qui pourrait présenter de nombreux avantages dans des applications environnementales.

The aim of this research was the valorization of industrial wastes rich in carbonates to prepare calcium phosphate gels for environmental applications. The phosphocalcic gel was prepared by precipitation from calcium carbonate industrial waste and a phosphate solution. The process consisted in mixing the reagents under a set of variable parameters (pH, Ca / P, temperature, dilution) to study the influence of each parameter on the conversion rate and the adsorption properties of the synthetized material. A reference hydroxyapatite was prepared following the same procedure with a commercial carbonate grade (98% wt), in order to compare with the waste-made hydroxyapatite. The characterization and chemical analysis of synthetized hydroxyapatites were carried out by means of rheology, particle size, Scanning Electron Microscopy, BET, ThermoGravimetric Analysis – Differential Scanning Calorimetry, X Ray Diffraction and Infrared spectroscopy (Fourrier Transformation Infra Red) analysis. The results obtained led to find out the chronology of the carbonates conversion into Ca-Hap precursors and particles of amorphous Ca-HAp. The kinetics show that the conversion rate is about 90% (wt) for pure CaCO3, 70% for the first waste and 50% for the second waste. Monitoring the viscosity and elastic properties has allowed us to demonstrate the formation of a viscoelastic gel. The synthesis of an elastic gel of calcium phosphate using CaCO3 waste seems to be a promising way to transform calcium residues into a valuable sorbent. Valorization of this gel in environmental applications for pollution remediation seems to be an advantageous perspective.