Étude cinétique aux basses sursaturations et modèle thermodynamique de la précipitation oxalique de l’uranium IV

Kinetic study at low supersaturations and thermodynamic model of uranium IV oxalic precipitation

• Auteur / Autrice : Alexandra Gutiérrez Chavida
• Direction : Hervé Muhr, Murielle Bertrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 10/12/2015
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Silvia Bolado
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérémy Nos
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Grandjean, Denis Mangin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Uranium

Solubilité

Oxalates

Précipitation (chimie)

Mots clés libres

Précipitation

Basse sursaturation

Solubilité

Oxalate

Uranium

Precipitation

Low sursaturation

Solubility

Oxalate

Uranium

Résumé

La précipitation est largement utilisée dans la chimie, l’hydrométallurgie, l’industrie pharmaceutique, le nucléaire ou de nombreuses autres activités industrielles. Les réactions de précipitation sont très sensibles à de nombreux paramètres de fonctionnement, tels que les concentrations de réactifs, la température, la sursaturation, l’hydrodynamique ou l'intensité du mélange. Ces paramètres jouent un rôle majeur pour contrôler la qualité physique du précipité. Dans l'industrie nucléaire, la précipitation est une opération très répandue, que ce soient dans l'extraction de l'uranium à partir de minerais d'uranium, dans le retraitement du combustible nucléaire irradié ou pour la gestion des effluents radioactifs. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à la précipitation de l'oxalate d’uranium IV. Seules quelques références bibliographiques liées à la précipitation de l'oxalate d'uranium tétravalent sont disponibles dans la littérature, elles concernent les fortes sursaturations (jusqu’à 2000). La présente étude a permis de proposer un modèle thermodynamique et des lois des cinétiques de précipitation à basse sursaturation à partir d’acquisitions expérimentales. De nouvelles mesures de solubilité de l’oxalate d’uranium à différentes acidités et différents excès oxaliques ont conduit à l’identification des constantes de complexation et du produit de solubilité. Les sursaturations sont calculées à partir des concentrations des ions libres. La comparaison avec l’approche basée sur les ions constitutifs montre que les deux concepts conduisent à des valeurs de sursaturations équivalentes. En ce qui concerne l’identification des cinétiques, de nombreux essais de précipitation de l’oxalate d’uranium IV en continu ont permis d’analyser l’influence des paramètres opératoires à la fois sur le rendement et les distributions de taille de particules. Les paramètres cinétiques sont obtenus par résolution du bilan de population selon la méthode des moments. Les lois de nucléation et d’agglomération sont exprimées à partir de la croissance cristalline. Le mécanisme de nucléation est de type secondaire et dépend de la puissance dissipée ainsi que de la concentration des cristaux. Quant au noyau d’agglomération, il a été identifié de type orthocinétique

Precipitation is widely used in many other industrial activities. Precipitation reactions are very sensitive to many operating parameters that play a major role in controlling the precipitate quality. In the nuclear industry, precipitation is a common operation, either in uranium extraction from uranium ore, nuclear fuel reprocessing or radioactive waste management. In this study we are interested in uranium IV oxalate precipitation. This study proposes a thermodynamic model and precipitation kinetics at low supersaturations on the basis of experimental acquisitions. New measures of uranium IV oxalate solubility at different acidities and oxalic excess led to the identification of the complexation constants and the solubility product. The supersaturation is calculated from free ions concentrations. The comparison with a constituent ions approach shows that the two concepts lead to equivalent supersaturation values. Regarding the identification of kinetics, many uranium IV oxalate precipitation continuous tests allowed the analysis of the influence of the operating parameters on efficiency and particle size distribution. Kinetic parameters are obtained by solving the population balance equation by the method of moments. Nucleation kinetics and agglomeration kernel are expressed from crystal growth kinetics. The nucleation mechanism corresponds to a secondary type and depends on the power dissipation and crystal concentration. As for the agglomeration kernel, it is identified of orthokinetic type