Élimination des métaux lourds de l'acide phosphorique industriel par flottation ionique

Heavy metals removal from industrial phosphoric acid using ion flotation

• Auteur / Autrice : Mohammed Rida Benmansour
• Direction : Rachid Benhida, Said Laassiri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 05/12/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur en cotutelle avec Université Mohammed VI Polytechnique (Benguérir, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie (Nice)
• Jury : Président / Présidente : Abdelaziz Bacaoui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rachid Benhida, Said Laassiri, Abdelaziz Bacaoui, Luc Demange, Khalid Bougrin, Mounia Achak, Mustapha Ait Ali
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelaziz Bacaoui, Luc Demange, Khalid Bougrin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phosphorique, Acide

Métaux lourds

Séparation (technologie)

Ions

Mots clés libres

Flottation ionique

Technique de séparation

Enrichissement

Collecteur

Colonne de flottation

Métaux lourds

Ion flotation

Separation technique

Beneficiation

Collector

Flotation columns

Heavy metals

Résumé

La contamination des acides phosphoriques industriels par les métaux lourds, en particulier le cadmium, le cuivre et l'arsenic, présente des risques importants pour la qualité des engrais et la sécurité environnementale. En réponse aux réglementations européennes strictes visant à réduire la teneur en métaux lourds, ces travaux de thèse explorent la technique de flottation ionique comme solution efficace et évolutive pour améliorer la qualité de l'acide phosphorique. La recherche se concentre sur l'évaluation des performances de divers collecteurs, l'optimisation des paramètres opérationnels et l'évaluation de l'évolutivité du processus de la flottation ionique. L'étude commence par une analyse des principes de la flottation ionique, en mettant en évidence les facteurs critiques qui influencent son efficacité. Le dodécyl sulfate de sodium (SDS) a été testé en tant que collecteur, atteignant des efficacités de récupération élevées allant jusqu'à 99,61 % pour le cuivre et 98,39 % pour le cadmium dans des solutions à métaux uniques. Cependant, les performances ont diminué dans des systèmes multi-métaux, notamment pour le chrome, ce qui indique la nécessité de stratégies de collecteur adaptées. Une analyse comparative des collecteurs dithiophosphinate et dithiophosphate a montré que le dithiophosphinate surpassait le dithiophosphate, avec des taux de récupération maximaux de 90 % pour le cuivre, 87 % pour le cadmium et 54 % pour l'arsenic, soulignant l'importance du choix du collecteur en fonction du type de métal et des conditions de la solution. L'optimisation supplémentaire a impliqué l'ajustement de paramètres tels que la température, la concentration du collecteur et le type de dispositif de flottation. Les résultats ont révélé que les colonnes de flottation offraient une meilleure récupération et un meilleur contrôle par rapport aux cellules de flottation, en particulier lorsque les vitesses de gaz et les niveaux de remplissage de la colonne étaient optimisés. L'introduction d'adsorbants solides tel que le phosphogypse et d'additifs tels que Fe (II) a considérablement amélioré la récupération des métaux, notamment pour le cadmium et l'arsenic. Le plan de Box-Behnken a facilité l'optimisation systématique des paramètres de flottation, permettant d'obtenir des conditions en adéquation étroite avec les résultats expérimentaux. Les évaluations de l'évolutivité ont confirmé la robustesse du processus de la flottation ionique, maintenant des taux de récupération élevés à différentes échelles et dans des conditions opérationnelles variées. Le processus a démontré son adaptabilité aux températures élevées et à l'augmentation de la taille des colonnes, atteignant des taux de récupération quasi-complets de 98,97 % pour le cadmium, 99,99 % pour le cuivre et 90 % pour l'arsenic. Ces résultats valident la flottation ionique comme une approche polyvalente, efficace et évolutive pour traiter la contamination par les métaux lourds dans l'acide phosphorique. Cette recherche établit la flottation ionique comme une technique viable pour améliorer la qualité de l'acide phosphorique industriel, en répondant aux normes réglementaires et en soutenant la production durable d'engrais. Les résultats apportent des informations précieuses dans le domaine du traitement d'acide phosphorique et de la dépollution environnementale, ouvrant la voie à de futures innovations dans des technologies de traitement des phosphates plus propres et plus efficaces.

Heavy metal contamination in industrial phosphoric acid, particularly with cadmium, copper, and arsenic, poses significant risks to fertilizer quality and environmental safety. In response to stringent European regulations aimed at reducing heavy metal content, this thesis work investigates ion flotation technique as an effective and scalable solution for enhancing phosphoric acid quality. The research focuses on evaluating the performance of various collectors, optimizing operational parameters, and assessing the scalability of the ion flotation process.The study begins with an analysis of ion flotation principles, highlighting critical factors that influence its efficiency. Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) was tested as a collector, achieving high removal efficiencies of up to 99.61% for copper and 98.39% for cadmium in single-metal solutions. However, performance declined in multi-metal systems, particularly for chromium, indicating the need for tailored collector strategies. Comparative analysis of dithiophosphinate and dithiophosphate collectors showed that dithiophosphinate outperformed dithiophosphate, with maximum recovery rates of 90% for copper, 87% for cadmium, and 54% for arsenic, underscoring the importance of collector selection based on metal type and solution conditions. Further optimization involved adjusting parameters such as temperature, collector concentration, and flotation device type. The findings revealed that flotation columns provided superior recovery and control compared to flotation cells, especially when optimized for gas velocities and column fill levels. Introducing solid adsorbents such as phosphogypsum and additives like Fe (II) significantly enhanced metal recovery, particularly for cadmium and arsenic. The Box-Behnken design facilitated systematic optimization of flotation parameters, achieving conditions that closely matched experimental results.Scalability assessments confirmed the robustness of the ion flotation process, maintaining high removal rates across various scales and operational conditions. The process demonstrated adaptability to elevated temperatures and increased column sizes, achieving near-complete recovery rates of 98.97% for cadmium, 99.99% for copper, and 90% for arsenic. These results validate ion flotation as a versatile, efficient, and scalable approach to addressing heavy metal contamination in phosphoric acid.This research establishes ion flotation as a viable technique for improving the quality of industrial phosphoric acid, meeting regulatory standards and supporting sustainable fertilizer production. The findings contribute valuable insights into phosphoric acid treatment and environmental remediation, paving the way for future innovations in cleaner and more efficient phosphate processing technologies.