Stabilization of minerals by reaction with phosphoric acid - Evolution of model compounds

International audienceThe mechanisms of heavy metal stabilization from mineral residues were investigated. The reaction of phosphoric acid with municipal waste incinerator fly ashes and some of its major constituents was assessed. The reaction was monitored by analysis of soluble phosphate contents as a function of time, as well as by pH and temperature variations. Evolution of the solids was followed by X-ray diffraction. Various phosphoric acid concentrations were used and yielded different end products for the case of little and limestone. Silica and calcium sulphate were found to remain inert, while alumina consumed part of the soluble phosphate. Melilite showed it complex process of dissolution and precipitation of amorphous aluminium phosphates. These results help on understanding the phosphate reaction used to stabilize a mineral matrix like fly ash and demonstrate that insoluble minerals are formed such as calcium phosphates which may effectively trap heavy metal ions

Stabilisation of heavy metal containing dusts by reaction with phosphoric acid: study of the reactivity of fly ash

International audienceWater-washed fly ash was reacted with phosphoric acid in order to transform available heavy metals into insoluble metal phosphate compounds. The temperature, pH and concentration of free phosphate were monitored during the first 80 min of reaction. Phosphoric acid reacted rapidly with second order kinetics and an apparent rate constant of 0.015 l/(mol s m(2)). Analysis of the evolution of the concentrations of other major elements of fly ash shows that the reaction follows a dissolution-precipitation type mechanism. The solubility of trace heavy metals tends to increase at low pH values. Various heat and mass transfer coefficients are derived and help understand the phosphate stabilisation procedure and design industrial reactors for this purpose. Calcium phosphates are formed which can trap heavy metals in a stable apatite mineral structure

Phosphatation de résidus minéraux

International audienceThe incineration of municipal solid waste generates mineral residues which contain soluble chlorides and heavy metal pollutants. The mineral residue is currently landfilled after a cement solidification. An alternative treatment, the new patented by Solvay process uses phosphoric acid to stabilise mineral residue by the formation of stable minerals such as calcium phosphates which are insoluble in natural environments and can incorporate heavy metals inside their crystalline structure. Two different water-washed municipal solid waste incinerator mineral residues are investigated during the phosphate treatment. Phosphoric acid reacts exothermically with mineral residues with rapid kinetics of the dissolution-precipitation type. Second order rate is observed with respect to the phosphate concentration and activation energies for the phosphate reaction are found to be small (near 20 kJ/mol). Mineral residues react with phosphoric acid mainly as calcium carbonate does. Precipitated amorphous calcium phosphates coat the more inert particles (silicoaluminates, silicates, and calcium sulphates…). The two mineral residues with different compositions show similar behaviour. This indicates the phosphate stabilisation procedure can be widely applied. This chemical treatment can be considered as a first essential step in the effective insolubilisation of extractable trace heavy metals in a mineral material that could find in the future an beneficial reuse after further processing as secondary raw materialSolvay a breveté un nouveau procédé de stabilisation de résidus minéraux contaminés par des métaux lourds et des composés organiques dont l’une des étapes fondamentales est le traitement chimique à l’acide phosphorique. Son objectif est de former des phosphates de calcium de grande stabilité chimique et thermique, capables d’incorporer dans leur structure cristalline les métaux lourds. L’étude de la cinétique de phosphatation montre que la réaction est exothermique. Les phosphates calciques formés enrobent les particules les plus inertes. L’énergie d’activation faible (20 kJ/mol), caractéristique d’une réaction acide-base, est proche de celle de la réaction avec le carbonate de calcium. Les expérimentations menées et les paramètres observés indiquent que la phosphatation peut être généralisée pour tous les résidus minéraux et constituer une première étape dans l’insolubilisation effective des métaux lourds. Ceci permet d’envisager pour le futur une possible revalorisation des résidus minéraux phosphatés et calcinés comme matière première secondaire

Vaporisation et/ou stabilisation de métaux lourds au cours du traitement thermique de déchet : cas des déchets ménagers solides et des boues de dragage

International audienceThe fate of heavy metals is one of the main problems that operators of solid waste incineration plants have to deal with to reduce the overall environmental impact of the plant and of the ultimate residue. The question is : should the process conditions avoid toxic metal vaporisation, thus increasing their concentration in bottom ash ? Or, on the contrary, should they favour metal release in combustion gases, thus requiring the highest performance air pollution control (APC) systems and stabilising materials? In order to examine the industrial impact of these two possibilities, we are currently developing two complementary approaches.The first one is concerned with the fate of heavy metals in incineration of municipal wastes and sludge, and coal combustion. We characterised physico-chemically the ultimate residues, and we developed a complete thermodynamic and experimental study of the behaviour of heavy metals in waste incinerators and coal combustors. We developed a general method (inverse method) to identify the kinetics of vaporisation of heavy metals from the on-line analysis of the exhaust gas of solid waste incineration. The second approach deals with the transformation of heavy metals contained in fly ash and dredged materials into phosphate components, using orthophosphate as stabilising agent.The technique involves a chemical treatment followed by a thermal treatment (sintering), that reduce the leachability of heavy metals. Better knowledge of thermal treatment of polluted wastes should lead to safer processes and residue reuse opportunities.La maîtrise des émissions de métaux lourds (ML) est un des problèmes majeurs qui se posent aux opérateurs des UIOM pour réduire l'impact environnemental des incinérateurs puis des déchets ultimes. Nos équipes développent deux approches complémentaires autour de la vaporisation des métaux et de leur stabilisation. Dans la première approche, après avoir caractérisé les résidus ultimes, nous avons développé une étude thermodynamique et expérimentale du comportement des ML dans les procédés de combustion et incinération. Nous avons développé une méthode générale (méthode inverse) permettant d'identifier la cinétique de vaporisation des métaux à partir de l'analyse en ligne des fumées d'incinérateur. La deuxième approche s'intéresse à la stabilisation par les orthophosphates des ML contenus dans les cendres volantes et dans les matériaux de dragage. La technique consiste en un traitement chimique suivi d'un frittage, qui limitent la vaporisation et réduisent la lixiviabilité des ML. Ces connaissances scientifiques doivent aider à une meilleure maîtrise des traitements thermiques de déchets pollués et une meilleure valorisation matière des résidus

Stabilisation des métaux lourds dans les cendres volantes d'incinération-comportement rhéologique, cinétique de phosphatation et évaluation du procédé

La stabilisation (insolubilisation) des métaux lourds, contenus dans deux cendres volantes (CV) d'incinérateurs d'ordures ménagères par un traitement à l'acide phosphorique cherche à former des phospates calciques insolubles capables d'incorporer dans leur matrice cristalline les métaux lourds pour un stockage plus sûr et pour une valorisation matière potentielle. Après une caractérisation physico-chimique et thermique, les mesures rhéologiques montrent un comportement rhéofluidifiant à seuil pour les CV, confirmé par une étude de changement d'échelle en rhéo-réacteur. La réaction de phosphatation des CV, exothermique et rapide de type dissolution-précipitation, est contrôlée par la réaction chimique. L'étude de certains composés majeurs a permis une meilleure compréhension de la réaction de phosphatation des CV. Les phosphates calciques formés enrobent les particules inertes et présentent de bonnes aptitudes à stabiliser les métaux lourds.PERPIGNAN-BU Sciences (661362101) / SudocALBI-ENSTIMAC (810042301) / SudocSudocFranceF

Hydrodynamic interactions and rheology of reactive concentrated suspension of fly ash

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Modification du modèle de Farris pour la prise ne compte des interactions géométriques d'un mélange polydisperse de particules

International audienceA model aiming to estimate the viscosity of a suspension made of non colloidal rigid particules is built in the framework of a change of scale method. This model takes into account both the hydrodynamic and the geometrical interaction between particlesOn propose un modèle visant à prédire la viscosité d'une suspension concentrée de particules rigides non colloïdales suspendues par un fluide visqueux. Ce modèle est construit par une approche du type changement d'échelle prenant en compte à la fois une description des interactions hydrodynamiques et des interactions géométriques entre particules

Stabilisation of mineral residues by phosphate treatment

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Rheology and heat transfer during mineral residue phosphatation in a rheo-reactor

International audienceThe rheo-reactor consists of a cylindrical vessel equipped with a double helical ribbon impeller installed in a RS150 controlled stress rheometer. It was used to investigate the rheological behaviour and the heat transfer in aqueous mineral residue suspensions during the phosphatation process. The absolute viscosity was determined using a Couette analogy allowing the quantitative analysis of the torque-rotational speed. The results show that the suspensions exhibit a viscoplastic or Binghamian behavior. The experimental operating conditions for the phosphatation process were then selected in order to ensure a good macro-mixing, even in laminar regime (Re < 30). Heat was generated as the combined result of the exothermic phosphatation process and the viscous dissipation inside the rheo-reactor. The heat produced needed to be efficiently removed to reduce its effect on the behaviour of the suspension. This was evaluated using the Nusselt number and the heat transfer coefficient h

A beneficial reuse of incinerator fly ash following phosphate treatment : reaction kinetics and control of properties by calcination

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