Préparation de céramite biologique à partir de résidus de tungstène

Feng Xiujuan, de l'Université des sciences et technologies de Huazhong, a mené une étude expérimentale sur la préparation de médias filtrants biologiques poreux à base de céramite, en utilisant la méthode de calcination. Elle a utilisé comme matière première principale les résidus miniers de la mine de tungstène de Daxiao Longxia, dans le Jiangxi, et comme matériaux auxiliaires des scories de four, des cendres volantes et de l'argile. La composition chimique principale des résidus utilisés est présentée dans le tableau 8-1. Parmi les autres matériaux auxiliaires figuraient de l’acide chlorhydrique concentré, des scories de four, des cendres volantes, de l’argile, des matériaux porogènes (sciure de bois ou mousse plastique), un liant (amidon modifié), un revêtement blanc à base de résine acrylique, du xylène comme solvant, etc.

Tableau 8-1 Composition chimique principale des résidus de tungstène (wt%)

Figure 8-1 : Schéma du processus de fabrication de la céramite biologique

Le schéma du processus de préparation de la céramite biologique à partir de résidus de tungstène est présenté à la figure 8-1. Les résidus ont d'abord été modifiés à l'aide d'une solution d'acide chlorhydrique 20% afin de créer un grand nombre de pores. Les résidus modifiés ont ensuite été mélangés et malaxés de manière homogène avec du laitier de four, des cendres volantes et de l'argile dans des proportions déterminées, en y ajoutant une petite quantité d'agent porogène et de liant. Le mélange a été transformé en granulés verts sphériques de céramite à l’aide d’un granulateur. Les granulés verts ont été placés dans une étuve électrique à température constante à 120 °C pendant 1 h, puis transférés dans un four à moufle. La température a été progressivement augmentée jusqu’à 500 °C en l’espace d’une heure, maintenue à cette température pendant 10 minutes, puis portée à 800–1 200 °C pour une cuisson de 30 minutes. Après la cuisson, le produit a été retiré et laissé refroidir naturellement à température ambiante. Le produit cuit a été placé dans un broyeur à boulets et poli par auto-broyage. Ensuite, un revêtement blanc à base de résine acrylique dilué avec du xylène a été pulvérisé sur la surface à l’aide d’un pistolet pulvérisateur. Après séchage à température ambiante, le produit final de céramite biologique a été obtenu. Pendant le processus de pulvérisation, la pression du compresseur d’air a été maintenue entre 0,2 et 0,5 MPa, l’angle d’atomisation du pistolet pulvérisateur était compris entre 30° et 50°, la distance entre la buse et la céramite était comprise entre 15 et 50 cm, le temps de séchage à température ambiante était de 0,5 à 1,5 h, et l’épaisseur du film sec du revêtement était de 20 à 30 μm.

Les résultats expérimentaux ont montré que, lorsque le rapport volumique entre les résidus de tungstène, les scories de four, les cendres volantes et l'argile était de 4 : 1,5 : 1,5 : 1 et que la température de calcination était de 1 100 °C, la céramite biologique ainsi préparée présentait une densité particulaire de 1,61 g/cm³, une densité apparente de 1,10 g/cm³, une surface spécifique de 9,7 m²/g, une solubilité acide de 0,17%, une solubilité alcaline de 0,33% et une résistance à la compression cylindrique de 8,1 MPa. Lorsque ce céramzite biologique a été utilisé pour traiter des eaux usées réelles présentant une demande chimique en oxygène (DCO₍Cr₎) de 817 mg/L, il a permis une formation rapide de biofilm, une forte fixation microbienne et un lavage à contre-courant aisé. Le taux d’élimination de la DCO₍Cr₎ a dépassé 93% en l’espace de 20 jours.

Préparation de céramite biologique à partir de résidus de fer

Zhang Xuedong et ses collègues du Collège de Tangshan ont mené une étude sur la fabrication de médias filtrants biologiques à base de céramite, en utilisant des résidus de fer comme matière première principale, auxquels ont été ajoutés des matériaux auxiliaires tels que des scories de four, des cendres volantes, du calcaire et des adjuvants.

8.2.1 Matières premières

• Résidus de fer: Extrait d'une mine de fer située à Qian’an, dans la région de Tangshan. Il s'agit de la principale matière première utilisée pour la fabrication de la céramsite, à laquelle il confère sa résistance et qui sert de liant.
• Scories de four: Issu des résidus de chaudières à charbon, il apporte un pouvoir calorifique partiel et sert également d'agent porogène pour la céramsite.
• Cendres volantes: Provenant de la centrale électrique de Tangshan, ce qui améliore les performances de granulation.
• Calcaire: Il agit comme agent porogène et renforce également la résistance de la céramsite lors de la calcination.
• Mélange: Composé principalement de substances organiques, il sert à la fois d'agent porogène et de liant.

La composition chimique des principales matières premières est présentée dans le tableau 8-2.

Tableau 8-2 Composition chimique principale des matières premières de la céramite (wt%)

8.2.2 Processus de préparation

Les matières premières ont été pesées avec précision selon un rapport spécifié, puis placées dans un malaxeur à pâte de ciment. De l’eau du robinet 27% a été ajoutée et le mélange a été homogénéisé. Des granulés crus d’un diamètre de 3 à 5 mm ont été obtenus par granulation manuelle. Les granulés ont été séchés à 105 ± 5 °C pendant 3 h afin d’éliminer l’eau libre, puis placés dans un four résistant aux hautes températures. La température a été augmentée selon un programme de chauffage prédéfini jusqu’à 1 100 °C, puis les granulés ont été calcinés pendant 30 minutes. Après la calcination, les produits en céramite ont été refroidis naturellement jusqu’à température ambiante afin d’obtenir la céramite biologique à base de résidus de fer.

Des essais de traitement des eaux usées ont permis de déterminer la composition optimale des matières premières comme suit : résidus de fer 86%, scories de four 7%, cendres volantes 5%, calcaire 1% et adjuvant 1%. À une température de calcination de 1 100 °C, la céramsite obtenue présentait une surface rugueuse, une granulométrie de 3 à 5 mm, une absorption d'eau de 14,01%, une porosité de 31,07%, une densité apparente de 1,12 kg/m³ et une densité apparente de 1,92 kg/m³. Le taux d’élimination de la turbidité des eaux usées domestiques a atteint 64,02% en 30 h, et le taux d’élimination de la DCO₍Cr₎ a atteint 79,48%, ce qui démontre une efficacité significative.

Wang Demin et ses collaborateurs, de l’Université des sciences et technologies de Wuhan, ont préparé de la céramite poreuse avec un taux d’ajout de résidus miniers pouvant atteindre 77%, en utilisant comme matière première principale des résidus miniers de fer à faible teneur en silicium. Les performances de traitement de la céramite ainsi préparée sur des eaux usées domestiques simulées ont été étudiées à l’aide d’un filtre biologique aéré (BAF) à l’échelle du laboratoire. Les résultats ont montré que la céramite présentait une surface rugueuse et de nombreux pores internes, avec une densité apparente, une porosité apparente et un diamètre moyen des pores de 1,33 g/cm³, 54% et 19,80 μm, respectivement. Les concentrations en métaux lourds dans le lixiviat issu de l’essai de lixiviation des métaux lourds étaient conformes aux normes nationales de qualité des eaux de surface. Le BAF utilisant ce céramsite comme milieu filtrant a donné de bons résultats dans le traitement des eaux usées simulées, avec des taux d’élimination de la DCO₍Cr₎, de l’azote ammoniacal (NH₄⁺‑N) et de l’azote total (TN) atteignant respectivement 84,26%, 84,011 TP3T et 25,871 TP3T, respectivement. Les micro-organismes fixés sur la céramite dans la colonne filtrante présentaient une grande diversité d’espèces, et la teneur totale en phosphore de la biomasse par unité de masse de céramite à l’entrée du système a atteint 371,63 nmol/g, dont 90,791 TP3T répartis à la surface et 9,211 TP3T à l’intérieur de la céramite.

8.3 Préparation de céramite biologique à partir de résidus de plomb-zinc

Wang Shuncai et ses collaborateurs, de l'université de Hohai, ont utilisé des résidus de flottation de plomb-zinc comme matière première, avec du silicate de sodium et de la lignine comme additifs, pour préparer de la céramite destinée au traitement de l'eau par calcination à haute température, et ont mené des études expérimentales sur ses performances d'adsorption pour les eaux usées issues de l'enrichissement minéral.

Les résidus utilisés dans l'expérience provenaient de l'exploitation minière de plomb et de zinc de Nanjing Yinmao Lead-Zinc Mining Co., Ltd. Ils étaient principalement composés de silicates, ainsi que de quelques oxydes de Fe, Mn et Al, et leur perte au feu s'élevait à 18,93%. Le processus de préparation de la céramsite était le suivant : 30 g de résidus bruts ont été pesés dans un bécher, puis un certain volume d’eau distillée a été ajouté et le tout a été mélangé de manière homogène. Le mélange a été transformé en petites boulettes de 5 à 10 mm de diamètre à l’aide d’un granulateur à disque. Les granulés ont été séchés dans un four électrique à air pulsé à 105 °C pendant 2 h, puis placés dans un four électrique à chambre de type caisson à haute température et calcinés à une certaine température pendant 2 h. Le four a ensuite été éteint et la céramsite a été laissée à refroidir à l’intérieur du four pendant 12 h avant d’être retirée.

Les résultats expérimentaux ont montré que la céramsite préparée à partir de résidus bruts calcinés à 800 °C présentait de bonnes performances d'adsorption de la DCO₍Cr₎ dans les eaux usées issues du traitement des minerais. Le temps d’adsorption optimal était de 30 min, la température optimale correspondait à la température ambiante, le dosage optimal était de 2 g/100 mL et le pH optimal était d’environ 8. Le taux d’élimination de la DCO₍Cr₎ et la capacité d’adsorption ont atteint respectivement 87,11 TP3T et 17,85 mg/g. Afin de réduire le détachement des résidus miniers et d’augmenter la résistance de la céramsite, des expériences avec ajout de liant ont également été menées. À l’issue d’essais portant sur l’effet de différents liants sur les performances d’adsorption, le choix s’est porté sur le silicate de sodium et la lignine, avec une quantité ajoutée de silicate de sodium (2,5 g) + lignine (2,5 g) pour 30 g de résidus miniers. Le céramsite destiné au traitement de l’eau, préparé par calcination à 800 °C pendant 2 h, présentait une résistance suffisante pour résister à l’érosion par le débit d’eau, et sa capacité d’adsorption atteignait 22,84 mg/g.