Étudecinétique des réactions de précipitation et dissolution de la K-Jarosite [KFe3(SO4)2(OH)6] - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Kinetic study of the precipitation and dissolution reactions of K-Jarosite [KFe3(SO4)2(OH)6]

Étudecinétique des réactions de précipitation et dissolution de la K-Jarosite [KFe3(SO4)2(OH)6]

Résumé

The energy transition led by the European Union (EU) to reduce the effects of global warming has led to an increased need for critical metals used in less polluting technologies. Among these metals at risk of supply, cobalt is one of the most important for French industry. Cobalt is present at low degree ores and its recovery often requires hydrometallurgical processes. Improving these processes is key to meeting challenges of cobalt scarcity in the energy and mining sectors, hence new mining sources and new processes are being studied to improve the recovery of this metal. An alternative source of cobalt, cobaltiferous pyrite, has been of interest for many years. The bioleaching process is used to recover cobalt from pyrite. However, during the process and thanks to the favorable conditions of acidity, the presence of iron and sulphate, a new solid called jarosite is formed, potentially impacting the extraction yield of the desired metal. Therefore, it is essential to acquire kinetic data to understand and control the precipitation of jarosite and, in a broader sense, its dissolution under conditions close to industrial processes or the environment. Thus, the acquisition of kinetic data and the study of the parameters are essential for perfect control of these industrial processes and the fate of this ore in the environment. However, such data, although very important, remain scarce in the literature, especially under ambient conditions, because kinetic rates are slow. In this work, kinetic data were acquired by dissolution and precipitation experiments of K-jarosite. In the dissolution study, K-jarosite was dissolved in sulfuric acid solution at different pH, temperatures and solid-to-liquid ratios. The results showed that the use of higher temperatures and lower pH increases the kinetic rates of dissolution. Lower solid-to-liquid ratios increased rates slightly, but had less impact than the other variables. Three different models were used to fit the kinetic data. The derivative (DVKM) and Noyes-Whitney (NWKM) models describe well the effect of the parameters studied. However, only Shrinking Core (SCKM) provided a kinetic equation describing the dissolution process. The high activation energies found with the models showed the strong dependence of dissolution on temperature. In terms of precipitation, three main steps were observed: instantaneous precipitation, followed by dissolution, and then reprecipitation. Parameters such as initial ion concentration ratio, agitation, and seeding were analyzed at room temperature to observe their effects on K-jarosite precipitation. The impact of temperature variation was also investigated to determine the kinetic rates of precipitation and its activation energy. This study demonstrates that an increase in the K/Fe concentration ratio leads to higher reaction rates and greater yields of precipitated K-jarosite. While stirring and seeding had a lesser impact on kinetics at room temperature, raising the temperature significantly accelerated the reaction rate and an activation energy was found. The data obtained in this thesis are discussed and compared to those found on literature and will allow a better understanding of the kinetics of formation and dissolution of jarosite in natural or industrial systems.
La transition énergétique menée par l'Union Européenne (UE) visant la réduction des effets du réchauffement climatique a conduit à l'augmentation du besoin de métaux critiques utilisés dans les technologies moins polluantes. Parmi ces métaux en risque d'approvisionnement, le cobalt est l'un des plus importants pour l'industrie française. Le cobalt est présent à faible teneur dans les roches et sa récupération nécessite souvent de procédés hydrométallurgiques. Pour faire face aux défis de la pénurie de cobalt dans les secteurs de l'énergie et de l'exploitation minière, des nouvelles sources minières et des nouveaux procédés sont étudiés pour améliorer la récupération de ce métal. Une source alternative de cobalt, la pyrite cobaltifère, suscite de l'intérêt depuis des nombreuses années. Le procédé de biolixiviation est utilisé pour récupérer le cobalt à partir de la pyrite. Toutefois, pendant le procédé et grâce aux conditions favorables d'acidité, de la présence de fer et de sulfate, un nouveau solide appelé jarosite se forme, pouvant impacter le rendement d'extraction du métal souhaité. Par conséquent, il est essentiel d'acquérir des données cinétiques pour comprendre et contrôler la précipitation de la jarosite et, dans un sens plus large, sa dissolution dans des conditions présentes dans des procédés industriels ou dans l'environnement. Ainsi, l'acquisition de données cinétiques et l'étude des effets des paramètres sont primordiales pour une maîtrise de ces procédés industriels et du devenir de ce minerai dans l'environnement. Cependant, de telles données, bien que très importantes, restent rares dans la littérature, notamment dans les conditions ambiantes, car les taux cinétiques sont lents. Dans ce travail, des données cinétiques ont été acquises par des expériences de dissolution et de précipitation de la K-jarosite. Dans l'étude de dissolution, la K-jarosite a été dissoute dans une solution d'acide sulfurique à différents pH, températures et rapports solide-liquide. Les résultats ont montré que l'utilisation des températures plus élevées et d'un pH plus bas augmente les taux cinétiques de dissolution. Des rapports solide-liquide plus faibles ont entraîné une légère augmentation des taux de dissolution, néanmoins, leur influence était moins significative par rapport aux autres variables étudiées. Trois modèles différents ont été utilisés pour ajuster les données cinétiques. Les modèles dérivative (DVKM), et de Noyes-Whitney (NWKM) représentent bien l'effet des paramètres étudiés. Cependant, seul le modèle du Cœur Rétrécissant (SCKM) a permis d'obtenir une équation cinétique décrivant le processus de dissolution. Les énergies d'activation élevées trouvées avec les modèles et l'équation d'Arrhenius ont mis en évidence une forte dépendance de la dissolution par rapport à la température. En ce qui concerne la précipitation, trois étapes principales ont été observées : une précipitation instantanée, suivie d'une dissolution et ensuite une reprécipitation. Des paramètres tels que la concentration initiale des ions, l'agitation et l'ensemencement ont été analysés à température ambiante pour observer leurs effets sur la précipitation de la K-jarosite. L'effet du changement de température a également été étudié pour déterminer les taux cinétiques de la précipitation et son énergie d'activation. Ce travail montre que l'augmentation du rapport des concentrations de K/Fe augmente la vitesse de la réaction et le rendement de la K-jarosite précipitée. Bien que l'agitation et l'ensemencement aient eu moins d'influence sur la cinétique à température ambiante, l'augmentation de la température a considérablement accéléré la vitesse de réaction et une énergie d'activation a été trouvée. Les données obtenues dans cette thèse ont été discutées et comparées avec celles de la littérature et permettront une meilleure compréhension de la cinétique de formation et de la dissolution de la jarosite dans les systèmes naturels ou industriels.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04496977 , version 1 (09-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04496977 , version 1

Citer

Mateus de Souza Buriti. Étudecinétique des réactions de précipitation et dissolution de la K-Jarosite [KFe3(SO4)2(OH)6]. Génie des procédés. Université de Pau et des Pays de l'Adour, 2023. Français. ⟨NNT : 2023PAUU3025⟩. ⟨tel-04496977⟩
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