EacuteCOLE DE TECHNOLOGIE SUPEacuteRIEURE UNIVERSITEacute DU QUEacuteBEC

MEMOIRE PRESENTE A LEacuteCOLE DE TECHNOLOGIE SUPEacuteRIEURE

COMME EXIGENCE PARTIELLE Agrave LOBTENTION D E LA

MAIcircTRISE EN GEacuteNIE DE LENVIRONNEMENT MIng

PAR Shkelzen BEQIRI

EacuteVALUATION DU POTENTIEL DE LA SEacuteQUESTRATION MINEacuteRALE DU CO2 PAR DES REacuteSIDUS ET SOUS-PRODUITS INDUSTRIELS Agrave POUVOIR ALCALIN

MONTREacuteAL LE 3 MAI 2010

copy Shkelzen Beqiri 2010

PRESENTATION D U JURY

CE MEacuteMOIRE A EacuteTEacute EacuteVALU Eacute

PAR UN JURY COMPOSEacute DE

M Robert Hausler directeur de meacutemoire Deacutepartement d e geacutenie de la construction agrave lEacutecole d e technologie supeacuterieur e

M Mathias Glau s Deacutepartement d e geacutenie de la construction agrave lEacutecole d e technologie supeacuterieur e

M Frederick Mouette preacutesident d u jury Deacutepartement d e geacutenie de la constmction agrave lEacutecole d e technologie supeacuterieur e

IL A FAIT OBJET DUNE SOUTENANC E DEVAN T JURY E T PUBLIC

MONTREacuteAL LE 1 5 AVRIL 2010

Agrave LEacuteCOLE D E TECHNOLOGIE SUPEacuteRIEUR E

REMERCIEMENTS

Je tiens tout dabor d agrave remercier le s socieacuteteacutes Alcan Inc Mitta l Canad a Inc St-Lauren t Inc

et Ciment Queacutebe c Inc qui nous ont fournie s respectivemen t le s boues rouges les scories les

cendres volantes et les poussiegraveres des fours des cimenteries

Un gran d merc i a u professeu r e t directeu r d e recherch e Rober t Hausle r pou r so n

encadrement se s conseils et ses encouragements

Des remerciement s particulier s sadressen t agrave Madam e Daniell e Bonenfan t e t agrave Monsieu r

Mourad Kharoun e pou r leu r expertis e dan s l e domain e d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s

reacutesidus industriel s e t toute leacutequip e d e la STEPPE-EacuteTS (Statio n Expeacuterimental e de s Proceacutedeacute s

Pilotes en Environnement) pour toute laide fournie

Enfin j e deacutedi e c e meacutemoir e agrave ma famille agrave mes deu x filles Fabienn e e t Oceacuteann e qu i mon t

supporteacute tou t a u lon g d e ce s derniegravere s anneacutee s e t agrave mo n eacutepous e Aid a qu i agrave s u s i bie n

soccuper d e ces trois enfants mo i inclus

EacuteVALUATION D U POTENTIEL D E LA SEacuteQUESTRATION MINEacuteRAL E D U CO2 PAR DES REacuteSIDUS E T SOUS-PRODUITS INDUSTRIEL S Agrave POUVOIR ALCALIN S

Shkelzen BEQIR I

REacuteSUMEacute

De no s jours le s activiteacute s industrielle s de s alumineries de s acieacuteries e t de s cimenterie s produisent de s quantiteacute s tregrave s importante s d e reacutesidu s e t de sous-produit s alcalins Un e parti e de ce s sous-produit s es t utiliseacute e dan s dautre s domaine s tel s qu e la constructio n e t lhydromeacutetallurgie mai s de s million s d e tonne s son t stockeacutee s su r de s terrains preacutesentan t ainsi u n risque pour lenvironnement Ce s reacutesidus peuvent ecirctr e utiliseacutes par ces industries afi n de seacutequestre r l e CO2 I l exist e plusieur s technique s d e seacutequestratio n d u CO2 C e meacutemoir e aura pour but deacutetudie r le s possibiliteacutes de seacutequestration d u CO2 par des reacutesidus alcalins issu s dun larg e spectre dactiviteacutes industrielles

Des essai s dadsorptio n d u CO 2 d e 2 4 e t 4 8 heure s e n cuveacute e on t eacutet eacute reacutealiseacute s su r de s eacutechantillons d e boue s rouge s humide s e t segraveches de s scorie s FP FAEacute H F e t des poussiegravere s de fou r e t cendre s volante s d e cimenteries Tou s le s essai s ont eacutet eacute reacutealiseacute s dan s de s conditions opeacuteratoires ambiantes (tempeacuterature 20-22degC pression atmospheacuterique ambiante)

Des test s d e p H e t conductivit eacute on t eacutet eacute effectueacute su r tous le s eacutechantillons afi n deacutetudie r leur s eacutevolutions lor s les deux seacuteries dessais

Les reacutesultat s obtenu s lor s le s essai s d e 2 4 heures on t deacutemontr eacute qu e troi s reacutesidu s alcalin s s e sont deacutemarqueacutes pa r leur s hauts potentiels de seacutequestration d u CO2 bull le s scories HF 65 kg de C02t de scories bull le s scories FP 59 kg de C02t de scories bull le s poussiegraveres de fours d e cimenteries (CKD) 47 kg de C02t de CKD

En revanche le s reacutesultat s obtenu s lor s le s essais d e 48 heure s ont deacutemontr eacute qu e le s mecircme s reacutesidus alcalin s permettraien t un e seacutequestratio n plu s important e d u CO 2 selo n le s performances suivante s bull le s scories FP 107 kg de C02t de scories bull le s scories HF 84 kg de C02t de scories bull le s poussiegraveres de fours de cimenteries (CKD) 79 kg de C02t de CKD

Mots-cleacutes seacutequestration CO2 boue s rouges scories CKD cendre s volante s de s cimenteries

EVALUATION O F TECHNICAL POTENTIA L O F THE CO2 MINERAL SEQUESTRATION B Y ALCALINE INDUSTRIA L WASTE S

Shkelzen BEQIR I

ABSTRACT

Nowadays th e industria l activitie s ofaluminum steel an d ceacutemen t produc e large quantifie s o f alkali s residues A par t o f thegraves e residue s ar e use d i n othe r area s suc h a s construction an d hydrometallurgy bu t million s o f ton s ar e stored i n area s posin g a risk t o environment Thegraves e residue s ca n b e use d b y thegraves e industrie s t o sequeste r th e CO2 Severa l techniques o f CO 2 seacutequestratio n exist The purpos e o f thi s master s thesi s i s t o explor e th e possibilities o f CO 2 seacutequestratio n b y alkalis residue s fro m a wid e spectru m o f industrial activities

The batch absorptio n o f CO2 of 24 and 48 hours CO2 absorption batc h test s were performe d on sample s of we t an d dr y re d niud electri c ar c fumac e (EAF) Poch e fumac e (PF) blas t fumace (BF ) slags cernen t kil n dus t an d fly ash Ail test s ar e performe d i n environment operating condition s (tempeacuteratur e 20-22deg C ambient atmospheri c pressure) Tests o f p H and conductivity wer e performe d o n ai l sample s to stud y thei r eacutevolutio n i n the tw o set s o f tests

The results obtained durin g testing were 24 hours demonstrated tha t three residues alkal i ar e separated by high potential fo r CO2 seacutequestration bull Sla g BF 65 kg CO2 1 slag bull Sla g PF 59 kg CO2 1 slag bull Th e ceacutement kiln dus t (CKD) 47 kg of CO2 per tonne of CKD

However th e result s obtaine d durin g testin g o f 4 8 hours showe d tha t th e sam e alkali s residues allow a greater seacutequestration of CO2 by following performances bull Sla g PF 10 7 kg C 0 2 t slag bull S lagBF84kgC02 t s lag bull Th e dust ceacutements kiln dus t (CKD) 79 kg of CO2 per tonne of CKD

Keywords seacutequestration CO2 red mud stee l slags CKD fly ash

TABLE DES MATIEgraveRE S

Page

INTRODUCTION 1

CHAPITRE 1 REVU E D E LA LITTEacuteRATURE 7 11 Probleacutematiqu e d u CO2 7

111 L a chimie du CO2 8 112 Cycl e du carbone 9

12 Technologie s de capture et de seacutequestrafion d u CO2 1 3 121 Technologie s de capture du CO2 1 3 122 Technologie s de seacutequestration d u CO2 1 4

13 Seacutequestratio n d u C02par de s mateacuteriaux alcalin s 2 0 131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriau x alcalin s les fondements 2 0 132 Effe t de s variables sur la carbonatation 3 1 133 Cineacutetiqu e dadsorption d u CO2 3 3 134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s 3 8

CHAPITRE 2 MATEacuteRIE L E T MEacuteTHODES 4 1 21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacutes 4 1

211 Boue s rouges des aluminerie s 4 1 212 Scorie s des acieacuteries 4 3 213 Poussiegravere s de four de s cimenteries 4 6 214 Cendre s volantes 4 6

22 Meacutethode s expeacuterimentales 4 7 221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacutes 4 7 222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductiviteacute 4 7 223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin 4 8 224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestratio n

du CO2 en cuveacutee 4 9 225 Meacutethode s analytiques 5 1

CHAPITRE 3 REacuteSULTAT S E T DISCUSSIONS 5 2 31 Eacutevolufio n d u pH et de la conductiviteacute 5 2

311 Essai s de 48 heures 5 2 312 Essai s de 24 heures 5 9

32 Deacuteterminafio n d u pouvoir alcalin 6 0 33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorpfion e t de seacutequestratio n

du CO2 en solution aqueuse 6 1 331 Essai s de 48 heures 6 1 332 Essai s de 24 heures 6 3

34 Cineacutefiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP 6 5

VII

CHAPITRE 4 DISCUSSIO N GEacuteNEacuteRAL E 7 1 41 Inteacutegrafio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests 7 1

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lors des essais de 24 et 48 heures 7 1

412 Impac t du pouvoir alcalin et de la cineacutefique d e ladsorpfio n du CO2 sur la seacutequestration d u CO2 7 3

42 Impac t environnemental d e la seacutequestrafion d u CO2 7 8 43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins

perspectives d e lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e 7 9

CONCLUSIONS 8 3

ANNEXE I SCHEacuteM A D E FABRICATION D E LALUMINIUM 8 8

ANNEXE I I SCHEacuteM A D E FABRICATION D E LACIER 8 9

ANNEXE II I SCHEacuteM A D E FABRICATION D U CIMENT 9 0

ANNEXE I V REacuteSULTAT S COMPLET S DE S ESSAIS DE 48 HEURES EN CUVEacuteE 9 1

ANNEXE V REacuteSULTAT S COMPLET S DE S ESSAIS DE

24 HEURES EN CUVEacuteE 9 7

ANNEXE V I REacuteSULTAT S DE S TITRAGES DE S REacuteSIDUS ALCALINS 10 2

ANNEXE VII RESULTAT S D E LEacuteTUDE D E LA CINEacuteTIQU E DE LADSORPTION D U CO2 EN SOLUTION PA R

SCORIES FP NON-PREacuteLIXIVIEacuteES 10 6

ANNEXE Vll l MONTAG E DE S ESSAIS EN CUVEacuteE 10 7

LISTE DE REacuteFEacuteRENCES BIBLIOGRAPHIQUE S 10 8

LISTE DES TABLEAU X

Page

Tableau 1 1 Proprieacuteteacute s physico-chimiques d u CO2 9

Tableau 1 2 Teneu r en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins 2 2

Tableau 1 3 Compositio n chimique moyenne des boues rouges 2 5

Tableau 1 4 Composifio n chimiqu e moyenne des scories 2 6

Tableau 1 5 Composifio n chimiqu e moyenne des CKD 2 7

Tableau 1 6 Compositio n chimique des cendres volantes 2 8

Tableau 21 Compositio n chimiqu e moyenne des boues rouges humides et segraveches 4 2

Tableau 2 2 Paramegravetre s dexpeacuterimentation 4 8

Tableau 23 Meacutethode s analytiques appliqueacutees 5 1

Tableau 3 1 Valeur s des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacutes 5 3

Tableau 3 2 Le s valeurs des conducfiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacutes 5 5

Tableau 33 Reacuteserve s alcalines des huit reacutesidus 5 9

Tableau 41 Reacuteserve s alcalines et potentiel d e seacutequestratio n des reacutesidus alcalins 7 6

Tableau 42 Reacutesum eacute des reacutesultats seacutequestration d u CO2 obtenus par dautres eacutetude s 7 7

Tableau 43 Reacutesum eacute des eacutemissions par les trois industries e t les baisses respectives de leurs eacutemissions suite agrave la seacutequestration du CO2 par leurs reacutesidus alcalins 7 9

LISTE DES FIGURE S

Page

Figure 1 1 Reacutepartitio n pa r activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004 7

Figure 1 2 Cycl e du carbone organique 1 2

Figure 1 3 Cycl e du carbone inorganique 1 2

Figure 1 4 Seacutequestratio n d u CO2 par carbonatafion mineacuteral e 2 3

Figure 21 Photo s des boues rouges humides et segraveches 4 2

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP 4 3

Figure 23 Phot o des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD) 4 5

Figure 24 Phot o des cendres volantes 4 6

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee 5 0

Figure 3 1 Eacutevolufio n d u pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) etnon-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 48 heures 5 4

Figure 32 Eacutevolufio n d e la conducfiviteacute de s huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 6

Figure 33 Eacutevolutio n du pH des six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) et non-preacutelixivieacute s (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 7

Figure 34 Eacutevolutio n de la conducfiviteacute de s six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 8

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FAE FP et HF en fonction d u volume dacide ajout eacute 5 9

X

Figure 3 6 Courbe s de titrage des CKD Cl e t C2 en foncfio n du volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 3 7 Courbe s de titrage des boues rouges segraveches et humides en foncfion d u volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 38 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 8 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (A) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 48 heures 6 2

Figure 39 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 6 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (C) et preacutelixivieacutes (D) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 24 heures 6 4

Figure 310 Eacutevolufio n d u pH des scories FP filtreacutees e t non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 6

Figure 311 Eacutevolutio n de la conductiviteacute des scories FP filtreacutees et non filtreacutes en fonction d u temps de barbotag e au CO2 6 7

Figure 312 Eacutevolutio n du pouvoir de seacutequestration d u carbone de scories FP filtreacutees et non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 8

Figure 313 Vitess e dadsorption d u CO2 en foncfion d u temps par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes et non filtreacutes 6 9

Figure 41 Deacuteveloppemen t durabl e et la seacutequestration d u CO2 8 1

LISTE DE S ABREacuteVIATIONS SIGLES ET ACRONYME S

AIE

AMPERE

CKD

EacuteTS

FAEacute

FHWA

FP

Agence internationale d e leacutenergi e

Commission pou r lAnalyse de s Modi Redeacuteploiement de s Eacutenergies

Cernent kiln dus t

Ecole de technologie supeacuterieur e

Four agrave arc eacutelectriqu e

The Feacutedeacuteral Highway Administratio n

Four Poch e

GES Ga z agrave effet d e serre

GIEC Group e dexpert s intergouvemementau x su r leacutevolution d u climat

HF Hau t fournea u

ICP-AES Inductivel y Couple d Plasma-Atomi c Emissio n Spectrometr y

MEA Mon o eacutethylamin e

PSA Pressur e Swin g Adsorptio n

STEPPE Statio n Expeacuterimental e des Proceacutedeacutes Pilotes en Environnemen t

TSA Therma l Swin g Adsorptio n

LISTE DES SYMBOLES ET UNITEacuteS DE MESURES

m

kg Mt

Gt

t

degC

Pa

atm

S

min

ppm

gmol

L

Ka

Ma

kJ

pH

rpm

trmin

IN

megravetre

kilogramme

Million de tonnes

Milliard d e tonnes

tonne

degreacute Celsiu s

pascal

atmosphegravere

Siemens

minute

parties par million par volume

grammes par mol

Litre

milliers danneacutees

millions danneacutees

kilo joules

potentiel hydrogegraven e

rotations par minute

tours par minute

1 X Normale

INTRODUCTION

Probleacutematique impact de s activiteacutes industrielle s

Lactiviteacute industriell e mondial e augment e san s cess e anneacute e apregrave s anneacutee L e bie n ecirctr e de s

millions d e personne s partou t dan s l e mond e e n deacutepend Toutefois lindustri e n a pa s creacute eacute

seulement d e l a richesse ell e a engendr eacute auss i plusieur s problegraveme s environnementaux U n

des problegraveme s environnementau x es t leacutemissio n de s ga z agrave effe t d e serr e (GES) I l exist e

plusieurs GES L e dioxyd e d e carbon e (CO2) l e meacutethan e (CH4) l e protoxyd e dazot e o u

loxyde nitreu x (N2O) lozon e (O3) le s chlorofluorocarbone s (CFC) le s hydrocarbure s

halogegravenes (HFC PFC) lhexafluomr e d e soufr e (SFOcirc ) son t le s principau x GE S (GIEC

2007)

Ces gaz don t l e dioxyd e d e carbon e (CO2) jouent u n rocircl e majeu r dan s l a reacutegulatio n d e l a

tempeacuterature terrestre ca r il s laissen t passe r le s radiafion s solaires mai s absorben t certaine s

radiations infrarouge s (chaleur ) eacutemise s pa r l a surfac e chaud e d e l a Terr e c e qu i fa h

augmenter l a tempeacuteratur e d e latmosphegravere L e dioxyd e d e carbone avec un e dureacute e d e vi e

exceacutedant 12 0 an s e t un e contributio n pou r enviro n 5 5 d u reacutechauffemen t planeacutetaire s e

trouve e n tecirct e de s ga z agrave effe t d e serr e (Coolin g et al 2006) Entr e 197 0 e t 2004 le s rejet s

annuels d e CO2 l e principa l ga z agrave effe t d e serr e anthropique son t passeacute s d e 2 1 agrave 3 8

gigatonnes (Gt) soi t un e augmentatio n denviro n 8 0 Ce s rejet s repreacutesentaien t 7 7 de s

eacutemissions totale s d e GE S anthropique s e n 200 4 (GIEC 2007) L e Group e dexpert s

intergouvemementaux su r leacutevolution d u climat (GIEC 2007) estime que l a teneur moyenn e

en CO 2 dan s latmosphegraver e a augment eacute plu s d e 30 depui s l e deacutebu t d e legraver e industrielle

passant d e 28 0 ppm v agrave 37 9 ppmv D e plus lAgenc e intemational e d e leacutenergi e (AIE )

constate qu e le s eacutemission s d e dioxyd e d e carbon e lieacutee s au x activiteacute s humaine s devraien t

atteindre 4 3 G t pa r a n dic i 2030 soi t un e augmentatio n d e 6 0 (Gielen 2008) Ce s

augmentations pourraien t provoque r l a hausse de l a tempeacuterature d e l a surface d e la Terre e n

moyenne entr e 14deg C a u minimu m e t 4deg C a u maximu m su r l a peacuteriod e d e 199 0 agrave 210 0

(GEIC 2007)

Selon Environnemen t Canad a (2007) ce s augmentation s d e tempeacuterature s peuven t ecirctr e agrave

lorigine de s fonte s de s glaces d e laugmentatio n de s catastrophe s naturelle s e t d e l a

disparition d e plusieurs espegraveces animales et veacutegeacutetales

Contexte eacuteconomico-politiqu e

Les activiteacute s de s alumineries de s acieacuterie s e t de s cimenterie s produisen t chaqu e anneacute e de s

millions d e tonne s d e reacutesidu s alcalin s e t eacutemetten t dan s latmosphegraver e de s quantiteacute s

consideacuterables d e CO 2 L e tablea u ci-dessou s lillustr e le s eacutemission s d u CO 2 par le s troi s

industries

Type dindustri e

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Eacutemissions du CO2 (en Gt)

015

L7

18

Quantiteacutes de reacutesidus alcalins (en Mt)

90

350-420

480 (30 MT de CKD + 450MT de cendres

volantes de tout genre )

Sources

Institut Intemafional d e

laluminium (2008) Kumar eacutetal (2006 )

Miclos (2000) Gielen (2008)

Eloneva (2008) Konsta-Gdoutos et Shah (2003) Kumar et al

(2005)

Illustration de s eacutemissions d e CO2 et les quantiteacutes des reacutesidus alcalins produit s au niveau mondia l pa r les trois industries

Les eacutemission s d e CO 2 augmentent danneacute e e n anneacute e malgr eacute le s effort s de s entreprise s agrave le s

reacuteduire Pourtant l e protocole du Kyoto (1997) a fixeacute des objectifs d e reacuteduction d e GES pour

tous le s pay s signataires L e protocol e d u Kyot o a fixeacute a u Canad a agrave reacuteduir e d e 6 se s

eacutemissions d e GE S entr e 200 8 e t 201 2 pa r rappor t agrave lanneacute e 199 0 (Environnemen t Canada

2007)

Les quinz e pay s signataire s d e lUnio n Europeacuteenn e on t deacutej agrave attein t lobjecfi f d e 8

reacuteduction d e GES fixeacute pa r Kyoto (AEacuteE 2009) Des pays tels que la France LAllemagne l a

Gregravece l a Suegraved e l e Royaume Un i ont mecircme deacutejagrave attein t u n niveau infeacuterieu r agrave leur objectif d e

Kyoto Le s projection s reacutealiseacutee s pa r lAgenc e Europeacuteenn e pou r lEnvironnemen t (AEacuteE )

deacutemontrent qu e le s politique s climatique s e n vigueu r agrave lheur e actuell e permettron t d e fair e

une reacuteductio n suppleacutementair e d e 3 5 dic i 201 2 gracircc e agrave lacha t d e creacutedit s issu s d e projet s

de reacuteductio n de s eacutemission s meneacute s dan s le s pays tier s (AEacuteE 2009) L e Canad a e t le s Eacutetat s

Unis au contraire ont augmenteacute plus du double leurs eacutemissions de GES

Lameacutelioration d e lefficacit eacute leacutenergeacutetiqu e e t lutilisafio n d e source s alternative s deacutenergi e

pourraient reacuteduir e le s eacutemissions d e CO2 mais ces mesures seron t insuffisante s pou r atteindr e

les objectifs d e Kyoto ca r l a demande mondial e e n matiegravere premiegraver e augment e agrave un rythm e

soutenu Le s besoin s e n acie r e t e n aluminiu m connaicirctron t un e croissanc e d e 3 0 e t 60

par deacutecennie e t lInde estimen t Kuma r et al (2006) Kharoune (2006) ce qui rend neacutecessair e

la recherche d e nouvelle s technologie s d e seacutequestration d u CO2 De plus l a Chine e t lInd e

connaicirctront de s croissance s d e 8 0 agrave 100 pa r deacutecenni e dan s le s mecircme s domaines

Lindustrie d e lacier d e la Chine rejette 5 0 des eacutemissions mondiales du CO2 Dailleurs il

est agrave noter qu e le s eacutemissions d u CO2 par lindustri e d e production d e laluminiu m eacutetaien t d e

96 Mt en 199 0 au niveau mondia l e t elles ont eacuteteacute reacuteduites agrave moins de 25 Mt de CO2 en 2007

une reacuteductio n d e 7 4 alor s qu e l a productio n daluminiu m a doubl eacute pendan t l a mecircm e

peacuteriode d e 19 5 agrave 38 M t (GEIC 2006) Entre 199 0 et 2002 le secteur canadie n d u ciment a

ameacutelioreacute l e rendemen t d e se s four s d e 1 2 e t diminueacute se s eacutemission s d e GE S pa r tonne d e

produits cimentaire s d e 71 En chiffres absolus l a production total e nett e deacutemission s d e

CO2 a augmenteacute d e 23 de 199 0 agrave 2004 Toutefois l a production d e ciment a augmenteacute de

25 a u cour s d e cett e peacuteriode c e qu i expliqu e e n grand e parti e laccroissemen t de s

eacutemissions (Environnemen t Canada 2007) Dan s le s anneacutee s 1950 l a productio n mondial e

dacier eacutetai t denviro n 20 0 millio n d e tormes meacutetriques E n 2006 l e chiffr e seacutelevai t agrave 124 0

Mt dacier

Le Japo n fai t un e bonn e figure dan s l e cadr e d e reacuteduction s d e GES So n industri e dacie r a

reacuteduit d e 6 s a consommatio n deacutenergi e e n 200 5 pa r rappor t a u nivea u d e 199 0 (GEIC

2006) Le s entreprise s eacutemettrice s d e CO 2 doiven t fair e preuv e d e plu s dinnovation s e t d e

recherches technologique s dan s c e sens Louvertur e d e l a bours e d e carbon e depui s ma i

2008 agrave Montreacutea l leu r perme t deacutechange r leur s creacutedit s deacutemissio n d e GE S e t d e s e voi r

reacutecompenseacutees pour leurs efforts

Technique d e reacuteduction de s eacutemissions d e CO2 proposeacutee

Plusieurs proceacutedeacute s son t utiliseacute s pou r limite r le s eacutemission s atmospheacuterique s d e CO 2 qu i

agissent principalemen t su r l a captur e e t l a seacutequestrafio n d e c e gaz Alor s qu e le s proceacutedeacute s

membranaires e t dabsorption son t utiliseacutes pour l e captage d u CO2 le stockage e n reacuteservoir s

geacuteologiques o u miniers e n aquifegravere s salin s o u encor e pa r enfouissemen t oceacuteaniqu e son t

utiliseacutes pour l a seacutequestration (Bonenfan t et al 2006)

Lutilisation de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s issu s de s activiteacute s industrielle s telle s qu e

les alumineries le s acieacuterie s e t le s cimenterie s offren t d e nouvelle s possibihteacute s s e

seacutequestrafion d u CO2 Cett e technologi e es t baseacute e su r u n pheacutenomegraven e chimiqu e simpl e la

formation d e carbonate s stable s suite agrave labsorptio n d u CO 2 par de s composeacute s alcalin s tel s

que le s oxydes de calcium (CaO ) e t de magneacutesium (MgO) Lideacutee dutilise r le s reacutesidus e t les

sous-produits alcalin s afin d e seacutequestrer l e CO2 a eacuteteacute lanceacutee pour l a premiegravere foi s par Seifrit z

(1990) et a eacuteteacute eacutetudieacute en en profondeur pa r Lackner (1995)

La reacuteductio n de s eacutemission s d e CO 2 agrave l a sourc e sinscri t dan s l e cadr e du n processu s d e

gestion durabl e de s matiegravere s reacutesiduelle s e t preacutesent e u n inteacuterecirc t eacuteconomiqu e manifeste Agrave cet

effet l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuteral e e n milieu x aqueu x preacutesent e un e

alternative tregrave s inteacuteressant e (Huijge n et al 200 5 Bonenfan t et al 2006) 1 1 sagit du n

processus nature l menan t agrave l a formatio n de s carbonates produit s thermodynamiquemen t

stables et sans effet neacutefast e su r lenvironnement (Boenfan t et al 2006)

Les mateacuteriau x employeacute s dan s ce s eacutetude s son t de s sou s produit s e t reacutesidu s industriel s agrave

pouvoir alcali n tel s qu e le s scorie s de s acieacuteries le s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s

cendres volante s e t poussiegravere s de s four s de s cimenteries Cett e technologi e pren d un e

importance particuliegraver e s i o n parl e e n terme s d e quantiteacute s de s reacutesidu s produit s pa r ce s troi s

industries (voi r tableau 11 page 6) et qui peuvent ecirctr e utiliseacutes afin d e seacutequestrer l e CO2

En fait le s technologie s existante s d e seacutequestratio n d u CO2 agrave l a diffeacuterenc e d e l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s industriel s alcalins preacutesenten t de s coucirct s eacuteleveacute s d e 5 0 agrave

100 $ par tonn e d e CO 2 seacutequestreacute (Bonenfan t et al 2006 Eloneva 2008) Ces coucirct s eacuteleveacute s

empecircchent leu r application agrave grande eacutechelle

Objectifs d e leacutetud e

Le bu t d u preacutesen t travai l consist e agrave deacuteterminer expeacuterimentalemen t le s meilleurs pouvoirs d e

seacutequestration d u CO 2 pa r le s reacutesidu s e t le s sous-produit s industriel s alcalin s dan s de s

conditions ambiante s dutilisatio n tempeacuterature t = 20degC temps T= 2 4 et 48 heures pression

atmospheacuterique ambiante granulomeacutetrie industrielle)

De cet objectif deacutecoulen t le s sous-objectifs speacutecifique s suivant s

bull deacutetermine r le s critegraveres dutilisation de s mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r leffe t d u pH de la conducfiviteacute e t du pouvoir alcalin des reacutesidus en milieux

aqueux su r la capaciteacute de seacutequestration d u CO2 par les mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r F effet d e la preacutelixiviation de s reacutesidus sur leurs capaciteacutes de seacutequestratio n

du CO2

Pour c e faire de s essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute meneacute s su r troi s type s d e scorie s (HF FP FAEacute)

deux type s d e boue s rouge s (humide s e t segraveches) deu x type s d e reacutesidu s d e cimenterie s

(poussiegraveres de fours e t cendres volantes)

Le preacutesent meacutemoire es t organiseacute comme sui t

Le Chapitr e 1 preacutesent e le s notion s fondamentale s d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO2

Apregraves avoi r list eacute le s plu s grand s eacutemetteur s de s ga z agrave effet s d e serr e nou s feron s l a lumiegraver e

sur le s caracteacuteristique s chimique s d u CO 2 e t le s technologie s existante s d e l a seacutequestratio n

mineacuterale d u CO 2 par le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalins L e Chapitre 2 aborde l a

meacutethodologie de caracteacuterisation de s reacutesidus alcalins Dans cette partie nous nous pencheron t

sur le s critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacutes l a faccedilo n don t le s

paramegravetres e t le s condition s dexpeacuterimentation s son t eacutetabli s e t su r l a meacutethod e danalys e

choisie L e Chapitr e 3 preacutesent e le s reacutesultat s obtenu s lor s de s essais L e Chapitr e 4 a pou r

objectif dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s obtenu s dan s l e cadr e d e cett e

eacutetude Enfin un e conclusion complegravete l e meacutemoire

CHAPITRE 1

REVUE DE LA LITTEacuteRATURE

11 Probleacutematiqu e du CO2

Les activiteacute s humaine s eacutemetten t de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e GE S don t l e CO 2 L a deacuteforestation e t lindustrie de leacutenergie sont les principaux responsables (voir figure 11) Les rejets mondiaux en 2007 suite agrave la deacuteforestafion son t denviron 8 4 Gt de CO2 sur une totale de 38 Gt de CO2 eacutemis dans latmosphegravere La Terre absorbait environ 1 1 Gt de CO2 en 2007 On retrouve un suppleacutement dans latmosphegravere de 27 Gt selon le GIEC (2007)

Les eacutetude s qu i traiten t l e reacutechauffemen t globa l d ucirc au x eacutemission s d e CO 2 pa r lactivit eacute humaine sont tregraves nombreuses Leffet d e serre est un pheacutenomegravene normal et neacutecessaire agrave la vie su r terre C e pheacutenomegraven e s e produi t pa r laccumulatio n de s ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere 1 1 perme t d e mainteni r un e tempeacuterature moyerm e agrave la surface d e l a terre de +18degC (GIEC 2001) San s leffe t d e serr e l a tempeacuterature moyenn e d e l a terre serai t d e -15degC

Deacutef 0 r estatio n et suite s

Proceacutedeacutes industriels

2sltyo ^

r 7 Bacirctiments

reacutesidentiels e t comnterciaux

9ltyo

Industr ies d e leacutenergie

27lty o

) ~ Transpor t

1 7

Figure 11 Reacutepartition par activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004

Tireacute de GIEC (2007)

Pour mieu x comprendr e l a probleacutematiqu e d u reacutechauffemen t planeacutetaire i l import e d e bie n

connaicirctre le s caracteacuteristique s chimique s e t l e cycl e d u CO2 Le s page s qu i suiven t s e

proposent d e faire l a lumiegravere sur le sujet

111 L a chimi e du CO 2

Le dioxyd e d e carbon e a eacutet eacute identifi eacute pou r l a premiegraver e foi s dan s le s anneacutee s 175 0 pa r l e

physicien e t chimist e eacutecossai s Josep h Blac k (Villiers 2009) A tempeacuteratur e ambiant e (20 -

25C) l e dioxyd e d e carbon e es t u n ga z san s couleu r n i odeur qu i es t faiblemen t acid e e t

inflammable I l es t preacutesen t dan s latmosphegraver e dan s un e proportio n approximativemen t eacutegal e

agrave 00375 en volume soi t 375 ppmv (Bourque 2009)

La formul e moleacuteculair e d u dioxyd e d e carbon e es t l e CO2 Cett e moleacutecul e lineacuteair e es t

triatomique composeacute e du n atom e d e carbon e qu i es t reli eacute pa r doubl e liaiso n agrave deux atome s

doxygegravene 0=C=0 Le s atomes doxygegravenes dan s cett e formul e son t seacutepareacute s agrave des angles de

180 deg et son t lieacute s agrave latom e d e carbon e pa r de s liaison s covalente s qu i l a ren d no n polair e

selon Sienk o (1965) Dissou t dan s leau i l form e d e lacid e carboniqu e qu i peu t interagi r

avec de s composeacute s alcalin s tel s le s oxyde s meacutetallique s d e calciu m e t d e magneacutesiu m e t le s

zeacuteolites (Sienko 1965 Auroux et Gervasini 1990)

CO2 + H2 O - ^ H2CO 3 (11 )

Dans leau d e maniegravere reacuteversible lacid e carboniqu e reacuteagi t ave c lea u pou r forme r l e catio n

hydronium HsO^ et lion bicarbonate HCO suivant l a reacuteaction suivant e

H2CO3 + H2 O - ^ HCOs + HsO ^ (12 )

Il peu t seulemen t ecirctr e solid e agrave une tempeacuteratur e infeacuterieur e agrave -78degC L e dioxyd e d e carbon e

liquide existe principalement quan d i l est dissout dans leau

Le dioxyd e d e carbon e es t seulemen t solubl e dan s lea u lorsqu e la pressio n dinjectio n es t

maintenue Les proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2 sont deacutecrites au Tableau 11

Tableaull Le s proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2

Tireacute de Goj et al (2002) Tardat-Hemy e t Beaudry (1984 )

Proprieacuteteacute Masse molair e

Graviteacute speacutecifiqu e agrave 21C Densiteacute critiqu e

Concentration dan s lai r Stabiliteacute Liquide Solide

Constante dHenry d e solubilit eacute Solubiliteacute dans leau agrave agrave 20 degC

Valeur 4401

153 agrave21 468

3703 10 Eleveacutee

Pression lt 4158 Tempeacuterature

29815 09

Uniteacute gmol

-kgm ppm

-kPa

lt -78 degC mol kg bar

volvol

Ces proprieacuteteacutes permetten t a u CO2 de capter le s rayons infr a rouge s provenan t d e la Terre de

lemmagasiner e t passe r agrave u n nivea u deacutenergi e supeacuterieur Lexceacuteden t deacutenergi e es t libeacuter eacute

apregraves dans latmosphegravere causan t ains i leffe t d e serre (GIEC 1990)

112 Cycl e du carbon e

Le carbone es t un eacuteleacutement essenfie l agrave la vie Le carbone sui t u n certain itineacuterair e su r la terre

qui es t appeleacute cycl e du carbone L e cycle du carbone se compose en deux parties le cycle du

carbone organiqu e e t celui d u carbon e inorganique Cett e seacuteparatio n (Bourque 2009 ) es t

artificielle car en reacutealiteacute ces deux cycles se reacutealisent en mecircme temps

Le cycle du carbone es t baseacute sur le dioxyde de carbone (CO2) qui peut ecirctre foumi agrave lair sou s

forme d e ga z e t agrave lea u sou s form e dissoute Le s plante s terrestre s utilisen t l e dioxyd e d e

carbone d e latmosphegraver e pou r creacutee r leur s propre s source s deacutenergi e e t pou r assure r leu r

croissance

10

Lors le processus naturel appeleacute l a photosynthegravese le s plantes libegraveren t de loxygegravene essentie l

agrave l a vie animale Ces t gracircc e agrave l a chlorophyll e qu e le s plantes e t certaine s bacteacuterie s peuven t

effectuer la photosynthegravese

La reacuteaction totale de la photosynthegravese est

6CO2 + 6H2O + Eacutenergie solaire -gt COcircH^O Ocirc + 6O2 (13 )

Les animau x qu i consommen t loxygegraven e libeacuter eacute pa r le s plante s sappellen t de s

consommateurs Ce s dernier s relacircchen t l e dioxyd e d e carbon e dan s latmosphegraver e duran t l e

processus d e l a respirafion L a respiratio n es t linvers e d e la photosynthegravese Agrave parti r d e

loxygegravene libr e O2 elle transforme tout e mafiegravere organiqu e en CO2 selon leacutequatio n chimiqu e

suivante

C6H12O6 + 6 O2 gt 6 CO2 + 6 H2O (14 )

La deacutecompositio n aeacuterobi e e t l a fermentatio n permetten t au x microorganisme s d e libeacutere r l e

CO2 dans latmosphegravere Toutefois l e carbone peu t auss i ecirctr e stock eacute sou s forme d e biomass e

dans le s racine s de s arbre s e t dautre s matiegravere s organique s duran t de s anneacutees Lorsqu e le s

couches d e seacutediment s compressen t cett e matiegravere de s combustible s fossile s seron t formeacutes

apregraves plusieur s siegravecles De s proceacutedeacute s geacuteologique s agrave long term e pourron t expose r l e carbon e

de ce s combustible s agrave lai r apregrave s un e longu e peacuteriode mai s habituellemen t l e carbon e de s

combustibles fossile s es t relacircch eacute lor s d e proceacuted eacute d e combustio n reacutealis eacute pa r lhomm e

(Bourque 2009) Bie n qu e l a combustio n de s combustible s fossile s ajout e d u dioxyd e d e

carbone agrave lair certai n dentr e eu x son t auss i relacircch eacute lor s d e proceacutedeacute s naturels te l qu e le s

eacuteruptions volcaniques Dan s leacutecosystegravem e aquatique l e dioxyde d e carbon e peu t ecirctr e stock eacute

dans le s roche s e t le s seacutediments I l prendra u n lon g temp s avan t qu e l e dioxyd e d e carbon e

soit relacircch eacute pa r l a deacutesagreacutegatio n de s roche s o u de s processu s geacuteologique s qu i apporten t le s

seacutediments agrave la surface d e leau (Bourque 2009)

11

Le dioxyd e d e carbon e stock eacute dan s lea u ser a preacutesen t agrave l a foi s comm e ion s carbonate s o u

bicarbonates Ce s ions fomient un e partie importante des tampons naturel s qui empecircche lea u

de deveni r tro p acid e o u tro p basique Lorsqu e l e solei l chauff e leau le s ion s carbonate s e t

bicarbonates retourneron t dan s latmosphegravere sou s forme d e dioxyde de carbone (Falkowsk i et

al 1998 Huntzinger 2009)

En 2003 Yamasak i estimai t agrave 1 4 G t l a quantiteacute d e carbone captur eacute d e latmosphegraver e pa r le s

systegravemes terrestre s agrave laid e d e l a photosynthegravese Selo n ce t auteur loceacutea n emmagasin e plu s

de carbon e qu e l a veacutegeacutetafio n terrestre soi t 3 8 000 Gt L e phytoplancto n emmagasin e 5 0 agrave

100 G t d e carbon e qu i soi t un e quantit eacute beaucou p plu s important e qu e cell e emmagasineacute e

par la veacutegeacutetation terrestre

Les figure s 1 2 e t 1 3 montren t qu e l e gran d reacuteservoi r d e carbon e es t constitu eacute

principalement pa r le s roche s seacutedimentaires Loceacutea n repreacutesent e auss i u n autr e grand

reacuteservoir surtou t agrave de s profondeur s supeacuterieure s agrave 10 0 m L e seacutejou r d u carbon e dan s le s

reacuteservoirs deacutepend du type de reacuteservoir ougrave il se trouve

Le seacutejou r d u CO 2 est d e quatr e an s dan s latmosphegravere d e 1 1 ans dan s l a biosphegravere d e 38 5

ans dan s lhydrosphegraver e superficiell e (oceacutean d e 0 agrave 10 0 m) d e plu s d e 10 0 K a (millier s

danneacutees) dan s loceacutean profon d e t de quelques 200 Ma (millions danneacutees) dan s la lithosphegraver e

(Bourque 2009) Le cycl e d u carbone es t composeacute d e plusieurs sous-cycle s qu i duren t d e l a

deacutecennie (l e recyclag e d u CO 2 pa r le s plantes ) au x centaine s d e million s danneacutee s (l e

recyclage d u carbon e organiqu e pa r lintermeacutediair e de s roche s seacutedimentaire s o u de s

hydrocarbures pa r exemple)

12

C y c l e y c o u r t gt v

C y c l e 1 o n g

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C Y C L E O U C A R B O N E O R G A N I Q U E

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R O C H E S S Eacute D I M E N T A I R E S i n c l u a n t k ^ r o g ^ n e s p eacute t r o l e s c h a r b o n s

1 O O O O O O O

bull V o i o u - s C n Ccediljs ^ g g a i 3 T - raquo r gt t s d t c a t o o ^ s o - t o n K u m o K a s t i n p o l C a r i ^ ^ l O ^ D P O O Icirc V C O M

)

N

gt a 1 1

Figure 12 L e cycle du carbone organique Tireacute de Bourque (2009)

Figure 13 L e cycle du carbone inorganique Tireacute de Bourque (2009)

13

12 Technologie s d e captage et de seacutequestration du CO2

121 Technologie s d e captage du CO2

Afin d e contre r le s effet s neacutefaste s d u reacutechauffemen t climatiqu e plusieurs technologie s d e

captage e t de seacutequestration d u CO2 on t eacuteteacute deacuteveloppeacutees ce s derniegraveres anneacutees L a majoriteacute d e

ces technologie s n e son t pa s encor e implanteacute e agrave leacutechell e industrielle ca r leur s faible s

efficaciteacutes e t leur s coijt s eacuteconomique s eacuteleveacute s ont empecirccheacute s leu r implantatio n (Herzo g et al

1997 Herzog 2001 Yang et al 2008) Dan s cett e partie nou s deacutecrieron s briegravevemen t le s

technologies d e captag e d u CO 2 et nou s nou s attarderon s plu s e n deacutetai l su r le s technologie s

de seacutequestration d u C02par des mateacuteriaux alcalins

Proceacutedeacutes dadsorption pa r les amineacutes

Les technologie s baseacutee s su r labsorptio n d u CO 2 par le s amineacute s son t le s plu s freacutequemmen t

ufiliseacutees dan s le s industrie s peacutetroliegraveres dextractio n d u ga z nature l e t d e l a productio n

dammoniaque (Lia o et al 2002 Ra o et al 2002) L a mon o eacutethylamin e (MEA ) pa r

exemple reacuteagi e ave c l e CO 2 e t form e l e carbamat e d e MEA O n utilis e l a solutio n d e ce t

composeacute afin dextrair e d u CO2 tregraves pur (Stewart e t Hessami 2005)

Ces technologie s offren t de s rendement s d e captag e d u CO 2 varian t d e 7 5 agrave 9 0 e t de s

grades d e puret eacute d u CO 2 supeacuterieur s agrave 9 9 Malgr eacute de s rendement s satisfaisants ce s

technologies ont de s inconveacutenient s majeur s le s coiit s dinvesfissemen t e t dexploitatio n

sont eacuteleveacutes lufilisatio n dinhibiteur s d e corrosio n e t doxydafio n e t leur s rendement s

deacutependent de s condifion s dutilisafio n (Jo u et al 1995) L a consommatio n deacutenergi e es t

eacutegalement tregrave s eacuteleveacutee (Fauth et al 2005)

Proceacutedeacutes dadsorptio n pa r les zeacuteolites e t les charbons actif s

Les mateacuteriaux tel s que le s zeacuteolites e t les charbons actif s ont de s surfaces speacutecifique s eacuteleveacutee s

(gt 150 0 m^g ) e t adsorben t seacutelectivemen t diffeacuterent s ga z e n fonctio n d e leu r superficie l a

taille des pores et les volumes de pores (Rege et Yang 2001)

14

Ce processu s repos e su r la neutralisatio n du n ga z acid e for t (CO2 ) pa r un e bas e faibl e

(absorbant) Il s opegraverent agrave des cycles dites de pression PSA (Pressure-Swing-Adsorption) o u agrave

des cycles thermiques TSA (Thermal-Swing-Adsorption)

Ce typ e dadsorpfio n peu t atteindr e u n rendemen t denlegravevemen t d u CO 2 denviro n 9 2

Toutefois le s zeacuteolithe s n e son t pa s efficace s pou r capte r l e CO 2 eacutemi s pa r le s centrale s agrave

charbon car la consommation deacutenergi e es t tregraves eacuteleveacutee (Maroto-Valer 2005)

Proceacutedeacutes membranaire s

Ces technologie s utilisen t de s membrane s constitueacutee s du n polymegraver e deacutepos eacute su r u n suppor t

microporeux o u meacutetalliqu e o u du n film liquid e absorban t immobilis eacute su r u n suppor t d e

polymegravere (Fero n et al 1992 Herzog et a1997 Herzog 2001) L e CO2 est mis en contac t

avec l a membran e e t l e polymegraver e o u l e film liquid e qu i facilit e so n transpor t agrave traver s l a

membrane a u deacutetrimen t de s autre s polluants Ce s proceacutedeacute s offren t plusieur s avantage s pa r

rapport au x autre s proceacutedeacute s pa r leur s simpliciteacute s e t leur s stabiliteacutes Toutefois ce s

technologies preacutesenten t d e seacuterieu x deacutesavantage s don t de s coucirct s dutilisatio n eacuteleveacutes de s

rendements d e captag e d u CO 2 infeacuterieur s agrave 8 0 un e faibl e seacutelectiviteacute e n plu s d e n e

pouvoir traiter que des effluents ayan t de faibles concentration s en CO2 (Yang et al 2008)

122 Technologie s d e seacutequestration d u CO 2

Laugmentation constant e de s activiteacute s industrielle s de s acieacuteries de s cimenterie s e t de s

alumineries a pour conseacutequenc e no n seulemen t laccroissemen t de s eacutemission s d u CO 2 mais

aussi laccumulatio n d e millions de toimes de reacutesidus alcalins partout dan s l e monde Le deacutef i

pour ce s entreprise s e t pou r l e mond e d e l a recherch e es t d e taill e utilise r ce s reacutesidu s

industriels afi n d e limite r (seacutequestrer ) un e parti e d u CO 2 eacutemi s dan s latmosphegravere E n fait

cest depui s le s quinz e demiegravere s anneacutee s qu e l a recherch e essay e agrave reacutepondr e agrave cett e

probleacutemafique

15

Les effort s le s plus consistant s reposen t su r l e deacuteveloppement dun e technologi e utilisan t le s

scories de s acieacuterie s e t le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s comm e matrice s afi n d e

seacutequestrer l e CO 2 (Hujge n e t al 2005 Kharoune 2006) Quan t agrave lutilisatio n de s boue s

rouges de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e cimenterie s son t dan s leur s

premiegraveres phases dessais

Les technologie s d e seacutequestratio n d u CO 2 o n peu t le s classifie r e n quatr e cateacutegorie s l a

seacutequestration oceacuteanique l a seacutequestratio n biologiques l a seacutequestratio n geacuteologiqu e e t l a

seacutequestration mineacuterale s des mateacuteriaux alcalins Il importe de mentionner qu e la deacutefinition d e

technologie es t peut-ecirctr e inexacte ca r l e pheacutenomegraven e d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r de s

matiegraveres alcaline s es t u n pheacutenomegraven e naturel Toute s ce s laquotechnologies raquo permetten t l a

seacutequestration d u CO2 agrave tregraves long s termes (plusieur s millier s agrave plusieurs million s danneacutees ) agrave

lexception d e l a seacutequestration d u CO2 par l a biomasse de s veacutegeacutetaux qu i n e l e seacutequestre qu e

pour une cinquantaine danneacute e (Santos 2006)

La seacutequestration oceacuteaniqu e

Les oceacuteans ont u n potentie l d e seacutequestration d u CO2 tregraves eacuteleveacute plus de 100 0 Gt (AMPERE

2006) mai s l a dureacute e d e reacutetentio n d u CO 2 est beaucou p plu s court e qu e le s autre s type s d e

seacutequestration L e CO2 injecteacute agrave 1500 m de profondeur libegraver e 1 8 de la quantiteacute seacutequestr eacute du

CO2 apregraves 200 ans de stockage (Hanish 1999) Ceci sexpliqu e pa r l e fai t qu e le CO2 dissout

dans lea u s e transforme e n acid e carboniqu e H2CO 3 qui baiss e l e p H d e lea u marine De s

ions bicarbonates HCO3 et des ion s carbonates COs^ sont libeacutereacute s dans lea u qu i agrave leu r tou r

vont reacuteagi r ave c le s ions meacutetallique s qu i s e trouvent dans lea u pou r former de s sel s tels que

la calcit e CaCO s (carbonat e d e calcium ) e t l a dolomit e CaMg(C03)2 L a formatio n d u

carbonate d e calciu m CaCO j produi t deu x pheacutenomegravenes l e premie r es t celu i d e

laugmentation d e la concentration e n acide carbonique qu i peut auss i seacutecrir e CO 2 + HO et

par voi e d e conseacutequence d e cell e d u CO 2 et l e deuxiegravem e es t celu i d e l a reacuteductio n d e l a

concentration e n ions bicarbonates ce qui va provoquer une baisse du pH

C02(g) + CaC03(s) + H2O -^ Ca-(aq ) + 2 HCO3 (aq) (15 )

16

Les concentration s eacuteleveacutee s d e CO 2 suites agrave l a productio n d e CaCO s provoquen t l a creacuteatio n

dun gradien t entr e loceacutea n e t latmosphegravere qu i favoris e un e diffusio n d u CO 2 de loceacutea n ver s

latmosphegravere (Bourque 2009)

Un autr e inconveacutenien t d e cett e meacutethod e es t l a distanc e su r laquell e l e CO 2 reacutecupeacuter eacute de s

usines doi t ecirctr e transporteacute pou r atteindre loceacutean L e coiagravet de cette meacutethod e d e stockage a eacuteteacute

estimeacute entre 1 8 et 12 8 $ par tonne de CO2 seacutequestreacute (AMPERE 2006)

La seacutequestration geacuteologiqu e

Le stockag e geacuteologiqu e d u CO 2 preacutesente un e autr e alternativ e inteacuteressant e pou r limite r le s

eacutemissions d e ga z dan s latmosphegravere LOues t canadie n pa r so n relie f e t se s caracteacuterisfique s

geacuteologiques sembl e lendroi t ideacuteal car les reacuteservoirs geacuteologique s peuvent recevoi r toute s le s

eacutemissions de CO2 qui seront produites au Canada dans les prochaines anneacutees

Toutefois plusieur s chercheur s sinquiegraveten t d e limpact d e ce gaz stockeacute agrave des pressions tregrave s

eacuteleveacutees su r le s paroi s rocheuse s (Reeve 200 0 His 2003 Thoma s e t Kerr 2005 Montes -

Hemandez 2009) L a dissolutio n d u CO 2 peu t cause r l a formatio n de s carbonates de s

oxydes meacutetallique s e t de s hydroxyde s qu i agrave longues terme s peuven t affecte r l a solidit eacute de s

reacuteservoirs (Montes-Hemande z 2009) L a seacutequestrafio n geacuteologiqu e d u CO 2 s e deacuteroul e e n

trois eacutetape s l e captage l e transpor t e t linjectio n d u gaz L e captag e es t leacutetap e l a plu s

coucircteuse du processus (GIEC 2005)

De plus plus des deu x tier s du coucirc t du captage e t du stockage d u CO2 provenant de s ga z de

combustion y sont accapareacute s pa r sa seacuteparation e t so n traitement Ce s coucircts eacuteleveacutes preacutesenten t

(40 agrave 7 0 $ ustonne d e CO2 ) l e principal obstacl e agrave l a commercialisatio n de s technologie s

de stockage du CO2 au Canada (Reeve 2000)

17

Stockage dans les gisements de gaz ou de peacutetrole

Cette technologie es t en cours de deacuteveloppement Le s gisements de gaz et de peacutetrole peuven t

servir d e reacuteservoir s naturel s d u CO2 Ce s reacuteservoir s offren t de s potentiel s d e seacutequestratio n

supeacuterieurs agrave 18 0 Gt de CO2 (Reeve 2000)

De nombreuse s expeacuterimentation s son t e n cour s a u Japon au x Eacutetats-Uni s e t e n Europe L e

CO2 capt eacute peu t ecirctr e inject eacute e t emprisonn eacute dan s de s structure s geacuteologique s telle s qu e de s

veines d e charbo n inexploitables de s gisement s eacutepuiseacute s d e ga z o u d e peacutetrol e o u de s roche s

poreuses Un e foi s aboutie cett e technologi e permettrai t d e reacuteduir e massivemen t le s

eacutemissions d e c e ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere U n aspec t inteacuteressan t d e cett e

technologie es t le transport direc t du CO2 des usines vers les sites de stockage

Les grand s eacutemetteur s d e CO 2 tel s qu e le s alumineries le s acieacuteries le s cimenterie s e t le s

raffineries d e peacutetrol e peuven t utilise r facilemen t cett e technologi e (Montes-Hemandez

2009)

Stockage dans le s formations houillegravere s

Une autr e possibilit eacute d e seacutequestrafio n d u CO 2 es t linjecfio n dan s le s formafion s houillegravere s

(Mastalerz et al 2004) Le meacutethane (CH4) a la proprieacuteteacute de saccrocher au x paroi s rocheuse s

mais l e CO2 une foi s injecteacute deacuteplac e l e meacutethan e pou r prendr e s a place Cett e technologi e

preacutesente u n avantage consideacuterable l a vente du meacutethane ains i produi t peu t aide r agrave compenser

le coucirc t d e l a seacutequestratio n d u CO2 Deacutependan t d u typ e d e charbo n utilis eacute le s eacutetude s d e

laboratoire indiquen t quentr e deu x e t di x moleacutecule s d e CO 2 son t absorbeacutee s pou r chaqu e

moleacutecule d e meacutethan e libeacuter eacute (Stanto n et al 2001 Pa n e t Connell 2009) Linconveacutenien t

majeur d e cett e technologi e es t l a faible porosit eacute d e l a surface d u charbo n qu i s e tradui t pa r

un mauvais contac t du CO2 avec lensemble de la surface d u charbon

18

Stockage dans le s aquifegraveres salin s

Les reacuteserves planeacutetaires en eau saline deacutepassent largemen t celle s du peacutetrole e t de gaz naturel

Leurs potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 sont consideacuterables plu s 700 0 milliard s d e tonne s

de CO2 (Yang 2008)

Les aquifegraveres son t de s formation s geacuteologique s constitueacutes d e roches permeacuteable s contenan t d e

leau mobiliseacute e quelle s son t capable s d e restitue r naturellemen t (Herzo g et al 1997

Herzog 2001) Une telle technologie es t deacutejagrave utiliseacute e en Norvegravege o ugrave l a plate-forme offshor e

de ga z nature l d e Sleipne r inject e u n millio n d e tonne s d e CO 2 par anneacute e agrave 100 0 megravetr e d e

profondeur dan s la mer du Nord (Santos 2005)

Stockage dans la biomass e

Tel qu e expliqu eacute agrave l a sectio n 11 2 lor s d u processus d e l a photosynthegravese le s plantes verte s

absorbent d u CO 2 de latmosphegraver e afi n d e l e converti r e n glucos e e t e n dautre s substance s

indispensable agrave leu r survie Lor s d e l a respirafio n cellulair e l e glucos e es t laquobmleacute raquo pou r

produire d e leacutenergi e qu i ser t agrave mainteni r le s foncfion s vitale s de s veacutegeacutetau x (Campagna

1996) Les forecircts e t les algues marines sont les principaux reacuteservoir s vert s du CO2

Les forecirct s

Les arbre s duran t leu r croissance absorben t e t stocken t l e CO 2 de lai r jusquagrave c e qu e leu r

bois soi t brucircl eacute o u deacutecompos eacute naturellement Le s forecirct s contiennen t 8 0 d e l a biomass e

continentale (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s fonctionnen t donc duran t u n certai n temp s

comme de s puit s d e CO 2 e t contribuen t agrave reacuteduir e leffe t d e serre Un e forecirc t es t consideacutereacute e

comme pui s d e carbon e quan d ell e absorb e e t stock e l e CO 2 d e maniegraver e durabl e dan s l a

biomasse faisan t d e sort e qu e l a teneu r e n CO 2 d e latmosphegraver e diminue L a biomass e

aeacuterienne de s jeunes forecirct s agrave croissance rapid e fixe plus de gaz carbonique quell e nen rejett e

(Campagna 1996) Toutefois le s arbres mures des forecircts seacutequestren t tregrave s peu de CO2 Apregraves

une peacuteriode de 50 ans la forecirct es t consideacutereacutee mature

19

Ce nest pa s l e taux de fixation d u carbone qu i es t deacuteterminant mai s l e temps pendant leque l

il es t stock eacute dan s l a biomass e (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s e t le s autre s type s d e

veacutegeacutetation peuven t capte r e t transforme r entr e 2 0 e t 30 de s eacutemission s causeacutee s pa r la

combustion deacutenergie s fossiles e t cett e valeu r pourrai t encor e ecirctr e augmenteacute e pa r de s

reboisements Cependant o n admet que tous les puits de CO2 du monde seron t satureacute s dici agrave

2050 Pa r ailleurs le s puit s actuel s pourraien t auss i deveni r de s source s d e CO 2 s i

latmosphegravere devai t s e reacutechauffer Fischli n et al (2006 ) considegraver e que n ca s d e

reacutechauffement climatiqu e selo n le s modegraveles preacutevisionnels actuels le s peacuteriodes de seacutecheress e

(entraicircnant u n risqu e acc m dincendi e e t u n affaiblissemen t de s arbres) voir e le s tempecirctes

pourraient s e muhiplie r globalemen t e t localement dougrave entr e autres un e possibl e

augmentation de s attaque s pa r de s insectes Tou s ce s facteur s pourraien t fair e mouri r le s

arbres qui agrave leur tour une fois deacutecomposeacutes libeacutereront du CO2 dans latmosphegravere

Algues marine s

Les algue s marine s agrave l a surfac e de s oceacutean s jouen t u n rocircl e importan t dan s leacutecosystegravem e

marin Le s micros-algue s utilisen t le s rayon s d u solei l pou r leu r croissanc e eacutetan t donn eacute

quelles son t source s deacutenergi e e t permetten t d e transforme r l e CO 2 e n composant s

organiques (Herzo g et al 1997 Herzog 2001) Elle s repreacutesenten t l a base nutrifionnell e d e

la vi e marin e e t terrest e car elle s produisen t plu s d e 9 0 d e lactivit eacute photosyntheacutetiqu e

repreacutesentant pa r l e fai t mecircm e l a premiegravere sourc e doxygegravene su r la Terre Les expeacuteriences ont

deacutemontreacute qu e le s rendement s d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s algue s marines l e

zooplancton e t les bacteacuteries ont quadmpleacute suite agrave la fertilisation de s algues en ajoutant 800k g

de fe r su r un e surfac e d e 4 9 k m dan s loceacutea n Atlantiqu e Su d mai s ell e peu t repreacutesente r

certains dangers comme l e deacuteseacutequilibre de la flore marine (Herzog 2001)

La manipulatio n geacuteneacutetiqu e es t un e autr e voi e qu i permettr a au x algue s agrave augmente r leu r

pouvoir de seacutequestration d u CO2

20

Cette voie a eacuteteacute envisageacutee pour creacuteer des algues reacutesistantes agrave un environnement pauvr e en fe r

et ains i augmente r l a prolifeacuteratio n de s algue s marines mai s de s plante s marine s pouvan t

prolifeacuterer abondammen t dan s u n milie u carenc e e n fe r pourraien t induir e de s reacuteaction s e n

chaicircnes impreacutevisible s dan s le s eacutecosystegravemes marin s (Herzog 2001) Le s eacutetudes portant su r l a

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s son t beaucou p moin s

nombreuses

13 Seacutequestratio n d u CO2 par des mateacuteriaux alcalin s

Puisque l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s es t lobjecti f

principal d e l a preacutesent e eacutetude l a revu e deacutetailleacute e d e l a litteacuteratur e su r l e suje t es t preacutesenteacute e

dans cette section

Plusieurs recherche s (Lackne r et al 199 5 Stolarof f et al 200 5 Huijge n et al 2005 -

2006 Soong et al 200 6 Bonenfant et al 200 8 Montes-Hemandez et al 2008-2009 ) ont

proposeacute l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 comme un e altemativ e afi n reacuteduir e le s eacutemission s

de CO2 dans latmosphegravere e n ufilisant le s reacutesidus alcalins tels que les deacutechets municipaux le s

cendres volante s de s fours d e l a saumure le s deacutechet s d e beacuteto n e t d e ciment le s scorie s

dacier e t les boues de deacutesencrage des papeteries

131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriaux alcalins les fondement s

Lideacutee d e la seacutequestration mineacuteral e du CO2 a eacuteteacute lanceacutee par Seifritz e n 199 0 et a eacuteteacute eacutetudieacute en

en profondeur pa r Lackne r dan s les deacutebuts des anneacutees 90 Cette technologi e es t baseacutee su r un

pheacutenomegravene chimiqu e simpl e la formation d e carbonates stable s suit e agrave ladsorption d u CO2

par de s composeacute s alcalin s tel s qu e le s oxyde s d e calciu m (CaO ) e t d e magneacutesiu m (MgO )

(Lackner 1995) Les efforts le s plus consistants son t poseacutes su r linvention dun e technologi e

utilisant le s scorie s de s acieacuteries le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s e t le s mineacuterau x

alcalins tels que lolivine l a serpenfine l e wollostonite comm e matrice s afi n d e seacutequestrer l e

CO2

21

Quant agrave lutilisatio n de s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e

cimenteries son t dan s leur s premiegravere s phase s dessais E n fait i l exist e deu x type s d e

seacutequestration mineacuterale du CO2 ex-situ et in-situ

La seacutequestration ex-situ

Cette technologie es t appeleacutee ex-situ car on utilise les mineacuteraux alcalin s qui se trouvent dan s

la nature tel s que la serpentine lolivine l e wallostonite l e talc et c pou r l a seacutequestratio n d u

CO2 Linteacuterecirc t dutilise r le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalin s pou r l a seacutequestratio n

du CO 2 consiste dan s l e fai t qu e c e processus es t exothermiqu e e t qui l perme t l a formatio n

de carbonate s stable s (Lackner 199 5 Khoo e t Tan 2006 ) gracircc e agrave leur s teneur s eacuteleveacutee s e n

oxydes de magneacutesium (MgO ) et de calcium (CaO ) (Proctor et al 2000 ) comme l e deacutemontre

le tableau 12

La serpenfin e e t lolivin e ont eacutet eacute identifieacutee s pa r plusieur s (Beara t et al 2006 Kho o e t Tan

2006 Checircne al 2006 Huijge n et al 200 6 Krevor e t Lackner 200 9 Prigiobbe et al

2009) comme les mineacuteraux le s plus prometteurs agrave utiliser pour l a seacutequestration d u CO2 gracircce

agrave leurs pouvoirs alcalins et les quantiteacutes eacuteleveacutees quon trouve dans l a nature

Ces mineacuterau x doiven t ecirctr e transporteacute s pregrave s de s usine s eacutemettrice s d e CO 2 et broyeacute s avan t

decirctre utiliseacute s pour l a seacutequestration d u CO2 Le concept es t baseacute su r l e pheacutenomegravene nature l d e

lalteacuteration de s mineacuterau x alcalin s pa r l e CO 2 dan s leque l le s silicate s d e calciu m o u d e

magneacutesium son t transformeacute s e n carbonates L a carbonatatio n mineacuteral e engloban t tou s le s

mineacuteraux alcalin s es t preacutesenteacutee par les reacuteactions ci-dessous (Kho o et Tan 2006)

(Ca Mg)Si03(s) + C02(g) -gt (Ca Mg)C03(s) + Si02(s) + 90 kJmole (16 )

La reacuteactio n 1 6 deacutemontr e l e potentie l d e transforme r naturellemen t de s mineacuterau x riche s e n

silicates de magneacutesium e t de calcium en carbonates e t en silice

22

Tableau 12 La teneur en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Mateacuteriaux (mineacuterau x

alcalins)

Peridotite Dunit e (olivine )

Hazburgite

Lhezhorlite

Serpentine

Gabro

Basait

Talc

Wallastonite

Teneur en Mg O

masse

495

454

281

400

100

62

440

-

Teneur en CaO

masse

03

07

73

0

130

94

-

350

De tout e eacutevidence l a capacit eacute d e seacutequestre r l e CO 2 pou r le s reacutesidu s alcalin s deacutepen d

directement de la proportion des oxydes meacutetalliques de calcium et de magneacutesium (CaO et de

MgO) e t leur s hydroxyde s respectif s Ca(0H) 2 e t Mg(0H 2 contenue s dan s l a matric e de s

deacutechets (Montes-Hemandez et al 2009)

Dans de s condition s ideacuteale s e n suivan t l a reacuteacfio n 16 un e tonn e d e serpentin e peu t

seacutequestrer enviro n une demi-tonne de CO2 et une tonne de lolivine peu t seacutequestrer enviro n

deux fiers dune tonn e d e CO 2 (Khoo e t Tan 2006) L a reacuteaction es t exothermiqu e e t ell e

libegravere 90 kJmole de CO2 Le s eacutetudes deacutemontrent que le processus de carbonatation aqueuse

suit deu x eacutetapes a ) l a dissolutio n de s cafion s e n solutio n suiv i pa r b ) l a nucleacuteatio n e t l a

croissance des preacutecipiteacutes de carbonate (Park et Fan 2004 Maroto-Valer et al 200 5 Krevor

et Lackner 2009)L a raiso n principal e d e lutilisatio n d e ce s mineacuterau x es t labondanc e d e

ces derniers dans la nature

23

Les quanfiteacutes de serpentine en particulier son t largement disponibles dans le monde entier de te l poin t quo n peu t seacutequestre r tou t l e CO 2 qui peu t ecirctr e geacuteneacuter eacute agrave parti r d e toute s le s reacuteserves planeacutetaires en charbon Leur faible coucirct combineacute avec le caractegravere exothermique du processus d e carbonatation (reacuteacfio n 16 ) son t le s deu x principaux argument s qu i peuven t justifier l e deacuteveloppement d e ce proceacutedeacute au niveau industrie l (voi r figur e 14) Malgr eacute le s avantages deacutecrit s ci-dessus l a seacutequestratio n d u CO2 par l a carbonatatio n mineacuteral e es t un processus qu i est limiteacutee par l a lenteur de la reacuteaction de carbonatation e t notamment d e la lenteur d u taux d e dissolution de s silicate s dans des conditions faiblement acide s (Chen et al 2008)

^bulliltNr- -gtv v

Serpentine

r-^BoMWraquo iuml ^ Olivine

Pipeline

Vision 21 Power Plant bullwr

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1

te Minerai Carbonation Plant

AfSOk^KP^

^agnesItB amp Sillca Constructio n Mateacuteriel Industiial Reagents Mine Reacuteclamation

Figure 14 L a seacutequestration du CO2 par carbonatation mineacuterale Tireacute de Goldberg (2001 )

Le renforcement d e la vitesse de la dissolution a eacuteteacute identifieacute comm e lune des principales opportiiniteacutes pour la reacuteduction des coucircts directs de ce processus (Krevor et Lackner 2009) Les coucircts dutilisation d e ces mineacuteraux sont faibles mais les coucircts de transports eacuteleveacutes Ils peuvent donc limiter leur utilisation en grande eacutechelle pour la seacutequesti-ation du CO2 La consommation deacutenergi e associeacute e a u broyage de s mineacuteraux repreacutesenten t 7 5 du coucirct total de leacutenergie demandeacutee de tout le processus de seacutequestration du CO2

24

Ces coucirct s peuvent augmente r jusqu agrave 90 s i on vise agrave obtenir un e granulomeacutetri e d e moin s

de 75 mm (Krevo r e t Lackner 2009) De plus les mineacuteraux alcalin s ne se comportent pa s de

la mecircm e faccedilo n lor s l e processu s d e l a carbonatafion Le s serpentine s reacuteagissen t plu s

facilement tandi s qu e l a peridotit e es t l a plu s difficil e agrave carbonater Pou r avoi r de s

rendements satisfaisant s (4 0 agrave 8 0 ) d e carbonatation i l fau t augmente r l a tempeacuterature au -

dessus d e 150deg C et ajoute r de s solutions tampons telle s qu e l e chlorure d e sodium (NaCI ) et

bicarbonate d e sodiu m (NaHCOs ) o u ajoute r de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e acid e

chlorhydrique (HCl ) afi n dacceacuteleacutere r l a reacuteactio n d e formatio n de s carbonate s (Che n et al

2008)

La seacutequestration in-situ

Lutilisation de s reacutesidu s e t de s sous-produit s alcalin s issu s d e lactivit eacute industriell e de s

alumineries des acieacuteries e t des cimenteries est une autre altemative d e seacutequestration d u CO2

Ces mateacuteriau x alcalin s (boue s rouges scories poussiegravere s d e fou r e t cendre s volantes ) son t

produits pa r ce s usine s e t gracircc e agrave leur haute teneur e n Mg O e t CaO il s peuvent ecirctr e utiliseacute s

sur place (in-situ) pou r seacutequestrer l e CO2 eacutevitant ainsi le s coucircts de transport

Les boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouge s son t de s reacutesidus industriel s issu s du processus dextractio n daluminiu m agrave

partir d e l a bauxit e (proceacuted eacute Bayer) Ce s reacutesidu s (Doy e e t Duchesne 2003 ) on t u n p H

supeacuterieur agrave 1 2 et sont produit s agrave un taux de 2 tt daluminium commercialis eacute (Vacho n et al

1994) Le s boue s rouge s son t stockeacutee s soi t a u fon d de s oceacutean s (France Allemagne) soi t

preacutes des usines comme au Canada (Vachon et al 1994)

La production de s boues rouges en 2006 ses t chiffreacutee agrave 90 Mt dan s l e monde dont 3 Mt au

Canada e t o n preacutevoi t un e augmentatio n d e productio n d e 6 0 pa r deacutecenni e (Kharoun e et

al 2006) Le s grande s aluminerie s peuven t e n geacuteneacutere r jusqu agrave 67 5 00 0 tonne s pa r anneacute e

(Doye et Duchesne 2003)

25

Le tablea u 1 3 deacutemontr e qu e le s boue s rouge s on t un e teneu r eacuteleveacute e doxyd e d e calciu m

(CaO) et elles peuvent donc ecirctre ufiliseacutees afi n d e seacutequestrer l e CO2

Tableau 1 3 L a composition chimiqu e moyenne des boue s rouge s

Tireacute de Cabeza e t al (2003)

Composition en masse

AI2O3

10-20

CaO

2-8

FejOj

30-60

NazO

2-10

SiOz

3-50

TiOj

trace-10

Les scories des acieacuterie s

Lindustrie canadienn e d e lacieacuterag e constitu e l e secteu r l e plu s importan t d e l a meacutetallurgi e

du pay s (Mikhai l e t Aota 2006) Dix-sep t acieacuterie s exploiten t 2 1 usine s dan s hui t province s

canadiennes Dan s le s usine s inteacutegreacutees toute s situeacutee s e n Ontario de s haut s foumeau x

produisent d u fe r primair e agrave partir d e matiegraveres brute s comm e d u minera i d e fer d u charbo n

et de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006)

Les quatr e cateacutegorie s de s scorie s (Kharoun e et al 2006 ) deacutesigneacutee s selo n leu r proceacuted eacute d e

fabrication son t le s scorie s FO P (fou r agrave oxygegraven e pur) le s scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c

eacutelectrique) le s scorie s H F (hau t foumeau ) e t le s scorie s F P (fou r poche) Lutilisatio n de s

scories dan s l e bu t d e seacutequestre r l e CO 2 es t important e s i o n considegraver e qui l s e produi t

actuellement 1 4 Mt a u Canada 2 1 M t au x Eacutetat s Uni s e t 35 0 M t d e scorie s dan s l e mond e

dont 19 0 M t d e typ e H F (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e tonn e dacie r produit 02 8 agrave 1

tonne CO2 sont eacutemis dans latmosphegravere

Ce son t le s pH eacuteleveacute s (1 2 agrave 13 ) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxyde s meacutetallique s (Huijge n et

al 2005 ) le s raisons principale s d e lutilisatio n de s scories comm e substra t d e seacutequestratio n

du CO2 comme l e deacutemontre l e tableau 14

26

Tableau 1 4 La composition chimiqu e moyenne de s scorie s

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Composants (Vo en masse )

CaO Si02

A1203 MgO FeO MnO

Types de scorie s

FAEacute 30-40 10-20 lt10 lt10

15-35 lt10

FOP 42-52 9-13 05-3

1-8 15-35 3-10

FP 48-52 8-10 15-25 8-10 2-4 lt4

HF 39-42 33-39 9-13 6-9

0-01 01-05

Les scories FOP et FP sont plus riches en calcium qu e celle FAEacute tandis que les scories FP

sont plus riches on oxyde daluminium Le s teneurs en meacutetaux lourd s sont faibles pou r les

trois types de scories eacutetudieacutees

Les poussiegraveres de four des cimenterie s

Les poussiegravere s d e fou r d e cimenterie connue s auss i sou s l e no m d e laquo ceacutemen t kil n dus t raquo

(CKD) son t de s reacutesidu s industriel s reacutecupeacutereacute s pa r le s filtres eacutelectrostatique s lor s d e l a

fabrication d u clinke r (Doy e e t Duchesne 2003) Geacuteneacuteralement 1-1 5 tonne s d e calcair e e t

de 0 5 tonne s d e charbo n son t utiliseacute s pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e clinker L a

consommation deacutenergi e pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e cimen t seacutelegravev e agrave 4000 M J dont

pregraves de 80 est dorigine thermiqu e e t le reste de leacutenergie eacutelectrique E n outre 08-1 tonn e

de CO 2 est eacutemis e dan s latmosphegraver e pa r tonn e d e clinke r produit e (Kuma r et al 2006) L a

production mondial e des CKD seacutelegraveve agrave 30 millions de tonnes Une tregraves faible proportio n (15

) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x dan s le s industrie s agricole s e t d e l a

construction (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003)

Il fau t note r qu e jusque agrave l a fin des anneacutees 9 0 pregraves d e 4 millions d e CK D s e retrouvaient e n

tas ou dans des eacutetangs agrave cocircteacute des usines en Ameacuterique du Nord (Doy e e t Duchesne 2003) De

nos jours presqu e toute s le s CK D son t recycle s dan s l e processu s d e fabricatio n d u cimen t

(Huntzinger 2009)

27

Le tableau 1 5 deacutemontr e qu e le s CK D son t rich e e n oxyde s d e calcium Elle s possegraveden t u n

potentiel ne t d e neutralisatio n tregrave s eacutelev eacute (42 6 k g CaC03t) u n p H d e 126 un e reacuteserv e

importante e n sulfate s (10 3 SO4 ) ains i qu e de s concentration s e n meacutetau x lourd s plu s o u

moins importantes de lordre d e ppm tels que Cr Pb et Zn (Doye e t Duchesne 2003)

Tableau 1 5 La composifion chimiqu e moyenne des CK D

Tireacute de Corish et Coleman (1995)

Composition en mass e

Poussiegraveres d e four (CKD )

AI2O3

3-6

CaO

38-50

FczO

1-4

MgO

0-2

NaO

0-2

SiOj

11-16

Les cendres volante s

Les cendres volante s repreacutesenten t de s reacutesidus tregraves fins issus entre autre s de la combustion d u

charbon pulveacuteris eacute e t pouss eacute dan s l a chambr e d e combustio n du n fou r pa r de s ga z

deacutechappement Le s cendre s volante s son t classifieacutee s selo n leur s teneur s e n Ca O e t d u typ e

du charbon brucircl eacute (voi r tableau 16) e n deux classes F et C (Biemacki et al 2007)

Les cendres volantes de classe F confiennent moin s de 1 0 de CaO et sont utiliseacutees pou r la

fertilisation de s sols Le s cendres volante s d e classe C contiennent plu s d e 1 0 de CaO e t

elles son t plu s communeacutemen t utiliseacutee s pou r l a fabricatio n d u beacuteto n (Montes-Hernande z et

al 2009)

La production de s cendres volantes seacutelevait agrave 4800000 tonnes a travers l e Canada en 2001

dont 450000 tonnes on t eacuteteacute utiliseacutees pour la fabrication d u ciment (Bouzouba a e t Foumier

2003)

28

Tableau 1 6 La composition chimiqu e des cendres volante s

Tireacute de Soong et al (2006 )

Composition masse

Sulfur

0-002

C

0-15

AI2O3

59-187

CaO

18-29

Fe203

5-85

K2O

03-24

MgO

14-64

NazO

06-55

Si02

14-516

En Europe e t selo n le s anneacutees de 2 agrave 3 Mt de cendres volantes su r une production total e d e

43 M t son t utiliseacutee s dan s l a constructio n d e route s soi t u n tau x dutilisatio n globa l dan s c e

secteur dactiviteacute d e 8

On enregistre actuellemen t 7 Mt en Australie 70 8 M t (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003 ) au x

Eacutetats Unis de s centaine s de s meacutegatonne s e n Chin e e t 10 0 M t dan s de s deacutecharge s e n Inde s

(Kumar et al 2005) Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestre r jusquagrave 2 6 kg de CO2

(Montes-Hemandez ea 2009)

Il exist e deu x type s d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s industriel s alcalin s l a

carbonatation direct e e t la carbonatation indirect e des oxydes meacutetalliques

A) L a carbonatation direct e

Ce proceacuted eacute perme t dinjecte r d u CO 2 gazeu x directemen t su r de s reacutesidu s alcalin s agrave leacuteta t

solides L e CO2 reacuteagit ave c le s oxydes meacutetalliques d e CaO e t MgO et formes de s carbonate s

stables selon les eacutequations suivante s (Lackner et al 1995)

CaO + CO2 -^ CaC0 3 + 17 9 kJmole

MgO + CO2 -gt MgC0 3 + 11 8 kJmole

(17)

(18)

Pour c e typ e d e seacutequestratio n le s quantiteacute s d e Ca O e t d e Mg O neacutecessaire s pou r lie r l e CO2

produit par la combustion dun e tonn e de carbone son t respectivement d e 47 et 34 tonnes

29

B) Carbonatatio n de s oxydes meacutetalliques en milieux aqueu x acide s

La seacutequestratio n indirect e d u CO2 soit l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s

alcalins e n milieu x aqueu x basiques es t l a meacutethod e l a plu s eacutetudieacutee Mecircm e s i leacutetud e de s

meacutecanismes qu i reacutegissen t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s n e fai t pa s parti e de s

objectifs d e ce meacutemoire i l importe de deacutecrire briegravevement le s principaux meacutecanisme s afi n d e

mieux comprendr e c e processus Dun e faccedilo n plu s deacutetailleacutee l a carbonatatio n s e deacuteroule e n

cinq eacutetapes 1) La diffusion d u Ca sur la surface de s particules de l a scorie 2) l a dissolutio n

du C a dan s l a solution 3 ) l a dissolufio n d u CO2 4 ) l a conversio n d u CO 2 dissou t e n ion s

bicarbonate e t 5) la preacutecipitation du CaC03 (Huijgen et al 2005)

Le CO 2 reacuteagi t ave c d e lea u e t form e d e lacid e carboniqu e (H2CO3 ) selo n le s eacutequation s

suivantes (lizuka et al 2004 )

CO2 + H2O ^ H2CO 3 (19 )

H2CO3 ^ H ^ + HCO3 (110 )

H C 0 3 ^ H ^ + C03^ (111 )

Le CaO peut eacutegalemen t reacuteagi r avec lea u pou r produire des cations calcium selo n l a reacuteaction

suivante (Huijgen e t Comans 2003)

CaO + H2O ^ Ca^ ^ + 2 OH (111 )

Tous le s produit s de s reacuteaction s 1 9 agrave 11 2 peuven t reacuteagi r ave c l e CO 2 pou r forme r de s

carbonates L a reacuteactio n entr e ce s oxydes l e CO 2 e t lea u a pou r reacutesulta t l a formatio n de s

monocarbonates e t bicarbonates (Bonenfan t et al1006 Soon g et al 2006)

Hujgen et al (2006 ) on t deacutetermin eacute le s meacutecanisme s reacuteacfionnel s d e Ca-carbonatatio n

(modegravele geacuteothermique ) comm e sui t

Ca(0H)2 + CO 2 - ^ CaC0 3 + H2 O (113 ) portlandite calcit e

30

Ca6(Al)2(OH)2(S04)326 H2O + 6H2O -gt 6CaC03 + 2A1^^ +3S04^- + 32H2O (114 ) ettringite calcit e

Ca-silicate (CSH) + CO2 CaC0 3 (calcite) +Si02 (partiel ) (L15 )

Reacuteactions 1 9 agrave 11 1 repreacutesenten t l a dissociatio n d e l a dissolutio n CO 2 dan s leau le s

reacuteactions d e 11 2 et 11 3 repreacutesentent lextracfio n de s ions calciu m de s reacutesidu s alcalins Le s

reacuteactions 11 4 e t 11 5 repreacutesentent l a preacutecipitation d u carbonate d e calcium

Le meacutecanisme reacuteactionne l d u CO2 avec le MgO en milieu aqueux es t semblable agrave celui de

CaO (Femacircndezera 1999)

C02(g) + H20(l) ^ C02(aq ) (L16 )

MgO(s) + H20(l) - Mg(0H)2(s ) (117 )

C02(aq)--C02(i) (118 )

CO2 + Mg(0H)2(s) + (n-1 ) H20(aq) ^ MgC0 3 nH20(s) (119 )

MgC03 nH20(s) + CO2 ^ Mg^ ^ (i)+ 2 HCO^Xi) + (n-1) H2O (120 )

Mg^^i) + 2 HC03- (i) -^ M g q ) + 2 HCO^(aq) (1-21 )

ougrave le C02(i) le Mg^(i) et le HCO(i) son t les produits formeacutes eto u adsorbeacutes agrave linterface

La reacuteaction 12 0 ougrave l e carbonate d e magneacutesium form eacute agrave la surfac e de s particules reacuteagi t ave c

le CO2 pour forme r d u bicarbonate d e magneacutesium repreacutesent e leacutetap e l a plus importante d e ce

meacutecanisme

Toutefois lorsqu e l a concentration d e Mg O e n solutio n excegraved e 05 5 gL l a preacutecipitation d u

carbonate de magneacutesium peu t devenir l a reacuteaction dominante (Evan s et St-Clair 1949)

Les reacuteaction s 1 9 agrave 12 1 deacutemontren t qu e c e processu s s e produi t spontaneacutement san s

neacutecessiter de la chaleur

31

Dun poin t d e vu e thermodynamique l e maximu m d e conversio n d e calciu m conten u dan s

les reacutesidu s alcalin s deacutepen d d e deu x facteurs l a solubilit eacute de s ion s d u calciu m dan s l e

processus dextractio n e t d e l a solubilit eacute de s ion s calciu m dan s l a preacutecipitation L e produi t

net d e l a productio n d e CaC03 deacutepen d d e l a diffeacuterenc e d e solubilit eacute entr e l e processu s

dextraction e t celui de la preacutecipitation (lizuk a et al 2004)

132 Leffe t de s variables sur la carbonatatio n

Plusieurs variable s affecten t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s e t sous -

produits alcalins Nombreux chercheur s ont eacutetudieacute leffe t de s variable s su r l e processus de la

carbonatation (Stolarof f e al 2003 Druckenmille r e t Maroto-Valera 2005 Maroto-Valer a

et al 2005 Stolarof f e r al 2003 Hujge n et al 2003-2006 Bonenfan t 2008) Leffe t de s

variables su r l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s basique s e n solutio n peu t ecirctr e seacutepar eacute

en deux cateacutegories

Variables affectan t l a solubiliteacute du C02dans lea u

Le pH la tempeacuterature e t la saliniteacute de leau ains i que la pression partielle du CO2 ont un effe t

direct su r l a solubiliteacute du CO2 dans leau Plu s le pH est basique plus l a solubiliteacute du CO2 est

eacuteleveacutee L a solubilit eacute d u CO 2 se fai t selo n l a lo i dHenr y pou r de s pression s supeacuterieure s agrave 5

atm (Vas Bhat 2000)

[C02]aq=KHpC02= 0032 pC02 (122 )

KH es t l e coefficien t d e solubilit eacute o u constant e dHem y d u CO 2 qu i es t deacutependant e d e l a

tempeacuterature e t de la saliniteacute et pC02 est la pression partielle du CO2

32

Lapproche d e Setcheno w qu i illustr e linfluenc e de s sel s su r l a solubilit eacute d u CO 2 peu t

sappliquer agrave diffeacuterents sel s mineacuterales comme sui t

X = xO exp(-Acirc) (123 )

ougrave X e t xO sont le s fracfions molaire s d u gaz acide dans lea u pur e e t dans l a solution saline

K es t la constante de Setchenow e t I est la force ioniqu e du sel

Variables affectan t directemen t l a carbonatation de s oxydes meacutetallique s basique s en solution

La granulomeacutetri e de s particules l a concentratio n (rati o solideliquide ) doxyd e meacutetalliqu e

dans l a solution l e temps la tempeacuterature d e reacuteaction l a pression partiell e e t le deacutebit du CO2

ainsi qu e l a vitesse d e brassag e d e l a solutio n son t le s variables qu i influencen t directemen t

la carbonatation de s oxydes meacutetalliques basiques en solution

Il fau t note r qu e l a vitess e d e brassag e nes t pa s influenceacute e e t ninfluenc e pa s le s autre s

variables lors le processus de carbonatation

Granulomeacutetrie de s particule s

La granulomeacutetri e de s particule s joue u n rocircl e tregrave s importan t su r l a carbonatatio n de s oxyde s

meacutetalliques Le s eacutetude s d e Hujge n et al (2006) Bonenfan t et al (2008) Baciocch i et al

(2009) on t deacutemontreacute s qu e le s quantiteacutes de s carbonate s e t des silicate s d e magneacutesium eacutetaien t

plus eacuteleveacute s agrave de s granulomeacutetrie s d e scorie s e t d e wallastonit e lt 38pm L a conversio n d u

CaO d e scorie s dacieacuterie s e n carbonate s pass e d e 2 4 agrave 74 lorsqu e l a granulomeacutetri e de s

particules diminu e d e lt 2 mm agrave lt 38 pm Reacuteduire la granulomeacutetrie pa r deux peu t augmente r

la conversion d e 32 agrave 62 (Hujgen 2005)

Vitesse de brassage

La conversio n d e CO 2 e n carbonate s nes t pa s influenceacute e pa r l a vitess e d e brassag e gt 50 0

rpm (Hujge n et al 2006 ) mais peu t empecircche r l a preacutecipitatio n d u Mg O (Femacircnde z et al

1999) E n revanche baisse r l a vitess e d e brassag e d e 50 0 agrave 10 0 rp m reacutesult e e n un e

diminution marqueacute e de la conversion de CO2 en carbonates (Hujge n et al 2006)

33

Ratio solideliquide (LS )

Plus l a solution es t dilueacutee plus l a conversion d u CO2 en carbonates es t eacuteleveacutee (Hujgen et al

2006 Bonenfan t et al 2008) Autremen t dh plu s l e rafi o L S es t eacutelev eacute plus l e degr eacute d e

carbonatation es t eacuteleveacutee Toutefois leffe t d e c e paramegravetr e su r l a carbonatatio n deacutepen d de s

autres paramegravetre s tel s qu e l a tempeacuteratur e e t l a pressio n d e lexpeacuterimentatio n (Baciocch i et

al 2009)

La tempeacuterature e t la pression du CO

Ces deu x variable s son t tregrave s lieacutee s lun e agrave lautre L a tempeacuteratur e peu t avoi r de s effet s

contradictoires su r l a carbonatation Agrave haute tempeacuterature l a lixiviatio n d u C a d e l a matric e

peut ecirctr e tregraves rapide mais l a solubiliteacute d u CO2 dans l a solution peu t diminue r (Hujge n et al

2005) Agrave un e pressio n d e 2 0 bar s d e CO 2 l a carbonatafio n augment e s i l a tempeacuteratur e n e

deacutepasse pa s le s 15O C e t attein t so n maximu m agrave 200C L a conversio n diminu e abruptemen t

au-dessus d e 200C C e reacutesulta t es t d ucirc au x effet s contradictoire s d e l a tempeacuteratur e

laugmentation d e l a tempeacuterature augment e l a vitesse de reacuteaction e t l e transfert d e masse de s

ions d e calciu m (lixiviation ) mais d e lautr e coteacute ell e provoqu e l a baiss e de s ion s

bicarbonate dan s lea u (Montes-Hemande z et al 2009) L a formatio n de s carbonate s es t

plus eacuteleveacutee aux basses pressions et agrave de hautes tempeacuteratures (Och s et al 1998)

133 Cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2

La cineacutetique dadsorptio n d u CO 2 deacutepend comm e o n vien t d e voir d e plusieur s paramegravetres

La vitesse d e reacuteaction deacutepen d grandemen t d e la tempeacuterature e t de l a pression (Huijge n et al

2006) Alor s qu e l a premiegraver e eacutetap e es t rapid e e t caracteacuteriseacute e pa r la formatio n d e CaCO j e n

quantiteacute relativement importante l a seconde eacutetape est plus lente (Gmpta e t Fan 2002)

En effet l e CaC0 3 form eacute preacutealablemen t dan s l a premiegraver e eacutetape constitu e un e barriegraver e qu i

gecircne la reacuteactio n d u Ca O disponibl e ave c l e CO 2 D e c e fait ladsorptio n d u CO 2 se trouv e

limiteacutee

34

Par conseacutequent l e pheacutenomegravene d e diffusion de s composants chimique s agrave travers l a couche d e

CaC03 form eacute constitu e u n paramegravetr e cl eacute qu i gouvern e l a cineacutetiqu e d e l a second e eacutetape L e

processus de lixiviation influenc e don c le degreacute de carbonatation L e transfert d e masse dans

les pores d u solid e es t difficil e agrave eacutevaluer selo n Ochsenkuhn-Petroloulo u et al (2002) car i l

est impossibl e d e deacutefini r l a form e de s canau x empmnteacute s pa r l a mafiegravere O n peu t toutefois

selon ce s auteurs obteni r un e esfimatio n approximativ e d u transfer t de s particule s dan s l a

solution agrave laide d e leacutequation suivant e

Dnidt=kA(Cs-c)b (124 )

ou

A est Faire de linterface solide-liquid e

b est leacutepaisseur d u film entourant le s particules

c est la concentration (mv ) du soluteacute

t est le temps

Cs est la concentration d e la solution satureacutee en contacte avec les particules

m est l a masse des particules transfeacutereacutees dan s le temps t

k es t le coefficient d e diffusion

Lair d e linterfac e solide-liquid e es t proportionne l au x nombre s de s particule s solide s dan s

la solution e t l e ratio L S es t l a fraction d e lair e speacutecifiqu e de s particule s d u reacutesid u alcali n

qui participent dan s l e processus de lixiviafion (Ochsenkuhn-Petroloulo u et al 2002) Ainsi

la taille de s pore s d e Ca O e t leu r distributio n deviennen t de s facteur s important s quan t agrave l a

conversion d e Ca O e n CaC03 A ce propos des performance s d e conversio n d e 7 0 e t 8 2

ont eacutet eacute reacutealiseacutees pa r Bhati a an d Perlmutte r (1983 ) e t Mess et al (1999 ) respecfivement pou r

des granulomeacutetries de 81-173pm et 15-2 0 pm

35

Pour exprime r d e faccedilo n apparent e l a cineacutetiqu e d e cett e conversio n d e Ca O e n CaC03 u n

modegravele matheacutematique a eacuteteacute proposeacute par Lee (2004)

X = k b t(b+t) e t dXdt - k (1-XXu)^ (125 )

ougrave X e t X u son t l a conversio n e t l a conversio n ultim e d e CaO k es t un e constant e d e l a

vitesse de cineacutetique b est le temp s neacutecessaire atteindre Xu2 e t t est l e temps

Pour deacutecrir e l a vhess e d e conversio n d e Mg O e n MgC03 u n modegravel e matheacutematiqu e a eacutet eacute

proposeacute par Femacircndez et al (1999 )

kt= l-(l-XMgO)^ ^ (126 )

ougrave XMgO repreacutesente l a conversion d e MgO k est une constante de la vitesse d e cineacutetique

t est le temps

Lors de ces reacuteactions l e CO2 sattache chimiquemen t agrave l a surface de s oxydes meacutetalliques d e

MgO CaO Ti0 2 pou r forme r de s unidentate s dan s l e ca s d e Ca O (Aurou x e t Gervasini

1990) e t d e unidentates (u n seu l atom e es t donneur deacutelectrons ) e t bidentate s (deu x atome s

sont des donneurs deacutelectrons) dan s le cas de MgO et de Ti02 (Udovic e t Dumestic 1984)

Laluminium es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quanfiteacute s dan s le s solution s de s boue s rouges

mais i l form e beaucou p moin s d e carbonate s compareacute s au x Ca O e t MgO Coolin g et al

(2002) ont deacutemontr eacute qu e l a soude caustiqu e e t l e TCA-6 ( 3 Ca(0H)2 2 A1(0H)3) adsorben t

respectivement 29 0 e t 469 du CO2 adsorbeacute par le s boues rouges L e Si02 ne forment pa s

de carbonates mecircm e si l adsorb e un e bonne quantit eacute d e CO 2 (Ueno e t Bennet t 1978 Bal et

al 2001) E n revanche le s bicarbonates s e formen t suit e agrave ladsorption d u CO 2 sur les site s

acides fort s de s oxyde s selo n u n meacutecanism e d u typ e Langmuir-Hinshellwood Ce s

meacutecanismes impliquen t lisotherm e d e Langmuir (cas I et III)

36

Cette isotherm e peu t ecirctr e deacutecrite en termes de taux d e reacuteaction agrave la surface d e ladsorban t O

(Erzeng 2006)

0 = nombre de sites dadsorption occupeacute s (L27 ) nombre de sites dadsorpfion disponible s

O = 0 ~ l

Ce meacutecanism e (Langmuir-Hinshellwood ) sappliqu e dan s l e ca s d e ladsorpfio n d e deu x

reacuteactifs su r une surface san s dissociation

A(g) + B(g) ^ A(ads ) + B(ads) -^ Produi t (128 )

La vitesse de cette reacuteaction est donneacutee par

ri = k [A] [B] = k copyAO B (129 )

Lisotherme d e Langmuir sapplique comm e sui t

copyA = BOAPA +BOAPA+BOBPB (130 )

copyB=BOBPB1+BOAP)+BOBP5 (131 )

ougrave B est le coefficient dadsorptio n ( A et B) et PA et PB le s pressions partielles de A et B

La vitesse deacuteriveacutee de lisotherme d e Langmuir cas III sillustr e comm e sui t

r = kBoABoB^sl +BOAPA + BOBPB (132 )

De no s jours aucun e eacutetud e n a eacutelucid eacute complegravetemen t le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t

ladsorption d u CO 2 en milieu x aqueu x de s oxyde s meacutetallique s basique s preacutesent s dan s le s

scories dacieacuterie s (Bonenfant 2008) U n nombr e importan t d e variable s peu t ralenti r o u

acceacuteleacuterer l a vitesse de la reacuteaction de ladsorption d u CO2

37

Plusieurs meacutethode s on t eacutet eacute examineacutee s jusqu agrave preacutesen t pa r le s chercheur s y compri s

laugmentation d e la surfac e de s particule s d e roch e pa r pulveacuterisation lutilisatio n d e

catalyseurs d e reacuteactio n tel s qu e lacid e chlorhydrique lacid e aceacutetiqu e o u hydroxyd e d e

lithium de s solution s tampon s telle s qu e bicarbonat e d e sodiu m e t l e carbonat e d e fe r

(Krevor e t Lackner 2009 ) e t des tempeacuteratures e t de s pressions eacuteleveacutee s o ugrave l e CO2 est en eacuteta t

supercritique (lizuk a et al 2004) Prigiobb e et al (2009 ) on t remarqu eacute qu e le s sel s

inorganiques tels que NaCl NaHCOs et KHCO3 ont ameacutelioreacute l a carbonatafion de s silicates

Ils ont concl u qu e l a variation d u pH peu t influence r l a dissolution d u CO 2 dans l a solufion

En revanche l a variafio n de s tau x d e HCl d e LiO H o u d e l a salinit eacute a produi t u n

changement dan s l a valeu r d u p H c e qu i agrave so n tou r condui t agrave un changemen t d u tau x d e l a

dissolution d u CO 2 mais i l n y avai t pa s d e preuve s du n effe t direc t e t indeacutependan t d e ce s

paramegravetres su r le taux de dissolution d u CO2

La variatio n d e p H n a pa s l a mecircm e influenc e su r toute s le s matrice s alcalines Lolivin e

semble decirctre l e mineacuteral alcali n l e plus influenceacute pa r l a variation d u pH s i on parle en termes

de dissolutio n d u CO2 I l n y a pa s deffe t dinhibitio n su r l a dissolutio n d u CO 2 agrave u n p H

supeacuterieur agrave 5 Ce constat es t important car agrave ces valeurs de pH e t agrave des tempeacuteratures d e 25 agrave

150 C le s preacutecipitations d e carbonates son t les plus eacuteleveacutees (Prigiobbe et al 2009) Lorsque

le pH de ce systegraveme es t presque neutre la dissolution d u CO2 est lente e t donc la dissolutio n

des mineacuteraux dans ces conditions es t moindre (Krevor e t Lackner 2009)

Liu et al (2005 ) ont deacutevelopp eacute un e meacutethode biomeacutetrique dan s laquell e lenzym e anhydras e

carbonique jou e l e rocircl e d e catalyseu r biologique Le s reacutesultat s obtenu s on t deacutemontr eacute qu e

lenzyme a acceacuteleacutereacute l a carbonatation de s oxydes meacutetalliques dans le milieu aqueux

En conclusion plusieur s paramegravetre s influence s l a cineacutefiqu e dadsorptio n d u CO 2 e t l a

formation de s carbonates C e son t donc laugmentatio n d e l a tempeacuterature d u rappor t LS

du temps de reacuteaction e t de l a pression partiell e d u CO2 les principaux facteur s qu i favorisen t

la conversion d u Ca en carbonates

38

134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s

Les boues rouge s des aluminerie s

La production de s boues rouges en 2006 sest chiffreacutee agrave 90 millions de tonnes dans le monde

dont troi s million s d e tonnes au Canada e t on preacutevoit un e augmentatio n d e production d e 6 0

par deacutecennie (Kumar et al 2006)

Le stockag e de s boue s rouge s repreacutesent e no n seulemen t u n problegravem e eacuteconomique agrave caus e

des coucirct s d e preacuteparatio n e t d e maintenanc e de s sites mai s auss i u n problegravem e

environnemental d ucirc agrave leur nature caustique

Les boues rouges son t ufiliseacutees dan s les domaines de (Sglavo et al 2000 Gupta et al 2001

Brunori et al 2005 Li et al 2006 )

constmction de s routes agrave cause de leur soliditeacute et de leur durabiliteacute

production d u ciment agrave cause de leur reacutesistance au gel et leur bas prix

fertilisation de s sols gracircce agrave leur teneur eacuteleveacutee en potassium e t en phosphate

extraction des oxydes de fer de scandium de plomb et de titan

fabrication d e ceacuteramique

neutralisation de s eaux des mines et des sites contamineacutes

Les scories des acieacuterie s

Lutilisation de s scorie s dans l e but de seacutequestrer l e CO2 est important e s i on considegravere qui l

se produi t actuellemen t 1 4 million s d e tonne s a u Canada 2 1 million s d e tonne s au x Eacutetat s

Unis e t 35 0 million s d e tonnes de scorie s dans l e monde (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e

tonne dacie r produit 02 8 agrave 1 tonne CO 2 son t eacutemi s dan s latmosphegravere Le s scorie s son t

utiliseacutees dan s plusieurs domaine s de leacuteconomie Le s principales ufilisation s de s scories son t

dans l e domain e d e l a constructio n (bitume ) e t comm e mateacuteriau x d e rembla i (Kharoune

2006) Des technique s reacutecente s permetten t l a reacutecupeacuteratio n d u phosphor e de s eau x useacutee s

(Soulard 2001)

39

Les scorie s d e typ e F P (Fou r Poche ) son t certifi eacute pou r u n usag e comm e amendemen t

calcique de s sol s (Procto r et al 2000) Dautre s utilisation s connue s de s scorie s son t dan s

les domaine s d e neutralisatio n de s eau x d e drainag e de s mines contr e leacuterosio n de s sols

comme mateacuterie l d e drainag e e t dadsorptio n de s meacutetau x lourds Mecircm e s i plusieur s

utilisations de s scorie s son t reacutepertorieacutees actuellemen t plusieur s dizaine s d e million s d e

tonnes de scories se trouvent accumuleacutee s su r des terrains partout dans l e monde

Les poussiegraveres de four des cimenteries (CKD )

La production mondial e de s CKD seacutelegravev e agrave 30 millions d e tonnes (Konsta-Gdouto s e t Shah

2003) Un e tregrave s faibl e proportio n (1 5 ) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x

dans le s industrie s agricole s e t d e l a construction Un e bonn e parti e (jusqu agrave 6 7 ) es t

reacuteutiliseacutee dan s le s fours d e production d u ciment e t le reste des CKD s e retrouvent e n pile ou

dans de s eacutetangs agrave proximiteacute de s usines On esfime agrave quatre million s d e tonnes d e poussiegravere s

accumuleacutees en Ameacuterique du Nord (Van Hoss et Padovani 2003)

Gracircce agrave leu r teneu r eacuteleveacute e e n calciu m e t potassiu m le s CK D son t tregrave s utiliseacutee s dan s l a

fertilisation de s sol s e t l a stabilisafio n de s eau x useacutee s e t de s boue s de s station s deacutepuration

Les CK D son t eacutegalemen t ufiliseacutee s avec succegrave s comm e remplissan t bitumineu x dan s l e

pavage e t l a toitur e dasphalte E n outre le s CK D e t le s cendre s volante s carbonate s

(utiliseacutees pour la seacutequestration du CO2) sont riches en carbonate d e calcium (CaC03 ) et de ce

fait elle s peuven t ecirctr e reacuteutiliseacutee s comm e mafiegravere s premiegravere s dan s l a fabricatio n d u ciment

Dans c e cas l e processu s d e carbonatatio n peu t ecirctr e consideacuter eacute comm e u n processu s d e

recyclage du ciment (lizuka et al 2004)

Les cendres volantes de s cimenterie s

Aux Eacutetat s Unies 708 millions de tonnes de cendres volante s d e tout genr e ont eacuteteacute produite s

en 2004 Preacutes de 40 de ces reacutesidus son t utiliseacutes comme additi f de ciment (Biemack i et al

2007) dan s de s bloc s d e maccedilonnerie comm e mateacuterie l e n alliage s leacutegers comm e matiegravere s

dagreacutegation fluides dan s l a chausseacuteeconstruction d e piste et comm e granule s de toiture

40

La plu s grand e applicafio n de s cendre s volante s es t dan s l e ciment bie n que d e nouvelle s

ufilisations creacuteatrice s pou r le s cendre s volante s soien t activemen t chercheacutee s (Konsta -

Gdoutos et Shah 2003 Kim 2004)

Pour l a peacuteriod e 200 3 agrave 2005 les centrales alimenteacutee s a u charbo n a u Canad a on t produi t e n

moyenne 45 2 M t de cendres volante s pa r anneacutee (Panagapko 2005) Dans lensemble 2 8

des cendre s volante s ont eacutet eacute reacuteutiliseacutes L e gyps e syntheacutetiqu e entr e dan s l a fabricatio n d e

panneaux d e placoplacirctre e t est utiliseacute agrave titre dadditif agrave ciment (Panagapko 2005) En Inde la

production d e cendre s volante s es t supeacuterieur e agrave 11 0 millions d e tonne s pa r a n e t seulemen t

20-25 de ces reacutesidus sont utiliseacutes agrave la fabrication d u ciment (Kumar et al 2005)

Reacutecemment Soon g et al (2006 ) on t propos eacute lutilisatio n de s cendre s volante s e t de s

solutions d e saumur e afi n d e seacutequestre r l e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuterale E n Europ e e t

selon le s anneacutees de 2 agrave 3 millions d e tonnes d e cendres volantes su r un e productio n total e

de 43 millions son t utiliseacutees en constructions d e routes soi t un taux dutilisatio n globa l dan s

ce secteur dactiviteacute d e 8

CHAPITRE 2

MATEacuteRIEL E T MEacuteTHODE S

Ce chapitr e preacutesent e l a meacutethodologie suivi e e t le s critegravere s d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacute s

lors d u projet boue s rouge s de s alumineries scorie s de s acieacuteries poussiegravere s d e fou r e t le s

cendres volantes des cimenteries

21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacute s

Des critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n on t eacutet eacute appliqueacute s pou r chacu n de s mateacuteriau x

cibleacutes Pa r critegravere s d e preacuteseacutelection o n sous-enten d tout e proprieacutet eacute physiqu e d e reacutesidu s

susceptible agrave preacutesente r de s danger s pou r l a sant eacute humain e telle s qu e de s odeur s

nauseacuteabondes deacutegagemen t d e ga z toxiques etc Le s reacutesidu s industriel s demandan t de s

proceacutedeacutes suppleacutementaire s afi n d e le s rendre non-toxique s o u ufilisable s avan t d e le s ufilise r

au laboratoir e on t eacutet eacute eacutecarteacute s d e l a preacutesent e eacutetude L a teneu r e n oxyde s meacutetallique s (CaO

MgO Si2 0 etc) l a teneu r e n meacutetau x lourd s (lixiviation) l e pH l a conductiviteacute l a

granulomeacutetrie son t le s principau x critegravere s d e seacutelectio n de s reacutesidus Huit reacutesidu s e t sous -

produits alcalin s ont eacuteteacute choisis pour reacutealiser leacutetud e su r l a seacutequestration d u CO2 deux type s

de boue s rouge s (humide s e t segraveches) trois types d e scorie s (FAEacute HF FP ) e t deu x type s d e

reacutesidus des cimenteries (poussiegraveres de four cendre s volantes)

211 Le s boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouges on t eacuteteacute foumies pa r Alcan Inc (Vaudreuil Queacutebec Canada) stockeacutee s dan s

des conteneur s hermeacutetiquemen t fermeacute s agrave 2 2 C L a couleu r roug e (Figur e 21 ) es t du e agrave l a

forte teneu r e n fe r e t so n p H eacutelev eacute es t l a conseacutequenc e d u traitemen t d e l a bauxit e agrave

lhydroxyde d e sodium (NaOH)

42

Boues rouge s humides

Boues rouge s segraveches

Figure 21 Photos des boues rouges humides et segraveches

Les boues rouges ont une granulomeacutetrie tregraves fine comprise entre 01 agrave 1000 pm une surface speacutecifique d e 1 0 agrave 4 0 m g e t un e mass e volum e trique qu i vari e d e 3 0 agrave 3 5 gcm ^ (Bonenfant et al 2006) Les boues rouges humides ont une sicciteacute de 50

Tableau 21 La composition chimique moyenne des boue s rouges Tireacute de Bonenfant (2006)

Composition en masse

Boues rouges

humides Boues rouges segraveches

AI2O3

193

19

CaO

58

77

FczOj

352

335

MgO

07

08

Na20

143

8

S1O2

53

96

43

Les oxydes preacutesenteacute s au tableau 21 font parti e des principales phases ( Hind et al 1999 Coolmg et al 2002 Cabeza et al 2003 ) comm e la portlandite (Ca (0H)2) le carbonate de sodium (Na2C03) le naal (0H)4 Na6[AlSi04]6 la cristalline dheacutematite (Fe203) la goethite (a-FeOOH) la gibbsite (Al (0H)3) la boehmite (y-AlOOH) la sodalite (Na4Al3Si30i2Cl) la anastase (Ti02) la mtile (Ti02) la katoite (Ca3Al2Si04(OH)i2) le gypse (CaS04 2H2O) et le quartz (Si02)

212 Le s scories des acieacuteries

Les scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c eacutelectrique) H F (hau t foumeau ) e t F P (fou r Poche ) on t eacutet eacute

foumies par la compagnie Mittal Canada Inc (Contrecoetu Queacutebec Canada)

Dans les usines inteacutegreacutees toutes situeacutees en Ontario des hauts fourneaux (voi r le scheacutema de production d e lacier Annex e II ) produisen t d u fe r primair e agrave parti r d e matiegravere s bmte s comme du minerai d e fer d u charbon e t de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006) Les scories sont inodore s e t ont une granulomeacutetrie fm e d e 0 agrave 5mm mais elles son t commercialiseacutee s aussi agrave une granulomeacutetrie de 5 agrave 14 mm (voir figure 22)

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP

Sont les pH eacuteleveacutes (12 agrave 13) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxydes meacutetalhques (Huijgen et al 2005) Les raisons principales de lutilisation des scories comme substrat de seacutequestration du

CO2

44

Les scorie s FO P et FP sont plus riches en calcium qu e cell e FAEacute tandis qu e le s scorie s F P

sont plu s riche s o n oxyd e daluminium Le s teneur s e n meacutetau x lourd s son t faible s pou r le s

trois types d e scorie s eacutetudieacutees Les scories d e type FO P et FA Eacute son t diffeacuterente s de s scorie s

HF (Figur e 22) Elle s son t plu s leacutegegravere s e t plu s riches e n fe r (Bonenfan t et al 2006) Le s

scories H F ayan t un e mass e volumiqu e d e 200 0 kgm ^ sont le s plu s leacutegegraveres tandi s qu e le s

scories FOP et FAEacute ont une masse volumique de 3000 kgm

Plusieurs phase s mineacuteralogique s composen t le s scorie s don t le s principale s son t l a

portlandite (Ca(0H)2 ) qu i es t geacuteneacuteralement l a phase dominante l a calcite l a magneacutesite le s

silicates e t diver s oxyde s tel s qu e de s oxyde s d e calcium d e magneacutesium d e fer d e

manganegravese e t de silicium (voi r tableau 14)Selo n Huijgen et al (2005) les conditions dan s

lesquelles le s scorie s son t geacuteneacutereacutee s deacuteterminen t le s proportion s d e ce s phase s dan s le s

scories (Huijgen et al 2005)

213 Le s poussiegraveres de four des cimenteries

Les poussiegravere s d e fou r on t eacutet eacute fourni e pa r le s cimenterie s St-Lauren t Inc (Longueuil

Queacutebec Canada) et Ciment Queacutebec Inc (St-Basil Queacutebec Canada)

Les poussiegraveres de four de cimenterie (voir figure 23) connues aussi sous le nom de laquocernen t

kiln dustraquo (CKD) sont des reacutesidus industriel s reacutecupeacutereacutes pa r les filtres eacutelectrostatiques (Doy e

et Duchesne 2003 ) lor s d e l a fabricatio n d u clinke r (voi r l e scheacutem a d e l a fabricatio n d u

ciment Annexe III) Les CKD ont une granulomeacutetri e tregrave s fine variant de 01 agrave 10 0 pm une

surface speacutecifiqu e d e 46 agrave 14 0 m g Les CKD ont une masse volumique de 480 kgm mai s

compacteacutees leur masse volumique peut atteindre 135 0 agrave 150 0 kgm^ (The Feacutedeacutera l Highway

Administration 2006) L a compositio n chimiqu e moyenn e de s CK D es t repreacutesenteacute e a u

tableau 15

45

Figure 23 Photo des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD)

Tireacute de Doye et Duchesne (2003)

Les CKD hbegraveren t tregrave s rapidemen t d e fortes concentration s e n potassium e n sulfat e e t en alcaliniteacute (Doye et Duchesne 2003) La quantiteacute doxyde de CKD deacutepend du type de four la source des matiegraveres du type de carburant utiliseacute et la maniegravere dont les CKD ont eacuteteacute reacutecupeacutereacute par le systegraveme

Lanalyse mineacuteralogiqu e de s CKD montre quelles sont composeacutees de calcite (CaC03) de dolomie (CaMg(C03)2 d u quart z (Si02) l e portlandit e (Ca(0H)2 de s sel s darkanit e (K2SO4) d e gyps e (CaS04) d e sylvit e (KCl) dhalit e (NaCl ) e t dettrengit e (Ca6(Al)2(OH)i 2(804)326 H2O + 6 H2O)

214 Le s cendres volantes

Les cendres volante s (voi r figure 24) on t eacutet eacute fournie s pa r le s cimenteries St-Lauren t Inc (Longueuil Queacutebec Canada)

46

Figure 24 Phot o des cendres volantes

Les particule s d e cendre s volante s son t l a plupar t d u temp s spheacuterique s avec un e surfac e

speacutecifique d e 25 0 agrave 60 0 m kg Les cendre s volante s d e class e C on t u n p H d e 1 2 e t un e

masse volumiqu e d e 234 0 kgm ^ (Biemack i et al 2007) L a compositio n chimiqu e de s

cendres volantes es t deacutecrite au tableau 16

Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestrer jusquagrave 2 6 kg de CO2 (Montes-Hemandez

2009)

En geacuteneacuteral le s phase s mineacuterale s preacutesentes (Biemack i et al 2007 ) dan s cendre s volante s

sont l e quartz (Si02) l a mullite (3AI2O 3 JE 2Si02) l a plagioclase (Na Ca (Si Al) 40raquo) l a

gehlenite (Ca2A l [AlSiO]) lanhydrit e (CaS04) lheacutematit e (Fe203) Fhalit e (NaCl) l a

sylvinite (KCl) et la calcite (CaC03)

47

22 Meacutethode s expeacuterimentale s

221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacute s

La compositio n chimiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s (scorie s e t boue s rouges ) a eacutet eacute eacutevalueacute e pa r

fluorescence agrave rayon X agrave laid e du n spectromegravetr e Philip s PW2400 Ell e a permis lanalys e

quantitative de s principaux composant s tels que 1 e CaO le FeO et le MgO Ces mesures ont

eacuteteacute reacutealiseacutee s e n triplicat a su r de s eacutechantillon s d e diffeacuterent s lot s de s mateacuteriau x cibleacute s e t

utiliseacutees pour lensemble de s expeacuterimentations

222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductivit eacute

Le p H e t l a conductivit eacute de s meacutelange s lixivieacute s on t eacutet eacute mesureacute s selo n le s meacutethode s

respectives normaliseacutee s 4500-H^- B e t 2510- B (APHA 1989 ) ave c l e pH-megravetr e numeacuteriqu e

PHM 250 ION Analyser ains i que le conductimegravetre numeacuteriqu e CD M Conductivit y Mete r de

la compagni e MaterLab^^ Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute on t eacutet eacute mesureacutee s pou r

chacun des mateacuteriaux cibleacutes avant et apregraves la carbonatation ains i que sur tous les eacutechantillon s

preacutelixivieacutes e t non preacutelixivieacutes filtreacutes e t non-filtreacutes L a filtration a eacuteteacute reacutealiseacute agrave laide d e filtres

Filtropur steacuterile s en aceacutetates de cellulose ayant un diamegravetre de 045 pm

223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin

Lalcaliniteacute de s mateacuteriau x a eacutet eacute mesureacute e agrave laid e d u fitreur automatiqu e TIM86 5 Titrafio n

manager e t d u logicie l Titramaste r 85V130 L e titrag e a eacutet eacute effectu eacute ave c d e lacid e

chlorhydrique (HCl ) 1 N Afi n deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestrafio n de s hui t mateacuteriau x

testeacutes le s reacuteserve s alcaline s de s matrice s on t eacutet eacute mesureacutee s dan s de s eacutechantillon s ayan t de s

granulomeacutetries industrielles Le s eacutechantillons contenaien t 1 0 g de mateacuteriaux cibleacute s e t 20 mL

deau deacuteioniseacute e e t ont eacuteteacute agiteacutes agrave 20degC et 200 rpm et titreacutes par titrage automatique ave c HCl

IN L e bu t d e lactivit eacute eacutetai t deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestratio n de s mateacuteriau x cibleacute s e n

partant de leurs pH naturel jusqu agrave pH 8 3 soi t le pH limite de formafion de s carbonates

48

224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en cuveacutee

Des essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute reacutealiseacute s ave c le s hui t reacutesidu s alcalin s cibleacutes Le s capaciteacute s

dabsorption de s mateacuteriau x choisi s on t eacutet eacute deacutetermineacutee s pa r l e barbotag e d u CO 2 (15 e n

volume CO2N2 ) e n fonctio n d e temp s donneacute s d e reacuteactio n 24 e t 4 8 heures L e choi x d u

meacutelange 1 5 e n volume CO2N 2 a eacutet eacute fai t e n tenan t compt e de s eacutemission s reacuteel s e n CO 2

quune chemin eacute dusine rejett e dan s latmosphegravere ( 8 agrave 1 5 ) Cette opeacuteration a eacuteteacute effectueacute e

dans des Erleinmeyer d e 250 mL qui contenaient 2 0 g de reacutesidu e t 200 mL deau deacuteioniseacute e agrave

20 C avec u n deacutebi t d e 5 mlmin duran t 2 4 e t 4 8 heures sou s un e agitatio n d e 20 0 rpm L e

tableau ci-dessous illustr e le s paramegravetres dexpeacuterimentation

Tableau 22 Paramegravetre s dexpeacuterimentatio n

Paramegravetres Temps

Tempeacuterature Pression

Granulomeacutetrie Volume deau distilleacute e Rapport liquidesolid e

(LS) Vitesse de rotation

Mesures 2448

Constante Atmospheacuterique

Industrielle 200 10

200

Uniteacutes Heures 20degC atm pm mL

kgkg

rpm

Le pH e t l a conductivit eacute ont eacutet eacute mesureacute s selo n le s technique s deacutecrite s preacuteceacutedemment Le s

quantiteacutes d e carbon e absorbeacutee s ont eacutet eacute mesureacutee s agrave laid e danalyseu r DC-85 A TO C d e l a

compagnie Dohrman n Divisio n C o muni dun fou r agrave combustion (800degC) dun flux conten u

doxygegravene e t du n tub e agrave catalyse contenan t d e loxyd e d e cobal t su r alumine Lanalyseu r

est eacutetalonn eacute ave c un e solutio n d e biphtalat e d e potassiu m agrave un e concentratio n e n carbon e

organique d e 200 0 mg-CL Le s concentration s e n carbon e organiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s

lixivieacutees non-lixivieacutees filtreacutees e t non-filtreacutees on t eacutet eacute mesureacutees apregrave s linjectio n d e 20-40 p L

dans le four d u TOC-megravetre

Avant linjectio n dan s l e fou r d u TOC-megravetr e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute agiteacute s ave c u n

baveau magneacutetiqu e agrave environ 50 0 trmin

49

Les concentration s e n carbon e organiqu e d e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute eacutevalueacutee s pa r l a

soustraction de s quantiteacute s d e carbon e mesureacutee s avan t e t apregrave s l a carbonatatio n d e ce s

eacutechantillons

La seacutequestratio n d u CO 2 a eacuteteacute fait e e n bouteille s d e Pyre x d e 25 0 mL Ce s dernier s eacutetaien t

ouverts agrave latmosphegravere L e CO 2 a eacuteteacute inject eacute agrave partir du n meacutelang e d e ga z de reacuteservoir e t l e

deacutebit d e ga z a eacutet eacute controcircl eacute agrave laid e du n deacutebitmegravetr e agrave flotteur e n acie r inoxydabl e d e Cole -

Pamier Instmment Co La reacutepartition uniform e d u gaz dans la boue rouge en milieu aqueux a

eacuteteacute reacutealiseacute e agrave laid e du n diffuseu r poreu x situ eacute agrave linteacuterieu r d e chaqu e fiole coniqu e (voi r

figure 2 5 et photo Annexe VIII) Les eacutechantillons ont eacuteteacute jeteacutes apregraves chaque analyse

Deux types dessais on t eacuteteacute conduits

bull essai s de barbotage preacutelixivieacute s pour lesquels le s eacutechantillons ont eacuteteacute lixivieacutes pendant 24 h

et 48h puis barbotes avec le meacutelange enrich i en CO2 pour une mecircme dureacutee

bull essai s de barbotage non preacutelixivieacutes pour lesquels leacutetape d e lixiviation a eacuteteacute supprimeacutee

Il fau t note r qu e pou r le s deu x temp s dadsorptio n d u CO 2 le s eacutechanfillon s utiliseacute s pou r l a

seacuterie de 24 heures sont diffeacuterents d e ceux utiliseacutes pour la seacuterie de 48 heures

50

Vent to atmosphegravere

Suspension of red mud or leachate

Diffuser mdash

Ecirc3

izzi nz o o o o Shaker

^ H = ^

Flowmeter

Gas mixture reacuteservoir

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee Adopteacute de Bonenfant et al (2008 )

Capaciteacute dadsorption du CO2

La capaciteacute dadsorption (Kco2 ) du C02^ par les reacutesidus alcalins a eacuteteacute deacutetermineacutee en fonction

du rapport liquide solide (LS) agrave la fois pour des essais preacutelixivieacutes et non preacutelixivieacutes

Celle-ci est donneacutee par la formule suivante

^ TOGeacuteiunJ(ppmQ - TOQireacuteppmQ) M(CCh)I MQ KC02 (g COicirclOOg de reacutesidu) = a bull

1000 (21)

ougrave M(C02) et M(C) sont respectivement les masses molaires (gmol) de CO2 et de C

Et a es t un facteur de conversion qui se calcule comme suit

a 100

ms(g) ms( 2)

( ^ ^ +200mL)000mLL) ps(glmL)

ms masse de reacutesidus utiliseacute dans lessai en g

ps masse volumique du reacutesidu alcalin en gcm^

51

225 Meacutethode s e t appareillages analytique s

Le tableau 2 3 reacutesum e le s meacutethodes e t les appareillages utiliseacute s pour le s diffeacuterentes analyse s

qui ont eacuteteacute reacutealiseacutees au cours de la preacutesente eacutetude

Tableau 23 Meacutethodes et appareillages analytique s appliqueacutee s

Type danalyse

pH

Conductiviteacute

Alcaliniteacute

Ca Na K Mg Fe

Carbone organiqu e

Meacutethodes danalys e

4500-H+-B PHM APHA 198 9

2510-B APHA 198 9

2320B APHA 198 9

3500 APHA 198 9

APHA 198 9

Appareillage

pH-megravetre 250 Ion Analyser

(MeterLabiM) Conductimegravetres numeacuteriqu e CDM Conductivity Mete r

(MeterLabiumlM) TIM865 Titration manage r + logiciel Titramaste r 8 5

V130 ICP-AES-IRIS ADVANTAGE

THERMOELECTRIQUE 2000

Analyseur DC-85 A TO C Dohrmann Divisio n Co

Apollo 9000 TOC Combustion Analyze r de

la compagnie Dohrmann Divisio n Co

CHAPITRE 3

RESULTATS ET DISCUSSION S

Les reacutesultat s obtenu s suite s au x essai s reacutealiseacute s seron t preacutesenteacute s e t discuteacute s dan s c e chapitre

Afin d e seacutelectionne r le s troi s reacutesidu s alcalin s ayan t le s meilleur s potentiel s d e seacutequestratio n

du CO2 des essais de seacutequestration d u CO2 de 24 et 48 heures ont eacutet eacute reacutealiseacutes Pour ce faire

les reacutesultats de leacutevolution d u pH de la conductiviteacute du potentie l d e seacutequestration d u CO2 et

du pouvoi r alcali n seron t preacutesenteacutes Enfin le s reacutesultat s de s essai s d e l a cineacutetiqu e d e

ladsorpfion d u CO 2 reacutealiseacute s ave c l e mateacuteria u ayan t deacutemontr eacute l e meilleu r potentie l d e

seacutequestration seron t discuteacutes

31 Evolutio n du pH et de la conductivit eacute

311 Essai s d e 4 8 heures

La figur e 3 1 illustr e l a variation d u pH des huit reacutesidu s apregrave s 48 heures d e seacutequestratio n d e

CO2 L e graphiqu e deacutemontr e clairemen t qu e tou s le s reacutesidu s on t sub i de s baisse s

remarquables d e p H apregrave s 4 8 heure s dadsorptio n d e CO2 Le s p H initiau x (voi r tablea u

31) de s troi s scorie s varien t d e 11 2 agrave 11 9 e t il s on t baisseacute s d e preacute s d e 6 uniteacute s pou r

atteindre l a valeu r d e 7 2 pou r le s scorie s S3 La figur e 3 1 deacutemontr e qui l y a tregraves pe u d e

variation d e p H entr e le s deu x valeur s extrecircme s d u p H conceman t le s deu x type s d e boue s

testeacutees En effet l a variation du pH concemant le s boues rouges humides preacutelixivieacutee s e t non

preacutelixivieacutes ne deacutepasse pas les deux uniteacutes Dans le cas des boues rouges segraveches (preacutelixivieacutes e t

non preacutelixivieacutes) la diffeacuterenc e es t moindr e soi t 1 5 uniteacutes E n revanche l a diminufio n de s

valeurs d u p H pa r rappor t agrave l a valeu r d u p H initia l es t remarquabl e du 12 6 agrave 72 Le s

poussiegraveres d e fours C l e t C2 ont obtenu le s plus fortes baisse s de pH dan s leur s formes non -

filtreacutees Toutefois seulemen t l e C 2 preacutelixivieacutee s e t non-filtr eacute a subi e un e baiss e d e p H

infeacuterieur agrave 70 soi t pregraves de 68 uniteacutes

53

Il fau t souligne r qu e le s diffeacuterence s d e p H entr e le s quatr e eacutechantillon s d e C l son t minime s

soit 0 1 unit eacute contrairemen t agrave celle s d e C 2 qu i son t di x foi s plu s grande s soi t un e uniteacute E n

revanche tous le s eacutechantillons de s cendres volantes F subis des baisse s remarquable s d e pH

variant de 66 agrave 68 uniteacutes

Ces reacutesultat s prouven t qu e l a lixiviation e n geacuteneacuteral jou e u n rocircl e minim e su r l e p H pe u

importe l e reacutesid u utiliseacute Toutefois le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s

meacutetallique tell s qu e Ca Mg Al Fe ^ selon Bonenfan t (2008) Ce son t ce s ions e t leur s

oxydes respectifs qu i assurent le pH et les conductiviteacutes eacuteleveacute s des reacutesidus cibleacutes

Tableau 31 Le s valeurs des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouge s humides (Bl )

Boues rouges segraveche s (B2)

Scories SAE (SI ) Scories FP (S2) Scories HF (S3)

CKD St-Lauren t C l CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

pH

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

115

115

115 116 118 126

-

-

48 heures

126

121

116 118 116 127 125

95

Non-filtreacute 24

heures 117

116

119 116 119 130

-

-

48 heures

126

121

119 119 117 127 127

92

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

121

120

112 114 115 128 125

88

Non-filtreacute -

124

122

115 124 117 128 126

89

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute (figur e 32) s i on compare ce s reacutesultats avec ceux d u

pH on peut constate r qui l exist e un lie u direct entr e leacutevolutio n d u pH e t leacutevolutio n d e la

conductiviteacute plu s le s valeur s d e p H augmentent plu s le s valeur s d e l a conductivit eacute

augmentent aussi Cett e relatio n peu t sexplique r pa r un e teneur plu s eacutelev eacute de s meacutetau x dan s

la solution surtou t dans les solutions de CKD

54

B1 B 2 S I 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

C2

Figure 31 Eacutevolution du pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutees ( bull ) non filtreacutes (o ) lors des essais de 48 heures

Il est coimu quen geacuteneacuteral les ions meacutetalliques en solution tels que Ca Mg Na^ forment

des eacutelectrolyte s beaucou p plu s puissant s qu e ceu x de s non-meacutetau x dougrave le s valeur s plu s

eacuteleveacutees de conductiviteacute des CKD (Cl) Toutefois s i on compare les valeurs de conductiviteacutes

initiales reacutesumeacutees au tableau 32 des scories FAEacute HF et les cendres volantes F on remarque

que contrairemen t au x autre s reacutesidus leur s valeur s d e conductivit eacute apregrave s 4 8 heure s d e

carbonatation ont augmenteacutes Ces reacutesultats corroborent ceux obtenus par Bonenfan t (2008)

Bonenfant expliqu e cet eacutecart par la preacutesence des oxydes amphotegraveres dans la solution tels que

lAl203 qu i diminuen t substanfiellemen t leur s influence s su r l e p H de s mateacuteriau x cibleacute s

comparafivement agrave ceux des oxydes fortement basique s tels que les oxydes de calcium et de

sodium

55

Tableau 3 2 Les valeurs des conductiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories SA E

(SI) Scories FP (S2) Scories HF (S3 ) CKD St-Lauren t

Cl CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

Conductiviteacute e n mS

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

58

43

05

69 11

243

-

-

48 heures

72

44

03

77 18

187

69

18

Non-filtreacute 24

heures 63

47

06

66 15

262

-

-

48 heure s

78

49

07

71 19

251

85

16

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

59

44

06

59 10

208

92

14

Non-filtreacute -

62

45

07

61 14

172

100

14

En revanche l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s daluminiu m dan s le s lixiviat s de s boue s

rouges e t des scorie s FA Eacute es t susceptibl e decirctre en partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees d e

conductiviteacute d e ce s troi s solution s selo n Bonenfan t (2008) I l es t inteacuteressan t d e constate r

encore un e foi s qu e l a preacutelixiviation comm e dan s l e cas d u pH a tregraves pe u dincidenc e su r

leacutevolution d e l a conductiviteacute E n fait i l nexist e aucun e diffeacuterenc e significafiv e d e

conductiviteacute entre le s reacutesidus preacutelixivieacutes et non-preacutelixivieacutes comme le deacutemontre l a figure 32

56

21

co18

bull^12

bullB 9 o ^ 6 O O 3

B1 8 2 81 82 8 3 C 1 C 2

Types de reacutesidus

Figure 32 Eacutevolution de la conductiviteacute des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) no n filtreacutes (bull) etnon-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull) no n filtreacutes (0) lors des essais de 48 heures

312 Essai s de 24 heures

Tel quexpliqu eacute preacuteceacutedemment le s essai s d e seacutequestratio n d u CO 2 d e 2 4 heure s on t eacutet eacute

reacutealiseacutes dans le but de deacutecouvrir sil existai t une diffeacuterence significativ e entr e les deux temps

de seacutequestratio n d u d e CO 2 eacutetudieacutes 24 e t 4 8 heures Pou r c e faire le s reacutesidu s qu i on t

obtenus le s meilleurs reacutesultat s de seacutequestration du CO2 lors des essais de 48 heures ont eacuteteacute

soumis agrave des tests de seacutequestration de 24 heures Ces reacutesidus sont le s boues rouges (humides

et segraveches) les scories (FAEacute FP HF) et les CKD St Laurent

La figure 33 illustre les reacutesultats de leacutevolution du pH apregraves 24 heures de barbotage de CO2

On remarque que les valeurs de pH des Bl B2 SI S3 et Cl son t tregraves semblables Ils varient

de 69 (Cl preacutelixivi eacute filtreacute) agrave 82 imiteacutes (SI non - preacutelixivi eacute filtreacute)

57

12 n

m lU

0

4

2

0

i I -i IM i i [ML 1

i I I Lli 1

m 1 i I m 1

i i i ji I

n 1 i Lli -] B1 8 2 8 1 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

Figure 3 3 Eacutevolutio n d u pH de s si x reacutesidu s preacutelixivieacute s filtreacutes (D) no n filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes (bull) no n filtreacutes (s ) lors des essais de 24 heures

Les scories S2 se deacutemarquent par leurs valeurs de pH eacuteleveacutees soient de 93 (preacutelixivieacute filtreacute)

agrave 100 4 (non-preacutelixivieacute non-filtreacute) Ce s reacutesultat s deacutemontren t qu e le s scorie s S 2 relacircchen t

plus difficilemen t le s ion s meacutetalliques qu e l e reste de s reacutesidus alcalins Rappelon s qu e le s

CKD (Cl ) on t obten u le s plu s forte s baisse s d e p H pa r rappor t au x valeur s avan t l a

carbonisation soi t plu s d e 6 uniteacutes Toutefois le s diffeacuterence s d e p H entr e le s eacutechantillon s

preacutelixivieacute e t non-preacutelixivi eacute son t moin s significative s soien t d e 0 1 agrave 1 uniteacute Ce s reacutesultat s

deacutemontrent encore une fois qu e la preacutelixiviation a peu dincidence sur leacutevolution du pH

Quant agrave leacutevolution d e la conductiviteacute l a figure 3 4 permet d e constater qu e le s valeurs de

conductiviteacute obtenues sont tregraves semblables avec celles obtenues lors les essais de 48 heures

car les meacutecanismes qui reacutegissen t la libeacuterafion des ions meacutetalliques sont identiques

58

30

lto25 E S 20

gt 15 o = 10

B1 62 81 8 2

Types de reacutesidus

83 CI

Figure 34 Eacutevolution de la conductiviteacute des six reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull ) non filtreacutes (3) lors des essais de 24 heures

32 Deacuteterminatio n du pouvoir alcalin

Les reacutesultats de s essai s d e titrage reacutealiseacute s avec le s hui t reacutesidu s (voi r le s reacutesultat s complet s

Armexe VI ) son t illustreacute s respectivemen t pa r le s figure s 3 5 agrave 37 Le s reacuteserve s alcaline s

calculeacutees agrave parti r d e ce s figure s son t reacutesumeacute s dan s l e tablea u 33 Ce s reacutesultat s indiquen t

clairement qu e le s quantiteacutes dacide chlorhydriqu e (acide fort ) neacutecessaire s pour atteindre le

pH 8 3 (p H d e saturatio n e n CaC0 3 dun e solutio n agrave leacutequilibr e e t agrave l a pressio n

atmospheacuterique) son t d e 8 agrave 1 1 foi s plu s eacuteleveacutee s dan s l e ca s de s scorie s dacieacuterie s

comparativement au x boues rouges de 2 agrave 27 fois plus eacuteleveacutees que les CKD et jusqu agrave 38

fois plus eacuteleveacutees que les cendres volantes Les cendres volantes ont un pouvoir alcali n tregraves

faible seulement 2 mL de HCl on suffit pou r baisser le pH initial en-dessous de 5 uniteacutes Les

CKD preacutesentent des pouvoirs tampons les plus eacuteleveacutes parmi les reacutesidus alcalins suivis par les

scories HF et FP

59

Tableau 33 Reacuteserves alcalines des huit reacutesidus

Type de reacutesidu

Boues rouges humides ( B 1 ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FAE (SI ) Scories FP (S2 ) Scories HF (S3 ) CKD (Cl ) CKD (C2 ) Cendres volantes (F )

pH

83

Reacuteserve alcaline (mole de HCIkg de reacutesidu)

038 04 31 39 43 14 16

012

En revanche le s boue s rouge s on t u n pouvoi r tampo n beaucou p plu s faibl e compar eacute au x

autres reacutesidus mentionneacutes ci-dessus mais plus eacuteleveacute que les cendres volantes Les particules

solides contribuent pou r 7 6 du pouvoir neutralisant de s boues rouges e t l a phase liquide

pour 24 constate Bonenfant et al (2008)

14 1

12

10 -

8 -

6 -

4 -

2 -

n -u 1

(

icirc-~~-icircraquo^^

1

) 1 0

bull ^

1 1 1

20 3 0 4 0

HCIlNenml

V

I

50

1

60

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FA E (bull) FP (bull) e t HF (0) en fonction du volume dacide ajouteacute

60

Figure 36 Courbes d e titrage des CKD Cl (bull ) e t C2 (bull) e n fonctio n du volume dacide ajouteacute

16-

14 A

pH

00 O

to

1 1 1

r-1

6 -

4 -

2 -n -

4P

^ ^HU

u T 1

0 1 0

Vp-

^9laquo^--f^-^^

20 3 0 4 0

H C I l N e n m l 50

Figure 37 Courbes de titrage des boues rouges segraveches (D ) et humides (bull) en fonction d u volume dacide ajouteacute

61

Ces reacutesultats indiquen t qu e les scories dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute de neutralisation plu s

eacuteleveacutee qu e tou s le s autre s reacutesidus D e plus le s scorie s H F son t le s plu s reacuteactive s ave c un e

reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en solution aqueus e

Cette eacutetap e d e la preacutesent e eacutetud e a consist eacute agrave mesure r le s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 en

solution pa r le s hui t reacutesidu s alcalins Lobjecfi f principa l d e cett e eacutetap e eacutetai t deacutevalue r l a

variation d u potentie l d e seacutequestratio n pa r le s matrice s de s reacutesidu s e t d e leur s lixiviat s

pendant 2 4 e t 4 8 heure s afi n d e seacutelectionne r le s reacutesidu s ayan t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration Cett e eacutetap e visai t eacutegalemen t agrave deacutetermine r si l exist e un e diffeacuterenc e

significative de s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s entr e le s deu x temp s d e

seacutequestration Enfin leacutetud e d e l a cineacutetiqu e d e seacutequestratio n pa r l e reacutesid u alcali n ayan t

obtenu l e meilleur rendemen t dadsorptio n d u CO2 lors les deux seacuterie s dessais a pour bu t de

mieux comprendre c e processus

331 Essai s de 4 8 heures

Les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit reacutesidus sont repreacutesenteacutes agrave la figure 38 Le CO2

injecteacute agrave deacutebi t constan t s e transform e e n phas e aqueuse c e qu i impliqu e un e baiss e d e p H

mais auss i un e adsorptio n d e CO2 Il s deacutemontren t qu e le s scorie s H F e t F P obtiennen t le s

meilleures reacutesultat s (voi r le s reacutesultats complet s Annex e IV ) dadsorpfion d u CO2 suivies pa r

les CKD d e type C l e t C2 Les de boues rouges humides (Bl ) e t segraveche s (B2 ) preacutesentent de s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 beaucoup moin s importante s mais plu s importante s qu e

les cendres volantes (F) La figure 38A indiqu e les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit

reacutesidus non-preacutelixivieacutes O n remarqu e qu e le s eacutechantillon s non-filtreacutee s (matrice s + lixiviats )

des scorie s S 2 e t S 3 obfiennen t le s meilleurs reacutesultat s dadsorpfio n d u CO 2 soien t 008 3 e t

0084 g de C02g de reacutesidu suivies par les Cl qu i preacutesente des capaciteacutes dadsorption d e 008

g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

62

Bl B2 S I 8 2 S 3 C I 0 2

Types de reacutesidus

15 07|

F

81 82 S I S 2 S 3 C I C 2

Types de reacutesidus

1214

Ll F

Figure 38 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 8 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes (D ) e t non- filtreacutes (bull ) lor s des essais de 4 8 heures

63

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s segraveche s e t humide s non-filtreacutee s offren t de s rendement s

infeacuterieurs agrave 60 compareacutes agrave ceux de s scories S 2 et S3 Les cendres volante s offre s le s plus

faibles reacutesultat s dadsorption soi t 0015 g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

Si o n compar e le s graphique s A e t B o n remarqu e qu e l a lixiviatio n a e u de s impact s

diffeacuterents su r le s hui t reacutesidu s testeacutes Le s boue s rouge s humide s e t segraveche s e t le s cendre s

volantes ont eacutet eacute plus sensibles agrave la lixiviation e n deacutemontrant de s reacutesultat s presqu e identique s

dadsorpfion d u CO2 L a figur e 48 B illustr e u n autr e fai t inteacuteressant Le s meacutelange s

(matrices+ lixiviats ) de s scorie s S 2 e t de s poussiegraveres d e fou r de s cimenterie s C 2 offren t de s

meilleurs tau x dadsorptio n d u CO 2 que le s lixiviat s seuls C e reacutesulta t peu t sexplique r pa r

tme preacutesence plus eacuteleveacutee des ions meacutetalliques dans les matrices que dans la solution

Les scorie s F P ont u n pouvoi r d e seacutequestratio n d u CO 2 qui peu t atteindr e 010 7 g de C02 g

de scorie s soi t l e tripl e d u pouvoi r de s boue s rouges C e hau t nivea u dadsorpfio n peu t

sexpliquer pa r l a teneur eacuteleveacute e en CaO jusquagrave 31 7 de Si0 2 (91) e t MgO (6 ) selo n

Huijgen et al (2005) Ce s oxyde s on t l a proprieacutet eacute d e reacuteagi r facilemen t ave c l e CO 2 e t d e

former de s carbonates stables

332 Essai s de 2 4 heure s

La figure 3 9 illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 apregraves 2 4 heure s d e carbonatatio n pa r

les si x reacutesidu s seacutelectionneacute s (voi r le s reacutesultat s complet s Armex e V) Lallur e geacuteneacuteral e de s

graphiques de la figure 39 sapparent e agrave celle de la figure 38 Comme dans l e cas des essai s

de 4 8 heures le s scorie s S2 S 3 e t le s CK D typ e C l no n - preacutelixivieacute s offren t le s meilleur s

reacutesultats dadsorptio n d u CO2 Les boues rouge s segraveche s (non-filtreacutes ) preacutesente s de s capaciteacute s

dadsorption d u CO2 20 supeacuterieures agrave celles humides e t 45 infeacuterieure s au x scorie s S3

La figure 39 A illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 par le s si x eacutechantillon s preacutelixivieacute s

pendant 2 4 heures

64

CM O O agt

O)

O)

O)

o 0)

laquo - s = ltr t

O) I -V)

laquoM O O 0)

bullo o

7 4gt

bull O

O) o o mdash lt1) -gt (A 0) 3

(A

(A 3

bull O

res

h

5 ^

4

3 18

A

29

6

5

4

3

2

1

0

B

35

65

36

81 8 2 S 1 S 2 S 3

Types de reacutesidus

Bl B 2 8 1 8 2 8 3

Types de reacutesidu s

CI

CI

Figure 3 9 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 6 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacute s (B ) filtreacutes (D ) e t non - filtreacutes (bull ) lor s de s essai s d e 24 heures

65

La preacutelixiviatio n sembl e davoi r u n impact e positi f su r ladsorptio n d u CO 2 pa r le s troi s

types de scories et les boues rouges humides non-filtreacutes

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s humide s ont augment eacute respectivemen t leu r pouvoi r

dadsorpfion d e CO 2 d e 5 2 e t d e 27 pa r rappor t au x eacutechantillon s non-preacutelixivieacutes Le s

faibles reacutesultat s dadsorption d u CO2 par les eacutechantillons preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes

deacutemontrent qu e le s carbonates s e trouvent majoritairemen t dan s le s matrices e t non dan s le s

lixiviats

La comparaison de s reacutesultats obtenus de la seacutequestration d u C02 lor s des deux seacuterie s de tests

permet d e constate r qu e le s diffeacuterence s d e gain s son t tregrave s diffeacuterentes Le s plu s grande s

diffeacuterences d e gain s son t enregistreacutee s pa r le s scories S 3 e t S 2 respectivement lor s des essai s

de 2 4 e t 4 8 heures D e plus le s scorie s S 2 obtiennen t le s plu s haut s gain s sou s leu r form e

preacutelixivieacutee contrairemen t au x scorie s S 3 qu i obtiennen t le s meilleur s reacutesultat s sou s leu r

forme non-preacutelixivieacutee D e ce fait o n peut conclur e qu e l a carbonatation peu t ecirctr e influenceacute e

par l e temps d e preacutelixiviation de s oxydes meacutetallique s s i la preacutelixiviation es t supeacuterieur e agrave 24

heures

34 Cineacutetiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP

Leacutetude de s potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 par le s hui t reacutesidu s testeacute s a releveacute qu e le s

scories F P (S2 ) offren t l e meilleu r potentie l d e seacutequestration D e c e fait i l import e don c

deacutetudier l a cineacutefique dadsorpfio n d u CO2 par ce reacutesidu alcalin afi n d e mieux comprendr e c e

processus L e choi x de s scorie s non-preacutelixivieacutee s s e justifi e pa r leur s rendement s d e

seacutequestrafion d u CO 2 qui son t plu s eacuteleveacutes par rappor t agrave celles preacutelixivieacutees Pou r c e faire le s

reacutesultats d e leacutevolutio n d u pH de conducfiviteacute e t de ladsorpfio n d u CO 2 seront preacutesenteacute s e t

analyseacutes

66

Les figures 31 0 e t 311 illustrent leacutevolutio n d u pH et de la conducfiviteacute de s scories F P non-

preacutelixivieacutees apregrave s 8 heures de carbonatation (voi r le s reacutesultats comple t agrave F Armexe VII) Huit

mesures de s valeur s d e pH e t conductiviteacute ont eacutet eacute reacutealiseacutees soi t apregrave s 0 25 5 10 20 60

120 et 480 minutes

1 12 bull

11 -

X ^ 10 -

9-

8-

7 1

^ ^ _

^ ^ ^ N gt N L

1 1

l 1 0 10 0 Temps d e barbotage a u C02 (e n min)

1

1000

Figure 31 0 Eacutevolutio n d u p H de s scorie s F P filtreacutees (bull) no n filtreacutees (D) e n fonction d u temps de barbotage au CO2

Le pH et l a conductiviteacute son t lieacute s par les mecircmes meacutecanismes soi t ceu x d e libeacuteration de s ion s

meacutetalliques d e calciu m e t d e magneacutesiu m dan s l a solufio n pa r le s particule s solide s degrave s l e

deacutebut d e l a reacuteaction Le s baisse s de s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute sexpliquen t pa r l a

reacuteaction de s ion s meacutetallique s ave c l e CO 2 qu i es t transform eacute preacutealablemen t e n acid e

carbonique e t l a formation de s carbonates Le s ions e t le s oxydes amphotegravere s reacuteagissen t pe u

dans l a solufio n e t d e c e fait il s ont pe u dimpac t su r l e p H e t l a conducfiviteacute Ces t

seulement apregrave s les dix premiegraveres minutes quon observ e une baisse significative de s valeur s

de pH et de conductiviteacute

67

Ce consta t es t e n accord ave c le s reacutesultats obtenu s pa r Hujge n et al (2006 ) e t Bonenfan t et

al (2008) Mecircm e s i ces auteur s ont travaill eacute ave c de s scorie s ayan t un e granulomeacutetri e plu s

fine (38-16 0 pm) le s preacutesent s travau x conduisen t agrave l a mecircm e conclusio n queu x le s ion s

meacutetalliques s e libegraveren t de s matrice s degrave s l e deacutebut d u processus d e carbonatatio n soi t entr e l e

deuxiegraveme e t l a dixiegravem e minute Selo n ce s auteurs l a concentratio n d e calciu m augment e

presque lineacuteairemen t agrave laugmentatio n d u temp s d e reacuteaction jusquagrave enviro n 1 0 min Apregrave s

cela l a concentratio n nivegravel e o u diminue L a sursaturatio n a e u lie u parc e qu e l e tau x d e

deacutepocirct d e carbonat e d e calciu m agrave parti r d e l a solutio n eacutetai t beaucou p plu s len t qu e l e tau x

dextraction de s ions calcium agrave partir des deacutechets de ciment (lizuk a et al 2004)

CZ5

3 -a S O

6

5

^ 4

f 3 2

1

0 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee de barbotage d u CO2 (en min) 481

Figure 31 1 Eacutevolutio n d e l a conductivit eacute de s scorie s F P non -preacutelixivieacutees filtreacutees (D ) et no n filtreacutes (bull ) e n fonctio n du temp s d e barbotage a u CO2

Le CO 2 reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates C e reacutesulta t c e confirm e auss i pa r le s figures 31 2 e t 31 3 qu i illustren t

leacutevolution d u potentiel de seacutequestration d u CO2 en fonction d u temps

68

lt3gt bull O

(SX)

C l U agt bull -

S cr

O

8

7

6

5

4

3

2

1

0 D-

1 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee d e barbotag e du CO2 (en min)

481

Figure 31 2 Eacutevolutio n d u pouvoi r d e seacutequestratio n du carbon e de s scories F P non-preacutelixivieacutee s filtreacutees (D) non-filtreacutee s (bull ) e n fonctio n du temps de barbotage au CO2

On remarqu e qu e le s quantiteacute s d e CO 2 adsorbeacutes le s plu s eacuteleveacute s son t attein t apregrave s 8 heure s

soit 7 4 g de CO2100g de scorie s F P mais cest entr e l a deuxiegraveme e t dixiegraveme minut e quo n

observe qu e l a vitess e d e seacutequestrafio n es t plu s eacuteleveacute e (figur e 313) Te l qu e expliqu eacute

preacuteceacutedemment dan s cett e eacutetude c e son t le s matrice s qu i offren t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 A l a diffeacuterenc e de s temp s d e seacutequestratio n d e 2 4 e t 4 8 heures i l

semble que le temps de huit heures est trop court pour que le s solutions filtreacutees reccediloiven t de s

quanfiteacutes suffisante s dion s meacutetallique s pour seacutequestrer l e CO2 agrave des quantiteacutes notables

69

006 bull ] u a M 00 5 -0 - p u E

I 3 E 00 4 bull Tl -v

1 C ^ ^ 9 CL 003 bull

bullJ L L

i 0 iuml 0 0 -XI 0

i Q O i = 0 oo i bull 1 0 1 o i ( A mdash icirc l l

icirc s 0 gt

1 i

^

25 5 10 2 0 6 0

Temps en min

120 48 0

Figure 31 3 L a vitess e dadsorptio n d u CO 2 e n fonctio n d u temp s par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes (n) et non filtreacutes (bull)

Synthegravese

Les capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 ont eacutet eacute eacutetudieacutees pou r hui t reacutesidu s alcalin s soi t le s boue s

rouges humide s e t segraveches le s scorie s FP FOP FAEacute le s CK D ( 2 types ) e t le s cendre s

volantes Le s essai s de carbonatation direct e e t indirecte on t eacutet eacute effectueacutes e n cuveacutee agrave un flux

gazeux d e 1 5 d e CO 2 e t 8 5 d e N 2 pendan t 4 8 heure s e t ont permi s d e tire r le s

conclusions suivantes

Les valeur s d e p H de s scorie s e t de s boue s rouge s e t de s CK D son t tregrave s semblable s soi t

leacutegegraverement au-dessu s d e 7 (preacutelixivieacutees e t non-preacutelixivieacutees) Seulemen t le s cendres volante s

ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7 En ce qui concerne l a conductiviteacute

on peu t firer le s mecircme s conclusion s qu e l a variafio n d u p H agrave lexcepfio n de s CK D qu i

obtiennent de s valeur s d e conductivit eacute quatr e foi s supeacuterieure s qu e le s autre s reacutesidus Cett e

diffeacuterence peu t ecirctr e occasionneacute e pa r un e meilleur e teneu r de s ion s meacutetallique s e n solutio n

dans le cas des CKD

70

Quant au x capaciteacute s de s reacutesidus agrave seacutequestrer l e CO2 trois reacutesidus s e sont deacutemarqueacute s lor s de s

deux seacuterie s d e test s les scorie s HF FP e t le s CKD Lor s le s essai s ce s reacutesidus on t obtenu s

les reacutesultats de seacutequestration d u CO2 suivants

bull Essai s de 24 heures

Scories HF (65 pp) gt scories FP (59 pp) gt CKD St-Lauren t (4 7 pp)

bull Essai s de 48 heures

Scories FP (107 pp) gt scories HF (84 pp) gt CKD St-Lauren t gt (79 pp)

Les tests sur le pouvoir alcalin des scories ont indiqueacute que les scories dacieacuterie possegraveden t un e

capaciteacute de neutralisation plu s eacuteleveacutee que tous les autres reacutesidus De plus les scories HF sont

les plus reacuteactives avec une reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

Enfin le s test s d e l a cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2 par le s scorie s F P ont deacutemontr eacute qu e l a

seacutequestration d u CO 2 s e reacutealis e plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegravere s minute s d e l a

reacuteaction

CHAPITRE 4

DISCUSSION GEacuteNEacuteRAL E

Le preacutesen t chapitr e a pou r objecti f dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s

obtenus dan s l e cadr e d e cett e eacutetude C e chapitr e compar e eacutegalemen t le s reacutesultat s obtenu s

lors de s deu x seacuterie s d e test s (2 4 e t 4 8 heures ) ave c ceu x obtenu s pa r dautre s eacutetude s

semblables De plus limpact enviroimementa l de ce proceacutedeacute sera analyseacute e t preacutesenteacute

41 Inteacutegratio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests

Les essai s reacutealiseacute s on t montr eacute qu e l e potentie l d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s

industriels alcalin s vari e e n fonctio n d e leur s caracteacuteristique s physico-chimique s telle s qu e

la teneu r e n ion s meacutetallique s tel s qu e Ca ^ e t Mg^ l e pH la granulomeacutetri e e t auss i de s

conditions expeacuterimentale s choisies L a tempeacuterature l a pression l e ratio L S e t l a vitesse d e

brassage jouent u n rocircle de premier plan sur les reacutesultats de seacutequestration d u CO2

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lor s des essai s d e 24 et 48 heures

Lobservation de s reacutesultat s d e p H e t d e conducfivit eacute obtenu s lor s de s deu x seacuterie s d e test s

deacutemontre qu e le s diffeacuterence s d e pH son t tregrave s semblable s pou r le s Bl B2 SI S3 et Cl E n

fait le s diffeacuterence s d e p H varien t entr e 0 2 agrave 0 8 uniteacute s (sau f le s CKD) tregrave s pe u s i o n

considegravere qu e l a diffeacuterence d e temps es t des deux foi s supeacuterieure s entr e l a deuxiegraveme seacuteri e de

tests Le s CK D manifestemen t conserven t leu r pouvoi r alcali n presqu e inchangeabl e apregrave s

24 heure s d e carbonatation Seulemen t le s scorie s F P (S2 ) on t subi e baiss e d e p H

significafive d e 2 agrave 25 uniteacutes entre les deux seacuteries dessais

72

Ces reacutesultat s deacutemontren t qu e tous ce s reacutesidus alcalin s ont de s excellente s reacuteserve s alcaline s

et quil s relacircchen t se s ions meacutetalliques tregrave s lentemen t dan s l a solution aqueuse Ce s reacutesultat s

sont semblable s agrave ceu x obtenu s pa r plusieur s chercheur s (Hujge n et al 2006 Bonenfan t

2008 Huntziger 2009)

Dans l e ca s de s boue s rouges le s reacutesultat s obtenu s son t e n accor d ave c ceu x obtenu s pa r

Bonenfant (2006) Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute son t plu s eacuteleveacutee s pou r le s boue s

rouges humide s qu e le s boue s rouge s segraveche s e t peuvent ecirctr e expliqueacutee s pa r un e plus grand e

faciliteacute d e libeacuteratio n de s ion s (cation s e t ion s hydroxyles ) de s boue s rouge s humide s

occasionneacutee pa r leu r dissolutio n preacutealabl e dan s l a soud e caustique comparativemen t au x

boues rouge s segraveche s qu i non t pa s subi t c e traitement Ce s reacutesultat s prouven t qu e l a

lixiviation en geacuteneacuteral joue un rocircle minime su r le pH peu import e le reacutesidu ufiliseacute Toutefois

selon Bonenfant (2008) le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s meacutetallique s

tels que Ca Mg Ap^ Fe Ce sont ces ions et leur s oxydes respectif s qu i assuren t l e pH

et le s conductiviteacutes eacuteleveacute s de s reacutesidus cibleacutes Les grandes quantiteacute s dhydroxyd e d e sodiu m

libeacutereacutees dan s le s lixiviat s de s boues rouge s peuven t eacutegalemen t ecirctr e responsable s de s valeur s

eacuteleveacutees de pH e t de conductiviteacute qu i ont eacuteteacute mesureacutees apregraves 24 et 48 heures de lixiviation E n

effet le s grande s quantiteacute s d e solution s dhydroxyd e d e sodiu m on t de s alcaliniteacute s e t

conductiviteacutes eacutelectriques eacuteleveacutees

Hujgen et al (2006 ) on t deacutemontr eacute qu e le s ion s meacutetalliqu e s e libegraveren t de s matrice s de s l e

deacutebut d u processu s d e carbonatatio n soi t entr e l e deuxiegravem e e t l a dixiegravem e minute L e CO 2

reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates

Les bou s rouge s humide s no n - preacutelixivieacutees filtreacutees e t no n filtreacutees s e deacutemarquen t pa r de s

valeurs de pH e t de conductivit eacute leacutegegraveremen t infeacuterieure s pa r rappor t au x boue s rouges segraveche s

et le s scories E n revanche selo n Bonenfant (2008) l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s

daluminium dan s le s lixiviat s de s boues rouge s e t des scorie s FA Eacute es t suscepfibl e decirctr e e n

partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees de conducfiviteacute d e ces trois solutions

73

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute le s valeurs obtenues lor s des deux seacuterie s de tests son t

tregraves semblables ca r le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t l a libeacuteratio n de s ion s meacutetallique s son t

semblables

Liu et al (2003 ) ont deacutemontr eacute qu e l e p H de s boue s rouge s augment e ave c l e temp s d u

stockage L e Ca^ ^ es t plu s facilemen t eacutechangeabl e dan s de s boue s fraicircche s qu e dan s le s

vieilles boues Ce s demiegravere s son t domineacutee s pa r le s eacutechange s d e Na^ Laluminiu m conten u

dans le s boue s rouge s es t preacutecipit eacute d e l a solutio n sou s form e d e dawsonit e NaAlC03(OH) 2

(Nikraz et al 2007)

Les cendre s volante s mecircm e s i elle s on t de s valeur s initiale s d e p H plu s ba s qu e le s autre s

reacutesidus soi t d e 88 6 agrave 895 deacutemontren t de s capaciteacute s d e carbonatatio n inteacuteressante s s i o n

tient compte d e leur faibl e teneu r de CaO Dailleurs selo n Soon g et al (2006) i l nest pa s

utile davoir u n p H tregraves bas car les carbonates se forment agrave un pH eacutega l ou supeacuterieur agrave 78

De ce fait on peut conclure que

bull i l nest peut-ecirctr e pas utile daugmenter l e temps dadsorption d u CO2 au-delagrave de 24

heures car les valeurs de pH et de conductiviteacutes varient tregraves peu

bull le s reacutesidus alcalins ont des meacutecanismes de carbonatation e t des pouvoirs tampons tregrave s

semblables

il existe un lien direct entre la variation du pH et de la conducfiviteacute

bull c e sont le s ions meacutetalliques tels que Ca ^ Mg Na^ qui deacuteterminent e n grande partie

leacutevolution d u pH et de la conductiviteacute

74

412 Limpac t du pouvoir alcalin e t de la cineacutetique de ladsorption du CO2 sur la seacutequestration d u CO2

Il est inteacuteressan t d e noter que l e pouvoir tampon de s reacutesidus s e manifeste agrave des intervalle s de

pH diffeacuterent s entre 1 0 agrave 8 pou r le s scories 8 agrave 6 pou r le s CK D e t 6 agrave 4 pou r le s boue s

rouges Ces reacutesultats son t en accord avec ceux obtenu s par Bonenfant et al (2008) Huijge n

et Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009) Ce s pouvoir s tampon s important s son t du s

probablement a u fai t qu e le s silicate s ont partiellemen t reacuteag i dan s ce s gamme s d e pH

(Baciocchi et al 2009)

Selon Bonenfant (2006) l a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n

oxydes meacutetalliques plus particuliegraverement de s oxydes meacutetalliques basiques tels que l e CaO et

le Mg O scories F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

Bonenfant et al (2008) Huijgen e t Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009 ) ont eacutetudi eacute le

rapport entr e l e pouvoi r alcali n e t l a lixiviatio n de s meacutetau x pa r ce s reacutesidus Le s test s d e

lixiviation meneacute s pa r Baciocch i e t Bonenfan t ont confirm eacute qu e l a quantit eacute de s ion s Ca^ ^

dans les scories es t plus basse agrave des pH gt 8 en raison de la formation d e calcite

Selon Hujge n et al (2005 ) le s scorie s agrave des pH varian t entr e 5 1 agrave 3 5 libegraveren t le s ion s d e

calcium qu i formen t de s silicate s e t des bicarbonates Quan t au x CKD leu r pouvoi r tampo n

eacuteleveacute empecircch e l a formatio n d e bicarbonates Pou r obteni r l a formatio n d e ce s demiegraveres i l

faut ajoute r davantag e dacide chlorhydriqu e e t augmenter l e temps de reacuteaction au-delagrave de 24

heures

Lorsque l e p H attein t un e valeu r infeacuterieur e agrave pK2 = 10 3 d u systegravem e carbonates Feacutequilibr e

se deacuteplac e dan s l e sen s favorisan t l a consommafion de s ion s bicarbonate s CO3 et l e deacutepocirc t

de l a calcit e (CaCOs ) jusqu agrave latteint e dun e limit e qu i deacutepen d d e l a teneu r d e Ca en

solution Selo n Bonenfant (2008) cette situatio n deacutefini t eacutegalemen t l a capacit eacute dadsorptio n

de CO2

75

Le M g s e mobilis e e n mecircm e temp s qu e l e Ca ^ mais se s composeacute s son t plu s soluble s qu e

ceux d u calcium Le s concentrafions d e Ca^ sont en moyenne 1 0 fois plu s eacuteleveacutees qu e cell e

du M g apregrave s 6 heure s d e lixiviatio n e t cett e libeacuteratio n d e cation s (C a ^ et M g ) s e fai t e n

parallegravele ave c laugmentatio n d u p H e t d e l a conductivit eacute d e l a solutio n (Bonenfan t et al

2006)

Les reacutesultat s de s deux seacuterie s de tests (24 et 48 heures) su r le s capaciteacutes dadsorptio n d u CO2

par ce s reacutesidu s ont deacutemontreacute s qui l es t possibl e d e seacutequestre r l e CO 2 agrave parti r d e reacutesidu s e t

sous-produits industriel s alcalin s (voi r tableau 41) Les matrices d e ces mateacuteriaux sembleacute s agrave

posseacuteder un e grand e capacit eacute d e libeacuteratio n de s cation s e t de s ion s hydroxyle s capable s d e

reacuteagir avec l e CO2 Le s cendres volantes on t enregistreacute le s plus faibles reacutesultat s dadsorptio n

du CO 2 (15 pp) e t ce agrave cause des faible s teneur s e n calcium e t magneacutesium ( lt de 1 0 )

Pourtant le s capaciteacutes theacuteoriques dun e tonn e de cendres volante s contenan t 4 1 de chaux

peuvent seacutequestre r 32 2 k g d e C02tonn e d e cendre s volante s (Montes-Hemande z et al

2009) Quan t au x CKD leur s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestratio n d u CO 2 dan s de s

conditions dexpeacuterimentatio n ambiante s son t d e lordr e d e 11 5 kgtonn e d e reacutesid u

(Huntzinger et al 2009)

Lors l a carbonatation de s CK D e t des cendres volante s lettringit e es t transform eacute e n calcite

en quart z e t e n gypse Aucu n reacutesid u nattein t le s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestrafio n d u

CO2 mecircm e apregrave s 4 8 heure s d e carbonatation Ce s reacutesultat s sexpliquen t pa r l a formatio n

dune couch e d e carbonate su r le s particules qu i colmat e le s pores e t de ce fait l a libeacuterafio n

des ion s meacutetallique s d e C a e t M g dan s l a solufio n es t compromis e (Bonenfan t et al 2008

Hujgen et al 2006)

76

Tableau 41 Reacuteserves alcalines et potentiel de seacutequestration des reacutesidus alcalins

Type de reacutesid u

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FA E

(SI) Scories FP

(S2) Scories HF

(S3) CKD (Cl) CKD (C2)

Cendres volantes

(F)

Seacutequestration d e CO2 en 24 heure s (gdeCO2100gde

reacutesidu alcalin ) 35

36

47

59

65

47

-

Seacutequestration d e CO2 en 48 heures (g de CO2100g de

reacutesidu alcalin ) 34

31

36

107

84

79

6

L5

Reacuteserve alcalin e (mole de HClkg de

reacutesidu)

038

04

31

39

43

14

16

012

Selon lizuka (2004 ) mecircm e s i le s calcul s thermodynamique s indiquen t qui l es t

theacuteoriquement possibl e d e convertir plu s de 67 du calcium conten u dan s le s deacutechets de

ciment en carbonate de calcium le taux de conversion pratique est largement deacutetermineacute e par

les facteur s cineacutetique s d e l a reacuteactio n e t l e degreacute d e l a carbonatatio n es t limit eacute agrave quelque s

millimegravetres deacutepaisseur sur la surface des particules

La formation de s silicate s es t un autr e facteu r qu i baiss e l a libeacuteration de s ion s meacutetallique s

dans la solution aqueuse Ces reacutesultats indiquent que les chutes de pH et de conductiviteacute sont

plus eacuteleveacutees dans la solution de scories FP en solution que celles observeacutee dan s la solution

des scories FAEacute des boues rouges humides et segraveches des CKD et des cendres volantes

77

Toutes le s autre s eacutetude s d e seacutequestratio n d u CO 2 ont utilis eacute soi t de s tempeacuterature s e t de s

pressions eacuteleveacutees soit des granulomeacutetries beaucoup plus petites soit tous ces facteurs reacuteuni s

ensemble (voir tableau 42)

Tableau 42 Reacutesumeacute des reacutesultats seacutequestration du CO2 obtenus par dautres eacutetudes

Type de reacutesidus

Boues rouges

Scories

CKD

Cendres volantes

3 ^ ^

Tem

peacutera

(e

ndegC

22

100

70 200

22

22

25

Conditions opeacuteratoire s

S ^ 0 u

A

19

30 3

A

A

30

^

Rat

io L

S (

10

2

05 04

10

12

10

C G

ranu

lom

(e

n pr

r

I

lt38

lt10 lt

01 38-160

I

I

0 _ T3 4 J V -

Vite

sse

bras

ag

ten

ron

300

1000

--

300

-

-

c

Tem

ps (

heur

es

24

05

2 2

24

816

18

CaO e n

de masse

55

317

48

41

Potentiel d e seacutequestr

theacuteorique du C02en kgkg 006^

025

016

003

Reacutesultat de

seacutequestr du C02e n

kgkg

0043

75 du total de Ca

002 013^

025

012^

003

1) Hujgen et al (2005) 2) Eloneva et al (2008) 3) Baciochi el al (2009) 4) Bonenfant et al (2008) 5) Khaitan (2003) 6) Huntzinger (2009) 7) Montez-Hemandez (2009) A=atmospherique I=industrielle

Les reacutesultats obtenus par ces eacutetudes deacutemontrent que dans les cas des scories dacieacuteries e t des

poussiegraveres d e fou r de s cimenteries loxyd e d e calciu m es t loxyd e meacutetalliqu e qu i leu r

confegravere leu r potentiel de seacutequestration du CO2

Dans le cas des boues rouges agrave part le calcium qui joue un rocircle significafif dan s le potentiel

de seacutequestration d u CO2 le sodium qui est libeacutereacute en quantiteacute preacutedominante peut eacutegalement

jouer un rocircle dans la seacutequestration du CO2 (Bonenfant et al 2006)

78

Il es t importan t d e note r qu e seule s le s scorie s F P on t doubl eacute leu r capacit eacute dadsorptio n d u

CO2 lors des essais de 48 heures par rapport aux essais de 24 heures

Selon l a litteacuterature l a taille de s particule s d e scorie s exerc e leffe t l e plu s significati f su r l a

reacuteaction plu s l a taill e de s particule s es t petite plu s l a reacuteactio n ave c l e CO 2 es t eacuteleveacutee L a

tempeacuterature e t l a ration L S eacuteleveacutee s jouent eacutegalemen t u n rocircle importan t su r l a dissolution d e

silicates (Baciocchi et al 2009)

En conclusion i l exist e u n lie n direc t entr e l e pouvoir alcali n e t la capaciteacute d e seacutequestratio n

du CO 2 pa r le s reacutesidu s alcalins Plu s l e pouvoi r alcali n es t eacuteleveacute plu s l a capacit eacute d e

seacutequestration d u CO2 par ces reacutesidus est eacuteleveacutee

42 Limpac t environnementa l d e la seacutequestration du CO2

Les reacutesidu s alcalin s eacutetudieacute s s e caracteacuterisen t pa r de s p H tregrave s eacuteleveacute s gracircc e agrave leur s teneur s

eacuteleveacutes dion s meacutetalliques Aucu n d e ce s reacutesidus n e deacutepassai t le s norme s environnementale s

traitant le s meacutetaux lourd s tels que le chrome le molybdegravene le mercure l e plomb etc

Bonenfant et al (2006) Huijge n et al (2005 ) e t Huntzinge r et al (2009 ) ont deacutemontr eacute

quaucun eacuteleacutemen t dangereu x n e se libegravere lor s de la lixivitaion de s reacutesidus alcalins carbonate s

tels que le s scories le s boues rouge s e t le s poussiegraveres d e four s d e cimenteries Le s eacuteleacutement s

les plu s lixivieacute s son t l e calcium e t l e sodium preacutesent s dan s le s lixiviat s de s boue s rouge s e t

des scories Laluminiu m es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quantiteacute s dan s ce s solufion s

(Bonenfant ea 2006)

En c e qu i concem e l e tau x d e libeacuterafio n de s eacuteleacutement s reacuteactif s de s scorie s FA Eacute d e

granulomeacutetrie 06 3 - 12 5 mm l a concentration d e Ca est e n moyenn e 1 0 fois plu s eacuteleveacute e

que cell e d u Mg ^ et attein t u n maximu m apregrave s 6 h d e lixiviatio n (Bonenfan t et al 2006)

Les autres meacutetaux eacutetudieacutes ne sont preacutesents quen petite s quantiteacutes agrave leacutetat d e trace ou absents

des lixiviats (Proctor et al 2000)

79

Quant au x cendre s volantes aucun e libeacuteratio n d e substance s toxique s meacutetallique s n a eacutet eacute

observeacutee apregraves 1 8 heures de lixiviafion selo n Montes-Hemandez et al (2009) La lixiviatio n

Cr nest pa s influenceacutee pa r le processus de la carbonatation san s doute agrave cause de la faibl e

solubiliteacute de Cr ^ (Baciocchi et al 2009) Agrave ce stade de leacutetude la carbonatation de s reacutesidus

alcalins n e repreacutesenterai t pa s d e dange r su r l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Quan t au x autre s

composeacutes dangereu x eacutemi s dans latmosphegraver e tel s que l e SO2 lesNOx le s fluomres (gazeus e

et particulaire) les dioxines etc i l nexiste pas de donneacutees significatives su r la question

43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins perspective s de lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e

Les reacutesultat s expeacuterimentau x d e l a seacutequestration mineacuteral e d u CO 2 indiquent qui l es t possibl e

dabaisser le s eacutemission s d e c e ga z pa r le s troi s industrie s concemeacutees Toutefois i l fau t

analyser ce s reacutesultat s dan s un e perspectiv e d e deacuteveloppemen t durabl e afi n d e mieu x

comprendre limpac t d e cett e technologi e su r lenvironnement leacuteconomie le s insfitution s

politiques et la socieacuteteacute

Le tablea u 4 3 es t l a suit e d u tablea u d e l a pag e deu x d u preacutesen t travai l e t i l illustr e le s

eacutemissions d u CO 2 par le s troi s industries le s rendements d e l a seacutequestratio n mineacuteral e e t le s

calculs de s reacuteductions de s eacutemission s d u CO2 si cette technologie serai t appliqueacute e agrave leacutechell e

industrielle Dan s l e tablea u 43 le s reacuteduction s calculeacutee s de s eacutemission s d u CO 2 pa r l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s alcalin s de s troi s industrie s son t asse z modeste s s i o n

considegravere qu e le s eacutemission s d e c e ga z eacutemise s pa r le s activiteacute s humaine s seacutelegraveven t agrave 3 8 G t

(GIEC 2007) Toutefois s i o n considegraver e qu e le s troi s industrie s eacutemetten t 1 6 de s

eacutemissions totale s de s acfiviteacute s industrielles le s reacuteduction s de s eacutemission s d u CO 2 proposeacute s

par cette technologie semblen t non-neacutegligeables

80

Tableau 43 Reacutesumeacute des eacutemissions par les trois industries et les baisses respectives de leurs eacutemissions suit e agrave la seacutequestration d u CO2 par leurs reacutesidus alcalin s

Type dindustrie

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Emissions duC02 (en Gt)

015

17

18

Quantiteacutes d e reacutesidus

alcalins (en Mt)

90

350-420

480

Pouvoir de seacutequestration mineacuteral e des reacutesidus industriel s alcalins ( t de C02t de

reacutesidu)

0032

0073

0016

Reacuteduction de s eacutemissions d e

CO2 (en Gt)

00003

0026-003

008

Limplantation d e cett e technologi e agrave leacutechell e industriell e demand e un e eacutetud e eacuteconomiqu e

approfondie Pou r c e faire i l fau t tou t dabor d deacutetermine r le s paramegravetres optimum s d e cett e

technologie tel s que l a dureacutee d e l a seacutequestration l a pression e t la granulomeacutetri e agrave utiliser I l

faut entr e autres teni r compt e d e lintervall e d e production de s quantiteacutes d u typ e d e

transport (contin u o u discontinu ) e t d u temp s d e seacutejou r dan s le s usine s de s reacutesidu s alcalin s

produits pa r le s troi s industries L e choi x d e ce s paramegravetre s influencer a directemen t l e

rendement d e l a seacutequestratio n d u CO 2 Or d e no s jours limplantatio n dun e nouvell e

technologie n e deacutepen d pa s seulemen t d e so n efficacit eacute eacuteconomique Plusieur s dautre s

aspects rentren t e n lign e d e compte E n fait i l fau t utilise r un e approch e systeacutemiqu e (4R -

VD Reacuteduire Reacuteutiliser Reacuteparer Reacutecupeacuterer Valoriser Disposer ) s i o n veu t teni r compt e

de toute s le s interacfion s e t le s impact s quun e tell e deacutecisio n peu t engendrer L a figur e 4 1

illustre le s interaction s entr e le s quatr e pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e pa r rappor t au x

reacuteductions des eacutemissions du CO2 par les trois industries eacutetudieacutees

La figure 4 1 montr e qu e l e deacuteveloppemen t durabl e e n geacuteneacutera l deacutepen d d e l a quantit eacute e t su r

tout d e l a qualit eacute de s interaction s entr e le s quatr e piliers D e c e fait limplantatio n d e l a

technologie d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 n e deacutepen d pa s qu e d e lefficacit eacute

eacuteconomique mais aussi des lois eacutemises par les institutions politiques

81

^ ^ ^ ^ a ^ J S S Eacute agrave ^ ^ ^

SOCIEacuteT Eacute ^ bull participation agrave la W

pris e des deacutecisions

X^^jpraquo^

ENVIRO gt

^ EacuteCONOMI E bull croissance bull efficacit eacute bull stabiliteacute bull valorisation

DEacuteVELOPPEMENT DURABLE

JNEMENT bull biodiversiteacute

bull ressources naturelles bull pollution

J INSTn rUTIONS bull lois bull regraveglements

bull infiastructure

p

1 II

Figure 41 Deacuteveloppement durable et seacutequestration du CO2

Dune maniegraver e plus simple on peut dire que les institutions politiques on t le pouvoir e t la responsabihteacute dexiger par les entreprises de limiter leurs eacutemissions du CO2 voir agrave supprimer ces demiegraveres agrave la source Mecircme si le processus de la seacutequestration mineacuteral e du CO2 est un pheacutenomegravene nature l exothermique i l faudrai t ufilise r dautre s source s deacutenergi e afi n d e lacceacuteleacuterer et par voie de conseacutequence augmenter le rendement de la seacutequesfi-ation du CO2 I l est preacutefeacuterable de remplacer les combustibles fossiles par des eacutenergies moins polluantes telles que leacutenergie nucleacuteaire et leacutenergie eacutelecfrique etou solaire

La socieacuteteacute peut jouer son rocircle de piher en demandant aux pouvoh-s politiques deacutemettre des lois qui exigent aux entreprises de respecter lenvironnement e t dameacuteliorer l a qualiteacute de vie de la socieacuteteacute Dans le mecircme ordre dideacutees l a socieacuteteacute peut exercer un e pression important e sur les entreprises en utilisant leur pouvoir dachat comme moyen de pression

82

Les reacutesultat s obtenu s lor s d e cett e eacutetud e ont deacutemontr eacute qu e limpac t su r lenvironnemen t es t

positif su r tou t a u nivea u d e l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Dautre s eacutetude s son t neacutecessaire s

pour eacutetudie r leffe t de s autre s composant s gazeu x su r lenvironnemen t e t l a sant eacute humaine

Le fai t dutilise r le s reacutesidus e t les sous-produit s industriel s alcalin s afi n d e seacutequestre r l e CO2

et l a revalorisation d e ces derniers dans plusieurs nouveaux domaine s pourrai t provoque r de s

changements neacutegatif s a u nivau x d e leacuteconomi e (changemen t d e prix augmentatio n d e l a

concurrence entr e le s entreprises ) e t d e l a socieacutet eacute (changemen t d e l a qualit eacute d e vie) D e c e

fait i l import e qu e tou s le s acteur s repreacutesentan t le s quatre pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e

travaillent e n eacutetroit e collaboratio n pou r qu e cett e technologi e soi t viabl e e t e n tota l respec t

avec lenvironnement

CONCLUSIONS

La preacutesente eacutetude avai t pour objecti f d e deacuteterminer le s reacutesidus et le s sous-produits industriel s

alcalins offrant le s meilleurs potenfiels d e seacutequestration d u CO2

Pour c e faire troi s type s d e scories (HF FP FAEacute) de s acieacuteries deux type s d e boues rouge s

(humides e t segraveches ) de s aluminerie s e t deu x type s d e reacutesidu s de s cimenterie s (CK D e t

cendres volantes ) ont eacutet eacute testeacute s e n cuveacutee Afi n d e mieu x eacutevalue r leur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 des seacuterie s d e test s d e 2 4 e t 4 8 heure s on t eacutet eacute reacutealiseacutes Le s condition s

opeacuteratoires eacutetaien t le s suivantes tempeacuterature = 20-22degC pression atmospheacuterique ratio SL =

10 kgkg vitesse de brassage = 200 rpm granulomeacutetrie industrielle eau deacutemineacuteraliseacutee

Les reacutesultat s obtenu s lor s le s essai s d e 2 4 heures on t deacutemontr eacute qu e troi s reacutesidu s alcalin s s e

sont deacutemarqueacutes pa r leurs hauts potentiels de seacutequestration d u CO2

bull le s scories HF 65 kg de C02t de scories

bull le s scories FP 59 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours de cimenteries (CKD) 47 kg de C02t de CKD

En revanche le s reacutesultat s obtenu s lor s le s essais d e 48 heure s ont deacutemontr eacute qu e le s mecircme s

reacutesidus alcalin s permettaien t dobtiermen t d e meilleur s reacutesultat s d e seacutequestratio n d u CO2

mais cette fois ci ce sont le s scories FP qui se trouvent en tecircte

bull le s scories FP 107 kg de C02t de scories

bull le s scories HF 84 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours d e cimenteries (CKD) 79 kg de C02t de CKD

84

Ces reacutesultat s sexpliquen t pa r de s teneur s plu s eacuteleveacutee s doxyde s meacutetallique s tel s qu e le s

CaO MgO AI2O3 Cr203 Ti02 FeO Mn O Si02 dan s ce s troi s reacutesidu s pa r rappor t au x

autres reacutesidu s testeacutes Ce s oxyde s e t leur s hydroxyde s respecfif s reacuteagissen t ave c l e CO 2

dissout dan s lea u e t formen t de s bicarbonate s thermodynamiquemen t stables

Theacuteoriquement l a teneu r eacuteleveacute e e n ion s meacutetallique s s e tradui t pa r u n potentie l d e

seacutequestration d e CO 2 eacuteleveacute Toutefois l a diffeacuterenc e d e reacutesultat s d e seacutequestratio n entr e le s

scories lor s de s deu x essai s a deacutemontreacute qu e mecircm e s i le s meacutecanisme s d e carbonatatio n son t

semblables pour tous le s types de reacutesidus alcalins l a nature e t l a mod e de fabricatio n d e ces

derniers influencen t sensiblemen t leur s potentiel s d e seacutequestration C e consta t es t valabl e

aussi bie n pou r le s reacutesidu s preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes Dailleurs le s test s su r l a

carbonatation de s reacutesidu s filtreacutes (preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes ) on t indiqu eacute qu e le s reacutesidu s

alcalins libegraveren t facilemen t leur s ion s meacutetallique s dan s l a solufio n aqueus e e t qu e le s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 de ce s derniegravere s son t inteacuteressantes Toutefois c e son t le s

reacutesidus non-preacutelixivieacute s e t non-filtreacute s qu i on t enregistreacute s le s meilleur s reacutesultat s d e

seacutequestration

Les autres objectif s d e ce travai l consistaien t agrave eacutetudier leacutevolutio n d e pH de l a conductiviteacute

et du pouvoir alcalin de s reacutesidus testeacutes

Premiegraverement le s valeurs de pH des scories des boues rouges e t des CKD obtenues apregraves l a

carbonatation son t tregrave s semblable s soi t leacutegegraveremen t au-dessu s d e 7 Seulemen t le s cendre s

volantes ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7

Deuxiegravemement le s test s su r l e pouvoi r alcali n de s scorie s ont indiqu eacute qu e le s scorie s

dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute d e neutralisation plu s eacuteleveacutee qu e tous le s autres reacutesidus D e

plus le s scories H F son t le s plus reacuteactives avec une reacuteserve alcalin e de 43 moles de HClk g

de scories L a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n oxyde s

meacutetalliques plu s particuliegraveremen t de s oxyde s meacutetallique s basique s tel s qu e l e Ca O e t l e

MgO scorie s F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

85

Troisiegravemement le s tests de la cineacutetique dadsorption d u CO2 par le s scories FP ont deacutemontr eacute

que l a seacutequestratio n d u CO 2 se reacutealise plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegraveres minute s d e la

reacuteacfion C e reacutesulta t sexpliqu e pa r l e fai t qu e l a formation dun e couch e d e carbonate su r l a

surface de s particule s de s reacutesidu s empecircch e l a libeacuteratio n dan s l a solufio n aqueus e de s ion s

meacutetalliques ayan t pou r conseacutequence l a baisse du taux de carbonatation

Enfin laugmentatio n pa r deux d e la dureacutee de carbonatation (d e 24 agrave 48 heures) ne se tradui t

pas par des doublement s de s potentiels d e seacutequestrafion d u CO 2 par le s reacutesidus alcalin s pou r

les raisons mentionneacutes ci-dessus

Perspectives

Cette eacutetud e sinscri t dan s loptiqu e d e deacuteveloppe r u n proceacuted eacute simpl e e t eacuteconomiqu e d e

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s industriel s alcalins D e c e fait

plusieurs perspective s son t identifieacutee s suite au x reacutesultat s obtenu s pa r cett e eacutetude E n voic i

quelques unes

bull eacutelargi r leacutetud e su r la seacutequestrafion d u CO2 avec dautres reacutesidu s industriel s tels les boues

de deacutesencrage de s papeteries le s reacutesidus d e constmctions e t d e deacutemolitions le s deacutechet s

municipaux le s deacutechet s d e lindustri e de s plastiques le s deacutechet s de s hocircpitau x etc

Plusieurs eacutetude s indiquen t qu e ces reacutesidus son t riche s e n oxyde s meacutetallique s e t peuven t

ecirctre utiliseacutes eacuteventuellement agrave la seacutequestration du CO2

bull puisqu e le s source s dea u douce s son t e n diminutio n constant e a u nivea u planeacutetaire i l

serait inteacuteressan t agrave envisage r l a reacutealisatio n d e cett e mecircm e eacutetud e ave c d e lea u d e mer

Cette perspectiv e pren d un e importanc e particuliegraver e s i o n considegraver e qu e plusieur s pay s

de Moye n Orient o ugrave son t deacutej agrave installeacutee s plusieur s aluminerie s e t cimenteries ont tregrave s

peu de sources deau douce

86

bull reacutealise r de s essai s pilotes e n colonnes afi n d e veacuterifie r l e transfer t d e ce s reacutesultat s dan s

des conditions expeacuterimentales semblables agrave celles industrielles

bull effectue r un e eacutetude eacuteconomique afin de savoir si ce proceacutedeacute est eacuteconomiquement viable

bull effectue r un e eacutetud e d e cycl e d e vi e afi n d e deacuteterminer entr e autres limpac t

environnemental de ce proceacutedeacute

ANNEXES

ANNEXE I

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LALUMINIUM

Bauxite ^

CaO bull

NaOH bull

bull

Raw Material s

1 Digestion

Liquor Heatin g

Liquor Surge

T Evaporation

Removal

1

Steam

Liquor Flashing

Heating

N Impunties

lt

Fuel ^

Steam

Sand Seacuteparation

1 Fuial residue

Cooling

i

Preacutecipitation

seedT ^ Classification

1 Washing

1 Calcination

^

-^^^

SandResidue Wa-shing

JL Solids Liquo r

Solids Disposa i

^ Wate r

^ Alumin a

Figure All Proceacuted eacute Bayer Tireacute de Hind ea (1999)

ANNEXE II

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LACIER

AnninmeacuteratJon

J ^=2=vBB Minefo i d e fe r Chofbon

Haut-Fourneau

o Eacutebauche de formes solide s (demi-produi t ) pa r moulag e de lacie r liquide

Acier liquide mi s

^lanuoncey statio n datfinage

Machine de couleacutee

continue

e Transformation de s eacutebauches e n produits finis par laminage

okerie

Eacutelaboration d e lacie r liquide agrave part ir d e minerai de fer

AciefS plats

Train de laminage

agrave chau d

obinojx

Produit fin i

Figure A21 Proceacutedeacute de fabrication de lacier Tireacute de Arcelor Meacutediterraneacutee

tli(ipwwwarcelormediteiTanee coindecouvertefabricationschemahtm)

PRESENTATION D U JURY

CE MEacuteMOIRE A EacuteTEacute EacuteVALU Eacute

PAR UN JURY COMPOSEacute DE

M Robert Hausler directeur de meacutemoire Deacutepartement d e geacutenie de la construction agrave lEacutecole d e technologie supeacuterieur e

M Mathias Glau s Deacutepartement d e geacutenie de la construction agrave lEacutecole d e technologie supeacuterieur e

M Frederick Mouette preacutesident d u jury Deacutepartement d e geacutenie de la constmction agrave lEacutecole d e technologie supeacuterieur e

IL A FAIT OBJET DUNE SOUTENANC E DEVAN T JURY E T PUBLIC

MONTREacuteAL LE 1 5 AVRIL 2010

Agrave LEacuteCOLE D E TECHNOLOGIE SUPEacuteRIEUR E

REMERCIEMENTS

Je tiens tout dabor d agrave remercier le s socieacuteteacutes Alcan Inc Mitta l Canad a Inc St-Lauren t Inc

et Ciment Queacutebe c Inc qui nous ont fournie s respectivemen t le s boues rouges les scories les

cendres volantes et les poussiegraveres des fours des cimenteries

Un gran d merc i a u professeu r e t directeu r d e recherch e Rober t Hausle r pou r so n

encadrement se s conseils et ses encouragements

Des remerciement s particulier s sadressen t agrave Madam e Daniell e Bonenfan t e t agrave Monsieu r

Mourad Kharoun e pou r leu r expertis e dan s l e domain e d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s

reacutesidus industriel s e t toute leacutequip e d e la STEPPE-EacuteTS (Statio n Expeacuterimental e de s Proceacutedeacute s

Pilotes en Environnement) pour toute laide fournie

Enfin j e deacutedi e c e meacutemoir e agrave ma famille agrave mes deu x filles Fabienn e e t Oceacuteann e qu i mon t

supporteacute tou t a u lon g d e ce s derniegravere s anneacutee s e t agrave mo n eacutepous e Aid a qu i agrave s u s i bie n

soccuper d e ces trois enfants mo i inclus

EacuteVALUATION D U POTENTIEL D E LA SEacuteQUESTRATION MINEacuteRAL E D U CO2 PAR DES REacuteSIDUS E T SOUS-PRODUITS INDUSTRIEL S Agrave POUVOIR ALCALIN S

Shkelzen BEQIR I

REacuteSUMEacute

De no s jours le s activiteacute s industrielle s de s alumineries de s acieacuteries e t de s cimenterie s produisent de s quantiteacute s tregrave s importante s d e reacutesidu s e t de sous-produit s alcalins Un e parti e de ce s sous-produit s es t utiliseacute e dan s dautre s domaine s tel s qu e la constructio n e t lhydromeacutetallurgie mai s de s million s d e tonne s son t stockeacutee s su r de s terrains preacutesentan t ainsi u n risque pour lenvironnement Ce s reacutesidus peuvent ecirctr e utiliseacutes par ces industries afi n de seacutequestre r l e CO2 I l exist e plusieur s technique s d e seacutequestratio n d u CO2 C e meacutemoir e aura pour but deacutetudie r le s possibiliteacutes de seacutequestration d u CO2 par des reacutesidus alcalins issu s dun larg e spectre dactiviteacutes industrielles

Des essai s dadsorptio n d u CO 2 d e 2 4 e t 4 8 heure s e n cuveacute e on t eacutet eacute reacutealiseacute s su r de s eacutechantillons d e boue s rouge s humide s e t segraveches de s scorie s FP FAEacute H F e t des poussiegravere s de fou r e t cendre s volante s d e cimenteries Tou s le s essai s ont eacutet eacute reacutealiseacute s dan s de s conditions opeacuteratoires ambiantes (tempeacuterature 20-22degC pression atmospheacuterique ambiante)

Des test s d e p H e t conductivit eacute on t eacutet eacute effectueacute su r tous le s eacutechantillons afi n deacutetudie r leur s eacutevolutions lor s les deux seacuteries dessais

Les reacutesultat s obtenu s lor s le s essai s d e 2 4 heures on t deacutemontr eacute qu e troi s reacutesidu s alcalin s s e sont deacutemarqueacutes pa r leur s hauts potentiels de seacutequestration d u CO2 bull le s scories HF 65 kg de C02t de scories bull le s scories FP 59 kg de C02t de scories bull le s poussiegraveres de fours d e cimenteries (CKD) 47 kg de C02t de CKD

En revanche le s reacutesultat s obtenu s lor s le s essais d e 48 heure s ont deacutemontr eacute qu e le s mecircme s reacutesidus alcalin s permettraien t un e seacutequestratio n plu s important e d u CO 2 selo n le s performances suivante s bull le s scories FP 107 kg de C02t de scories bull le s scories HF 84 kg de C02t de scories bull le s poussiegraveres de fours de cimenteries (CKD) 79 kg de C02t de CKD

Mots-cleacutes seacutequestration CO2 boue s rouges scories CKD cendre s volante s de s cimenteries

EVALUATION O F TECHNICAL POTENTIA L O F THE CO2 MINERAL SEQUESTRATION B Y ALCALINE INDUSTRIA L WASTE S

Shkelzen BEQIR I

ABSTRACT

Nowadays th e industria l activitie s ofaluminum steel an d ceacutemen t produc e large quantifie s o f alkali s residues A par t o f thegraves e residue s ar e use d i n othe r area s suc h a s construction an d hydrometallurgy bu t million s o f ton s ar e stored i n area s posin g a risk t o environment Thegraves e residue s ca n b e use d b y thegraves e industrie s t o sequeste r th e CO2 Severa l techniques o f CO 2 seacutequestratio n exist The purpos e o f thi s master s thesi s i s t o explor e th e possibilities o f CO 2 seacutequestratio n b y alkalis residue s fro m a wid e spectru m o f industrial activities

The batch absorptio n o f CO2 of 24 and 48 hours CO2 absorption batc h test s were performe d on sample s of we t an d dr y re d niud electri c ar c fumac e (EAF) Poch e fumac e (PF) blas t fumace (BF ) slags cernen t kil n dus t an d fly ash Ail test s ar e performe d i n environment operating condition s (tempeacuteratur e 20-22deg C ambient atmospheri c pressure) Tests o f p H and conductivity wer e performe d o n ai l sample s to stud y thei r eacutevolutio n i n the tw o set s o f tests

The results obtained durin g testing were 24 hours demonstrated tha t three residues alkal i ar e separated by high potential fo r CO2 seacutequestration bull Sla g BF 65 kg CO2 1 slag bull Sla g PF 59 kg CO2 1 slag bull Th e ceacutement kiln dus t (CKD) 47 kg of CO2 per tonne of CKD

However th e result s obtaine d durin g testin g o f 4 8 hours showe d tha t th e sam e alkali s residues allow a greater seacutequestration of CO2 by following performances bull Sla g PF 10 7 kg C 0 2 t slag bull S lagBF84kgC02 t s lag bull Th e dust ceacutements kiln dus t (CKD) 79 kg of CO2 per tonne of CKD

Keywords seacutequestration CO2 red mud stee l slags CKD fly ash

TABLE DES MATIEgraveRE S

Page

INTRODUCTION 1

CHAPITRE 1 REVU E D E LA LITTEacuteRATURE 7 11 Probleacutematiqu e d u CO2 7

111 L a chimie du CO2 8 112 Cycl e du carbone 9

12 Technologie s de capture et de seacutequestrafion d u CO2 1 3 121 Technologie s de capture du CO2 1 3 122 Technologie s de seacutequestration d u CO2 1 4

13 Seacutequestratio n d u C02par de s mateacuteriaux alcalin s 2 0 131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriau x alcalin s les fondements 2 0 132 Effe t de s variables sur la carbonatation 3 1 133 Cineacutetiqu e dadsorption d u CO2 3 3 134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s 3 8

CHAPITRE 2 MATEacuteRIE L E T MEacuteTHODES 4 1 21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacutes 4 1

211 Boue s rouges des aluminerie s 4 1 212 Scorie s des acieacuteries 4 3 213 Poussiegravere s de four de s cimenteries 4 6 214 Cendre s volantes 4 6

22 Meacutethode s expeacuterimentales 4 7 221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacutes 4 7 222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductiviteacute 4 7 223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin 4 8 224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestratio n

du CO2 en cuveacutee 4 9 225 Meacutethode s analytiques 5 1

CHAPITRE 3 REacuteSULTAT S E T DISCUSSIONS 5 2 31 Eacutevolufio n d u pH et de la conductiviteacute 5 2

311 Essai s de 48 heures 5 2 312 Essai s de 24 heures 5 9

32 Deacuteterminafio n d u pouvoir alcalin 6 0 33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorpfion e t de seacutequestratio n

du CO2 en solution aqueuse 6 1 331 Essai s de 48 heures 6 1 332 Essai s de 24 heures 6 3

34 Cineacutefiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP 6 5

VII

CHAPITRE 4 DISCUSSIO N GEacuteNEacuteRAL E 7 1 41 Inteacutegrafio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests 7 1

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lors des essais de 24 et 48 heures 7 1

412 Impac t du pouvoir alcalin et de la cineacutefique d e ladsorpfio n du CO2 sur la seacutequestration d u CO2 7 3

42 Impac t environnemental d e la seacutequestrafion d u CO2 7 8 43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins

perspectives d e lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e 7 9

CONCLUSIONS 8 3

ANNEXE I SCHEacuteM A D E FABRICATION D E LALUMINIUM 8 8

ANNEXE I I SCHEacuteM A D E FABRICATION D E LACIER 8 9

ANNEXE II I SCHEacuteM A D E FABRICATION D U CIMENT 9 0

ANNEXE I V REacuteSULTAT S COMPLET S DE S ESSAIS DE 48 HEURES EN CUVEacuteE 9 1

ANNEXE V REacuteSULTAT S COMPLET S DE S ESSAIS DE

24 HEURES EN CUVEacuteE 9 7

ANNEXE V I REacuteSULTAT S DE S TITRAGES DE S REacuteSIDUS ALCALINS 10 2

ANNEXE VII RESULTAT S D E LEacuteTUDE D E LA CINEacuteTIQU E DE LADSORPTION D U CO2 EN SOLUTION PA R

SCORIES FP NON-PREacuteLIXIVIEacuteES 10 6

ANNEXE Vll l MONTAG E DE S ESSAIS EN CUVEacuteE 10 7

LISTE DE REacuteFEacuteRENCES BIBLIOGRAPHIQUE S 10 8

LISTE DES TABLEAU X

Page

Tableau 1 1 Proprieacuteteacute s physico-chimiques d u CO2 9

Tableau 1 2 Teneu r en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins 2 2

Tableau 1 3 Compositio n chimique moyenne des boues rouges 2 5

Tableau 1 4 Composifio n chimiqu e moyenne des scories 2 6

Tableau 1 5 Composifio n chimiqu e moyenne des CKD 2 7

Tableau 1 6 Compositio n chimique des cendres volantes 2 8

Tableau 21 Compositio n chimiqu e moyenne des boues rouges humides et segraveches 4 2

Tableau 2 2 Paramegravetre s dexpeacuterimentation 4 8

Tableau 23 Meacutethode s analytiques appliqueacutees 5 1

Tableau 3 1 Valeur s des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacutes 5 3

Tableau 3 2 Le s valeurs des conducfiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacutes 5 5

Tableau 33 Reacuteserve s alcalines des huit reacutesidus 5 9

Tableau 41 Reacuteserve s alcalines et potentiel d e seacutequestratio n des reacutesidus alcalins 7 6

Tableau 42 Reacutesum eacute des reacutesultats seacutequestration d u CO2 obtenus par dautres eacutetude s 7 7

Tableau 43 Reacutesum eacute des eacutemissions par les trois industries e t les baisses respectives de leurs eacutemissions suite agrave la seacutequestration du CO2 par leurs reacutesidus alcalins 7 9

LISTE DES FIGURE S

Page

Figure 1 1 Reacutepartitio n pa r activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004 7

Figure 1 2 Cycl e du carbone organique 1 2

Figure 1 3 Cycl e du carbone inorganique 1 2

Figure 1 4 Seacutequestratio n d u CO2 par carbonatafion mineacuteral e 2 3

Figure 21 Photo s des boues rouges humides et segraveches 4 2

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP 4 3

Figure 23 Phot o des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD) 4 5

Figure 24 Phot o des cendres volantes 4 6

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee 5 0

Figure 3 1 Eacutevolufio n d u pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) etnon-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 48 heures 5 4

Figure 32 Eacutevolufio n d e la conducfiviteacute de s huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 6

Figure 33 Eacutevolutio n du pH des six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) et non-preacutelixivieacute s (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 7

Figure 34 Eacutevolutio n de la conducfiviteacute de s six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 8

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FAE FP et HF en fonction d u volume dacide ajout eacute 5 9

X

Figure 3 6 Courbe s de titrage des CKD Cl e t C2 en foncfio n du volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 3 7 Courbe s de titrage des boues rouges segraveches et humides en foncfion d u volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 38 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 8 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (A) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 48 heures 6 2

Figure 39 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 6 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (C) et preacutelixivieacutes (D) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 24 heures 6 4

Figure 310 Eacutevolufio n d u pH des scories FP filtreacutees e t non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 6

Figure 311 Eacutevolutio n de la conductiviteacute des scories FP filtreacutees et non filtreacutes en fonction d u temps de barbotag e au CO2 6 7

Figure 312 Eacutevolutio n du pouvoir de seacutequestration d u carbone de scories FP filtreacutees et non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 8

Figure 313 Vitess e dadsorption d u CO2 en foncfion d u temps par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes et non filtreacutes 6 9

Figure 41 Deacuteveloppemen t durabl e et la seacutequestration d u CO2 8 1

LISTE DE S ABREacuteVIATIONS SIGLES ET ACRONYME S

AIE

AMPERE

CKD

EacuteTS

FAEacute

FHWA

FP

Agence internationale d e leacutenergi e

Commission pou r lAnalyse de s Modi Redeacuteploiement de s Eacutenergies

Cernent kiln dus t

Ecole de technologie supeacuterieur e

Four agrave arc eacutelectriqu e

The Feacutedeacuteral Highway Administratio n

Four Poch e

GES Ga z agrave effet d e serre

GIEC Group e dexpert s intergouvemementau x su r leacutevolution d u climat

HF Hau t fournea u

ICP-AES Inductivel y Couple d Plasma-Atomi c Emissio n Spectrometr y

MEA Mon o eacutethylamin e

PSA Pressur e Swin g Adsorptio n

STEPPE Statio n Expeacuterimental e des Proceacutedeacutes Pilotes en Environnemen t

TSA Therma l Swin g Adsorptio n

LISTE DES SYMBOLES ET UNITEacuteS DE MESURES

m

kg Mt

Gt

t

degC

Pa

atm

S

min

ppm

gmol

L

Ka

Ma

kJ

pH

rpm

trmin

IN

megravetre

kilogramme

Million de tonnes

Milliard d e tonnes

tonne

degreacute Celsiu s

pascal

atmosphegravere

Siemens

minute

parties par million par volume

grammes par mol

Litre

milliers danneacutees

millions danneacutees

kilo joules

potentiel hydrogegraven e

rotations par minute

tours par minute

1 X Normale

INTRODUCTION

Probleacutematique impact de s activiteacutes industrielle s

Lactiviteacute industriell e mondial e augment e san s cess e anneacute e apregrave s anneacutee L e bie n ecirctr e de s

millions d e personne s partou t dan s l e mond e e n deacutepend Toutefois lindustri e n a pa s creacute eacute

seulement d e l a richesse ell e a engendr eacute auss i plusieur s problegraveme s environnementaux U n

des problegraveme s environnementau x es t leacutemissio n de s ga z agrave effe t d e serr e (GES) I l exist e

plusieurs GES L e dioxyd e d e carbon e (CO2) l e meacutethan e (CH4) l e protoxyd e dazot e o u

loxyde nitreu x (N2O) lozon e (O3) le s chlorofluorocarbone s (CFC) le s hydrocarbure s

halogegravenes (HFC PFC) lhexafluomr e d e soufr e (SFOcirc ) son t le s principau x GE S (GIEC

2007)

Ces gaz don t l e dioxyd e d e carbon e (CO2) jouent u n rocircl e majeu r dan s l a reacutegulatio n d e l a

tempeacuterature terrestre ca r il s laissen t passe r le s radiafion s solaires mai s absorben t certaine s

radiations infrarouge s (chaleur ) eacutemise s pa r l a surfac e chaud e d e l a Terr e c e qu i fa h

augmenter l a tempeacuteratur e d e latmosphegravere L e dioxyd e d e carbone avec un e dureacute e d e vi e

exceacutedant 12 0 an s e t un e contributio n pou r enviro n 5 5 d u reacutechauffemen t planeacutetaire s e

trouve e n tecirct e de s ga z agrave effe t d e serr e (Coolin g et al 2006) Entr e 197 0 e t 2004 le s rejet s

annuels d e CO2 l e principa l ga z agrave effe t d e serr e anthropique son t passeacute s d e 2 1 agrave 3 8

gigatonnes (Gt) soi t un e augmentatio n denviro n 8 0 Ce s rejet s repreacutesentaien t 7 7 de s

eacutemissions totale s d e GE S anthropique s e n 200 4 (GIEC 2007) L e Group e dexpert s

intergouvemementaux su r leacutevolution d u climat (GIEC 2007) estime que l a teneur moyenn e

en CO 2 dan s latmosphegraver e a augment eacute plu s d e 30 depui s l e deacutebu t d e legraver e industrielle

passant d e 28 0 ppm v agrave 37 9 ppmv D e plus lAgenc e intemational e d e leacutenergi e (AIE )

constate qu e le s eacutemission s d e dioxyd e d e carbon e lieacutee s au x activiteacute s humaine s devraien t

atteindre 4 3 G t pa r a n dic i 2030 soi t un e augmentatio n d e 6 0 (Gielen 2008) Ce s

augmentations pourraien t provoque r l a hausse de l a tempeacuterature d e l a surface d e la Terre e n

moyenne entr e 14deg C a u minimu m e t 4deg C a u maximu m su r l a peacuteriod e d e 199 0 agrave 210 0

(GEIC 2007)

Selon Environnemen t Canad a (2007) ce s augmentation s d e tempeacuterature s peuven t ecirctr e agrave

lorigine de s fonte s de s glaces d e laugmentatio n de s catastrophe s naturelle s e t d e l a

disparition d e plusieurs espegraveces animales et veacutegeacutetales

Contexte eacuteconomico-politiqu e

Les activiteacute s de s alumineries de s acieacuterie s e t de s cimenterie s produisen t chaqu e anneacute e de s

millions d e tonne s d e reacutesidu s alcalin s e t eacutemetten t dan s latmosphegraver e de s quantiteacute s

consideacuterables d e CO 2 L e tablea u ci-dessou s lillustr e le s eacutemission s d u CO 2 par le s troi s

industries

Type dindustri e

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Eacutemissions du CO2 (en Gt)

015

L7

18

Quantiteacutes de reacutesidus alcalins (en Mt)

90

350-420

480 (30 MT de CKD + 450MT de cendres

volantes de tout genre )

Sources

Institut Intemafional d e

laluminium (2008) Kumar eacutetal (2006 )

Miclos (2000) Gielen (2008)

Eloneva (2008) Konsta-Gdoutos et Shah (2003) Kumar et al

(2005)

Illustration de s eacutemissions d e CO2 et les quantiteacutes des reacutesidus alcalins produit s au niveau mondia l pa r les trois industries

Les eacutemission s d e CO 2 augmentent danneacute e e n anneacute e malgr eacute le s effort s de s entreprise s agrave le s

reacuteduire Pourtant l e protocole du Kyoto (1997) a fixeacute des objectifs d e reacuteduction d e GES pour

tous le s pay s signataires L e protocol e d u Kyot o a fixeacute a u Canad a agrave reacuteduir e d e 6 se s

eacutemissions d e GE S entr e 200 8 e t 201 2 pa r rappor t agrave lanneacute e 199 0 (Environnemen t Canada

2007)

Les quinz e pay s signataire s d e lUnio n Europeacuteenn e on t deacutej agrave attein t lobjecfi f d e 8

reacuteduction d e GES fixeacute pa r Kyoto (AEacuteE 2009) Des pays tels que la France LAllemagne l a

Gregravece l a Suegraved e l e Royaume Un i ont mecircme deacutejagrave attein t u n niveau infeacuterieu r agrave leur objectif d e

Kyoto Le s projection s reacutealiseacutee s pa r lAgenc e Europeacuteenn e pou r lEnvironnemen t (AEacuteE )

deacutemontrent qu e le s politique s climatique s e n vigueu r agrave lheur e actuell e permettron t d e fair e

une reacuteductio n suppleacutementair e d e 3 5 dic i 201 2 gracircc e agrave lacha t d e creacutedit s issu s d e projet s

de reacuteductio n de s eacutemission s meneacute s dan s le s pays tier s (AEacuteE 2009) L e Canad a e t le s Eacutetat s

Unis au contraire ont augmenteacute plus du double leurs eacutemissions de GES

Lameacutelioration d e lefficacit eacute leacutenergeacutetiqu e e t lutilisafio n d e source s alternative s deacutenergi e

pourraient reacuteduir e le s eacutemissions d e CO2 mais ces mesures seron t insuffisante s pou r atteindr e

les objectifs d e Kyoto ca r l a demande mondial e e n matiegravere premiegraver e augment e agrave un rythm e

soutenu Le s besoin s e n acie r e t e n aluminiu m connaicirctron t un e croissanc e d e 3 0 e t 60

par deacutecennie e t lInde estimen t Kuma r et al (2006) Kharoune (2006) ce qui rend neacutecessair e

la recherche d e nouvelle s technologie s d e seacutequestration d u CO2 De plus l a Chine e t lInd e

connaicirctront de s croissance s d e 8 0 agrave 100 pa r deacutecenni e dan s le s mecircme s domaines

Lindustrie d e lacier d e la Chine rejette 5 0 des eacutemissions mondiales du CO2 Dailleurs il

est agrave noter qu e le s eacutemissions d u CO2 par lindustri e d e production d e laluminiu m eacutetaien t d e

96 Mt en 199 0 au niveau mondia l e t elles ont eacuteteacute reacuteduites agrave moins de 25 Mt de CO2 en 2007

une reacuteductio n d e 7 4 alor s qu e l a productio n daluminiu m a doubl eacute pendan t l a mecircm e

peacuteriode d e 19 5 agrave 38 M t (GEIC 2006) Entre 199 0 et 2002 le secteur canadie n d u ciment a

ameacutelioreacute l e rendemen t d e se s four s d e 1 2 e t diminueacute se s eacutemission s d e GE S pa r tonne d e

produits cimentaire s d e 71 En chiffres absolus l a production total e nett e deacutemission s d e

CO2 a augmenteacute d e 23 de 199 0 agrave 2004 Toutefois l a production d e ciment a augmenteacute de

25 a u cour s d e cett e peacuteriode c e qu i expliqu e e n grand e parti e laccroissemen t de s

eacutemissions (Environnemen t Canada 2007) Dan s le s anneacutee s 1950 l a productio n mondial e

dacier eacutetai t denviro n 20 0 millio n d e tormes meacutetriques E n 2006 l e chiffr e seacutelevai t agrave 124 0

Mt dacier

Le Japo n fai t un e bonn e figure dan s l e cadr e d e reacuteduction s d e GES So n industri e dacie r a

reacuteduit d e 6 s a consommatio n deacutenergi e e n 200 5 pa r rappor t a u nivea u d e 199 0 (GEIC

2006) Le s entreprise s eacutemettrice s d e CO 2 doiven t fair e preuv e d e plu s dinnovation s e t d e

recherches technologique s dan s c e sens Louvertur e d e l a bours e d e carbon e depui s ma i

2008 agrave Montreacutea l leu r perme t deacutechange r leur s creacutedit s deacutemissio n d e GE S e t d e s e voi r

reacutecompenseacutees pour leurs efforts

Technique d e reacuteduction de s eacutemissions d e CO2 proposeacutee

Plusieurs proceacutedeacute s son t utiliseacute s pou r limite r le s eacutemission s atmospheacuterique s d e CO 2 qu i

agissent principalemen t su r l a captur e e t l a seacutequestrafio n d e c e gaz Alor s qu e le s proceacutedeacute s

membranaires e t dabsorption son t utiliseacutes pour l e captage d u CO2 le stockage e n reacuteservoir s

geacuteologiques o u miniers e n aquifegravere s salin s o u encor e pa r enfouissemen t oceacuteaniqu e son t

utiliseacutes pour l a seacutequestration (Bonenfan t et al 2006)

Lutilisation de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s issu s de s activiteacute s industrielle s telle s qu e

les alumineries le s acieacuterie s e t le s cimenterie s offren t d e nouvelle s possibihteacute s s e

seacutequestrafion d u CO2 Cett e technologi e es t baseacute e su r u n pheacutenomegraven e chimiqu e simpl e la

formation d e carbonate s stable s suite agrave labsorptio n d u CO 2 par de s composeacute s alcalin s tel s

que le s oxydes de calcium (CaO ) e t de magneacutesium (MgO) Lideacutee dutilise r le s reacutesidus e t les

sous-produits alcalin s afin d e seacutequestrer l e CO2 a eacuteteacute lanceacutee pour l a premiegravere foi s par Seifrit z

(1990) et a eacuteteacute eacutetudieacute en en profondeur pa r Lackner (1995)

La reacuteductio n de s eacutemission s d e CO 2 agrave l a sourc e sinscri t dan s l e cadr e du n processu s d e

gestion durabl e de s matiegravere s reacutesiduelle s e t preacutesent e u n inteacuterecirc t eacuteconomiqu e manifeste Agrave cet

effet l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuteral e e n milieu x aqueu x preacutesent e un e

alternative tregrave s inteacuteressant e (Huijge n et al 200 5 Bonenfan t et al 2006) 1 1 sagit du n

processus nature l menan t agrave l a formatio n de s carbonates produit s thermodynamiquemen t

stables et sans effet neacutefast e su r lenvironnement (Boenfan t et al 2006)

Les mateacuteriau x employeacute s dan s ce s eacutetude s son t de s sou s produit s e t reacutesidu s industriel s agrave

pouvoir alcali n tel s qu e le s scorie s de s acieacuteries le s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s

cendres volante s e t poussiegravere s de s four s de s cimenteries Cett e technologi e pren d un e

importance particuliegraver e s i o n parl e e n terme s d e quantiteacute s de s reacutesidu s produit s pa r ce s troi s

industries (voi r tableau 11 page 6) et qui peuvent ecirctr e utiliseacutes afin d e seacutequestrer l e CO2

En fait le s technologie s existante s d e seacutequestratio n d u CO2 agrave l a diffeacuterenc e d e l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s industriel s alcalins preacutesenten t de s coucirct s eacuteleveacute s d e 5 0 agrave

100 $ par tonn e d e CO 2 seacutequestreacute (Bonenfan t et al 2006 Eloneva 2008) Ces coucirct s eacuteleveacute s

empecircchent leu r application agrave grande eacutechelle

Objectifs d e leacutetud e

Le bu t d u preacutesen t travai l consist e agrave deacuteterminer expeacuterimentalemen t le s meilleurs pouvoirs d e

seacutequestration d u CO 2 pa r le s reacutesidu s e t le s sous-produit s industriel s alcalin s dan s de s

conditions ambiante s dutilisatio n tempeacuterature t = 20degC temps T= 2 4 et 48 heures pression

atmospheacuterique ambiante granulomeacutetrie industrielle)

De cet objectif deacutecoulen t le s sous-objectifs speacutecifique s suivant s

bull deacutetermine r le s critegraveres dutilisation de s mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r leffe t d u pH de la conducfiviteacute e t du pouvoir alcalin des reacutesidus en milieux

aqueux su r la capaciteacute de seacutequestration d u CO2 par les mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r F effet d e la preacutelixiviation de s reacutesidus sur leurs capaciteacutes de seacutequestratio n

du CO2

Pour c e faire de s essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute meneacute s su r troi s type s d e scorie s (HF FP FAEacute)

deux type s d e boue s rouge s (humide s e t segraveches) deu x type s d e reacutesidu s d e cimenterie s

(poussiegraveres de fours e t cendres volantes)

Le preacutesent meacutemoire es t organiseacute comme sui t

Le Chapitr e 1 preacutesent e le s notion s fondamentale s d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO2

Apregraves avoi r list eacute le s plu s grand s eacutemetteur s de s ga z agrave effet s d e serr e nou s feron s l a lumiegraver e

sur le s caracteacuteristique s chimique s d u CO 2 e t le s technologie s existante s d e l a seacutequestratio n

mineacuterale d u CO 2 par le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalins L e Chapitre 2 aborde l a

meacutethodologie de caracteacuterisation de s reacutesidus alcalins Dans cette partie nous nous pencheron t

sur le s critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacutes l a faccedilo n don t le s

paramegravetres e t le s condition s dexpeacuterimentation s son t eacutetabli s e t su r l a meacutethod e danalys e

choisie L e Chapitr e 3 preacutesent e le s reacutesultat s obtenu s lor s de s essais L e Chapitr e 4 a pou r

objectif dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s obtenu s dan s l e cadr e d e cett e

eacutetude Enfin un e conclusion complegravete l e meacutemoire

CHAPITRE 1

REVUE DE LA LITTEacuteRATURE

11 Probleacutematiqu e du CO2

Les activiteacute s humaine s eacutemetten t de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e GE S don t l e CO 2 L a deacuteforestation e t lindustrie de leacutenergie sont les principaux responsables (voir figure 11) Les rejets mondiaux en 2007 suite agrave la deacuteforestafion son t denviron 8 4 Gt de CO2 sur une totale de 38 Gt de CO2 eacutemis dans latmosphegravere La Terre absorbait environ 1 1 Gt de CO2 en 2007 On retrouve un suppleacutement dans latmosphegravere de 27 Gt selon le GIEC (2007)

Les eacutetude s qu i traiten t l e reacutechauffemen t globa l d ucirc au x eacutemission s d e CO 2 pa r lactivit eacute humaine sont tregraves nombreuses Leffet d e serre est un pheacutenomegravene normal et neacutecessaire agrave la vie su r terre C e pheacutenomegraven e s e produi t pa r laccumulatio n de s ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere 1 1 perme t d e mainteni r un e tempeacuterature moyerm e agrave la surface d e l a terre de +18degC (GIEC 2001) San s leffe t d e serr e l a tempeacuterature moyenn e d e l a terre serai t d e -15degC

Deacutef 0 r estatio n et suite s

Proceacutedeacutes industriels

2sltyo ^

r 7 Bacirctiments

reacutesidentiels e t comnterciaux

9ltyo

Industr ies d e leacutenergie

27lty o

) ~ Transpor t

1 7

Figure 11 Reacutepartition par activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004

Tireacute de GIEC (2007)

Pour mieu x comprendr e l a probleacutematiqu e d u reacutechauffemen t planeacutetaire i l import e d e bie n

connaicirctre le s caracteacuteristique s chimique s e t l e cycl e d u CO2 Le s page s qu i suiven t s e

proposent d e faire l a lumiegravere sur le sujet

111 L a chimi e du CO 2

Le dioxyd e d e carbon e a eacutet eacute identifi eacute pou r l a premiegraver e foi s dan s le s anneacutee s 175 0 pa r l e

physicien e t chimist e eacutecossai s Josep h Blac k (Villiers 2009) A tempeacuteratur e ambiant e (20 -

25C) l e dioxyd e d e carbon e es t u n ga z san s couleu r n i odeur qu i es t faiblemen t acid e e t

inflammable I l es t preacutesen t dan s latmosphegraver e dan s un e proportio n approximativemen t eacutegal e

agrave 00375 en volume soi t 375 ppmv (Bourque 2009)

La formul e moleacuteculair e d u dioxyd e d e carbon e es t l e CO2 Cett e moleacutecul e lineacuteair e es t

triatomique composeacute e du n atom e d e carbon e qu i es t reli eacute pa r doubl e liaiso n agrave deux atome s

doxygegravene 0=C=0 Le s atomes doxygegravenes dan s cett e formul e son t seacutepareacute s agrave des angles de

180 deg et son t lieacute s agrave latom e d e carbon e pa r de s liaison s covalente s qu i l a ren d no n polair e

selon Sienk o (1965) Dissou t dan s leau i l form e d e lacid e carboniqu e qu i peu t interagi r

avec de s composeacute s alcalin s tel s le s oxyde s meacutetallique s d e calciu m e t d e magneacutesiu m e t le s

zeacuteolites (Sienko 1965 Auroux et Gervasini 1990)

CO2 + H2 O - ^ H2CO 3 (11 )

Dans leau d e maniegravere reacuteversible lacid e carboniqu e reacuteagi t ave c lea u pou r forme r l e catio n

hydronium HsO^ et lion bicarbonate HCO suivant l a reacuteaction suivant e

H2CO3 + H2 O - ^ HCOs + HsO ^ (12 )

Il peu t seulemen t ecirctr e solid e agrave une tempeacuteratur e infeacuterieur e agrave -78degC L e dioxyd e d e carbon e

liquide existe principalement quan d i l est dissout dans leau

Le dioxyd e d e carbon e es t seulemen t solubl e dan s lea u lorsqu e la pressio n dinjectio n es t

maintenue Les proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2 sont deacutecrites au Tableau 11

Tableaull Le s proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2

Tireacute de Goj et al (2002) Tardat-Hemy e t Beaudry (1984 )

Proprieacuteteacute Masse molair e

Graviteacute speacutecifiqu e agrave 21C Densiteacute critiqu e

Concentration dan s lai r Stabiliteacute Liquide Solide

Constante dHenry d e solubilit eacute Solubiliteacute dans leau agrave agrave 20 degC

Valeur 4401

153 agrave21 468

3703 10 Eleveacutee

Pression lt 4158 Tempeacuterature

29815 09

Uniteacute gmol

-kgm ppm

-kPa

lt -78 degC mol kg bar

volvol

Ces proprieacuteteacutes permetten t a u CO2 de capter le s rayons infr a rouge s provenan t d e la Terre de

lemmagasiner e t passe r agrave u n nivea u deacutenergi e supeacuterieur Lexceacuteden t deacutenergi e es t libeacuter eacute

apregraves dans latmosphegravere causan t ains i leffe t d e serre (GIEC 1990)

112 Cycl e du carbon e

Le carbone es t un eacuteleacutement essenfie l agrave la vie Le carbone sui t u n certain itineacuterair e su r la terre

qui es t appeleacute cycl e du carbone L e cycle du carbone se compose en deux parties le cycle du

carbone organiqu e e t celui d u carbon e inorganique Cett e seacuteparatio n (Bourque 2009 ) es t

artificielle car en reacutealiteacute ces deux cycles se reacutealisent en mecircme temps

Le cycle du carbone es t baseacute sur le dioxyde de carbone (CO2) qui peut ecirctre foumi agrave lair sou s

forme d e ga z e t agrave lea u sou s form e dissoute Le s plante s terrestre s utilisen t l e dioxyd e d e

carbone d e latmosphegraver e pou r creacutee r leur s propre s source s deacutenergi e e t pou r assure r leu r

croissance

10

Lors le processus naturel appeleacute l a photosynthegravese le s plantes libegraveren t de loxygegravene essentie l

agrave l a vie animale Ces t gracircc e agrave l a chlorophyll e qu e le s plantes e t certaine s bacteacuterie s peuven t

effectuer la photosynthegravese

La reacuteaction totale de la photosynthegravese est

6CO2 + 6H2O + Eacutenergie solaire -gt COcircH^O Ocirc + 6O2 (13 )

Les animau x qu i consommen t loxygegraven e libeacuter eacute pa r le s plante s sappellen t de s

consommateurs Ce s dernier s relacircchen t l e dioxyd e d e carbon e dan s latmosphegraver e duran t l e

processus d e l a respirafion L a respiratio n es t linvers e d e la photosynthegravese Agrave parti r d e

loxygegravene libr e O2 elle transforme tout e mafiegravere organiqu e en CO2 selon leacutequatio n chimiqu e

suivante

C6H12O6 + 6 O2 gt 6 CO2 + 6 H2O (14 )

La deacutecompositio n aeacuterobi e e t l a fermentatio n permetten t au x microorganisme s d e libeacutere r l e

CO2 dans latmosphegravere Toutefois l e carbone peu t auss i ecirctr e stock eacute sou s forme d e biomass e

dans le s racine s de s arbre s e t dautre s matiegravere s organique s duran t de s anneacutees Lorsqu e le s

couches d e seacutediment s compressen t cett e matiegravere de s combustible s fossile s seron t formeacutes

apregraves plusieur s siegravecles De s proceacutedeacute s geacuteologique s agrave long term e pourron t expose r l e carbon e

de ce s combustible s agrave lai r apregrave s un e longu e peacuteriode mai s habituellemen t l e carbon e de s

combustibles fossile s es t relacircch eacute lor s d e proceacuted eacute d e combustio n reacutealis eacute pa r lhomm e

(Bourque 2009) Bie n qu e l a combustio n de s combustible s fossile s ajout e d u dioxyd e d e

carbone agrave lair certai n dentr e eu x son t auss i relacircch eacute lor s d e proceacutedeacute s naturels te l qu e le s

eacuteruptions volcaniques Dan s leacutecosystegravem e aquatique l e dioxyde d e carbon e peu t ecirctr e stock eacute

dans le s roche s e t le s seacutediments I l prendra u n lon g temp s avan t qu e l e dioxyd e d e carbon e

soit relacircch eacute pa r l a deacutesagreacutegatio n de s roche s o u de s processu s geacuteologique s qu i apporten t le s

seacutediments agrave la surface d e leau (Bourque 2009)

11

Le dioxyd e d e carbon e stock eacute dan s lea u ser a preacutesen t agrave l a foi s comm e ion s carbonate s o u

bicarbonates Ce s ions fomient un e partie importante des tampons naturel s qui empecircche lea u

de deveni r tro p acid e o u tro p basique Lorsqu e l e solei l chauff e leau le s ion s carbonate s e t

bicarbonates retourneron t dan s latmosphegravere sou s forme d e dioxyde de carbone (Falkowsk i et

al 1998 Huntzinger 2009)

En 2003 Yamasak i estimai t agrave 1 4 G t l a quantiteacute d e carbone captur eacute d e latmosphegraver e pa r le s

systegravemes terrestre s agrave laid e d e l a photosynthegravese Selo n ce t auteur loceacutea n emmagasin e plu s

de carbon e qu e l a veacutegeacutetafio n terrestre soi t 3 8 000 Gt L e phytoplancto n emmagasin e 5 0 agrave

100 G t d e carbon e qu i soi t un e quantit eacute beaucou p plu s important e qu e cell e emmagasineacute e

par la veacutegeacutetation terrestre

Les figure s 1 2 e t 1 3 montren t qu e l e gran d reacuteservoi r d e carbon e es t constitu eacute

principalement pa r le s roche s seacutedimentaires Loceacutea n repreacutesent e auss i u n autr e grand

reacuteservoir surtou t agrave de s profondeur s supeacuterieure s agrave 10 0 m L e seacutejou r d u carbon e dan s le s

reacuteservoirs deacutepend du type de reacuteservoir ougrave il se trouve

Le seacutejou r d u CO 2 est d e quatr e an s dan s latmosphegravere d e 1 1 ans dan s l a biosphegravere d e 38 5

ans dan s lhydrosphegraver e superficiell e (oceacutean d e 0 agrave 10 0 m) d e plu s d e 10 0 K a (millier s

danneacutees) dan s loceacutean profon d e t de quelques 200 Ma (millions danneacutees) dan s la lithosphegraver e

(Bourque 2009) Le cycl e d u carbone es t composeacute d e plusieurs sous-cycle s qu i duren t d e l a

deacutecennie (l e recyclag e d u CO 2 pa r le s plantes ) au x centaine s d e million s danneacutee s (l e

recyclage d u carbon e organiqu e pa r lintermeacutediair e de s roche s seacutedimentaire s o u de s

hydrocarbures pa r exemple)

12

C y c l e y c o u r t gt v

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Figure 12 L e cycle du carbone organique Tireacute de Bourque (2009)

Figure 13 L e cycle du carbone inorganique Tireacute de Bourque (2009)

13

12 Technologie s d e captage et de seacutequestration du CO2

121 Technologie s d e captage du CO2

Afin d e contre r le s effet s neacutefaste s d u reacutechauffemen t climatiqu e plusieurs technologie s d e

captage e t de seacutequestration d u CO2 on t eacuteteacute deacuteveloppeacutees ce s derniegraveres anneacutees L a majoriteacute d e

ces technologie s n e son t pa s encor e implanteacute e agrave leacutechell e industrielle ca r leur s faible s

efficaciteacutes e t leur s coijt s eacuteconomique s eacuteleveacute s ont empecirccheacute s leu r implantatio n (Herzo g et al

1997 Herzog 2001 Yang et al 2008) Dan s cett e partie nou s deacutecrieron s briegravevemen t le s

technologies d e captag e d u CO 2 et nou s nou s attarderon s plu s e n deacutetai l su r le s technologie s

de seacutequestration d u C02par des mateacuteriaux alcalins

Proceacutedeacutes dadsorption pa r les amineacutes

Les technologie s baseacutee s su r labsorptio n d u CO 2 par le s amineacute s son t le s plu s freacutequemmen t

ufiliseacutees dan s le s industrie s peacutetroliegraveres dextractio n d u ga z nature l e t d e l a productio n

dammoniaque (Lia o et al 2002 Ra o et al 2002) L a mon o eacutethylamin e (MEA ) pa r

exemple reacuteagi e ave c l e CO 2 e t form e l e carbamat e d e MEA O n utilis e l a solutio n d e ce t

composeacute afin dextrair e d u CO2 tregraves pur (Stewart e t Hessami 2005)

Ces technologie s offren t de s rendement s d e captag e d u CO 2 varian t d e 7 5 agrave 9 0 e t de s

grades d e puret eacute d u CO 2 supeacuterieur s agrave 9 9 Malgr eacute de s rendement s satisfaisants ce s

technologies ont de s inconveacutenient s majeur s le s coiit s dinvesfissemen t e t dexploitatio n

sont eacuteleveacutes lufilisatio n dinhibiteur s d e corrosio n e t doxydafio n e t leur s rendement s

deacutependent de s condifion s dutilisafio n (Jo u et al 1995) L a consommatio n deacutenergi e es t

eacutegalement tregrave s eacuteleveacutee (Fauth et al 2005)

Proceacutedeacutes dadsorptio n pa r les zeacuteolites e t les charbons actif s

Les mateacuteriaux tel s que le s zeacuteolites e t les charbons actif s ont de s surfaces speacutecifique s eacuteleveacutee s

(gt 150 0 m^g ) e t adsorben t seacutelectivemen t diffeacuterent s ga z e n fonctio n d e leu r superficie l a

taille des pores et les volumes de pores (Rege et Yang 2001)

14

Ce processu s repos e su r la neutralisatio n du n ga z acid e for t (CO2 ) pa r un e bas e faibl e

(absorbant) Il s opegraverent agrave des cycles dites de pression PSA (Pressure-Swing-Adsorption) o u agrave

des cycles thermiques TSA (Thermal-Swing-Adsorption)

Ce typ e dadsorpfio n peu t atteindr e u n rendemen t denlegravevemen t d u CO 2 denviro n 9 2

Toutefois le s zeacuteolithe s n e son t pa s efficace s pou r capte r l e CO 2 eacutemi s pa r le s centrale s agrave

charbon car la consommation deacutenergi e es t tregraves eacuteleveacutee (Maroto-Valer 2005)

Proceacutedeacutes membranaire s

Ces technologie s utilisen t de s membrane s constitueacutee s du n polymegraver e deacutepos eacute su r u n suppor t

microporeux o u meacutetalliqu e o u du n film liquid e absorban t immobilis eacute su r u n suppor t d e

polymegravere (Fero n et al 1992 Herzog et a1997 Herzog 2001) L e CO2 est mis en contac t

avec l a membran e e t l e polymegraver e o u l e film liquid e qu i facilit e so n transpor t agrave traver s l a

membrane a u deacutetrimen t de s autre s polluants Ce s proceacutedeacute s offren t plusieur s avantage s pa r

rapport au x autre s proceacutedeacute s pa r leur s simpliciteacute s e t leur s stabiliteacutes Toutefois ce s

technologies preacutesenten t d e seacuterieu x deacutesavantage s don t de s coucirct s dutilisatio n eacuteleveacutes de s

rendements d e captag e d u CO 2 infeacuterieur s agrave 8 0 un e faibl e seacutelectiviteacute e n plu s d e n e

pouvoir traiter que des effluents ayan t de faibles concentration s en CO2 (Yang et al 2008)

122 Technologie s d e seacutequestration d u CO 2

Laugmentation constant e de s activiteacute s industrielle s de s acieacuteries de s cimenterie s e t de s

alumineries a pour conseacutequenc e no n seulemen t laccroissemen t de s eacutemission s d u CO 2 mais

aussi laccumulatio n d e millions de toimes de reacutesidus alcalins partout dan s l e monde Le deacutef i

pour ce s entreprise s e t pou r l e mond e d e l a recherch e es t d e taill e utilise r ce s reacutesidu s

industriels afi n d e limite r (seacutequestrer ) un e parti e d u CO 2 eacutemi s dan s latmosphegravere E n fait

cest depui s le s quinz e demiegravere s anneacutee s qu e l a recherch e essay e agrave reacutepondr e agrave cett e

probleacutemafique

15

Les effort s le s plus consistant s reposen t su r l e deacuteveloppement dun e technologi e utilisan t le s

scories de s acieacuterie s e t le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s comm e matrice s afi n d e

seacutequestrer l e CO 2 (Hujge n e t al 2005 Kharoune 2006) Quan t agrave lutilisatio n de s boue s

rouges de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e cimenterie s son t dan s leur s

premiegraveres phases dessais

Les technologie s d e seacutequestratio n d u CO 2 o n peu t le s classifie r e n quatr e cateacutegorie s l a

seacutequestration oceacuteanique l a seacutequestratio n biologiques l a seacutequestratio n geacuteologiqu e e t l a

seacutequestration mineacuterale s des mateacuteriaux alcalins Il importe de mentionner qu e la deacutefinition d e

technologie es t peut-ecirctr e inexacte ca r l e pheacutenomegraven e d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r de s

matiegraveres alcaline s es t u n pheacutenomegraven e naturel Toute s ce s laquotechnologies raquo permetten t l a

seacutequestration d u CO2 agrave tregraves long s termes (plusieur s millier s agrave plusieurs million s danneacutees ) agrave

lexception d e l a seacutequestration d u CO2 par l a biomasse de s veacutegeacutetaux qu i n e l e seacutequestre qu e

pour une cinquantaine danneacute e (Santos 2006)

La seacutequestration oceacuteaniqu e

Les oceacuteans ont u n potentie l d e seacutequestration d u CO2 tregraves eacuteleveacute plus de 100 0 Gt (AMPERE

2006) mai s l a dureacute e d e reacutetentio n d u CO 2 est beaucou p plu s court e qu e le s autre s type s d e

seacutequestration L e CO2 injecteacute agrave 1500 m de profondeur libegraver e 1 8 de la quantiteacute seacutequestr eacute du

CO2 apregraves 200 ans de stockage (Hanish 1999) Ceci sexpliqu e pa r l e fai t qu e le CO2 dissout

dans lea u s e transforme e n acid e carboniqu e H2CO 3 qui baiss e l e p H d e lea u marine De s

ions bicarbonates HCO3 et des ion s carbonates COs^ sont libeacutereacute s dans lea u qu i agrave leu r tou r

vont reacuteagi r ave c le s ions meacutetallique s qu i s e trouvent dans lea u pou r former de s sel s tels que

la calcit e CaCO s (carbonat e d e calcium ) e t l a dolomit e CaMg(C03)2 L a formatio n d u

carbonate d e calciu m CaCO j produi t deu x pheacutenomegravenes l e premie r es t celu i d e

laugmentation d e la concentration e n acide carbonique qu i peut auss i seacutecrir e CO 2 + HO et

par voi e d e conseacutequence d e cell e d u CO 2 et l e deuxiegravem e es t celu i d e l a reacuteductio n d e l a

concentration e n ions bicarbonates ce qui va provoquer une baisse du pH

C02(g) + CaC03(s) + H2O -^ Ca-(aq ) + 2 HCO3 (aq) (15 )

16

Les concentration s eacuteleveacutee s d e CO 2 suites agrave l a productio n d e CaCO s provoquen t l a creacuteatio n

dun gradien t entr e loceacutea n e t latmosphegravere qu i favoris e un e diffusio n d u CO 2 de loceacutea n ver s

latmosphegravere (Bourque 2009)

Un autr e inconveacutenien t d e cett e meacutethod e es t l a distanc e su r laquell e l e CO 2 reacutecupeacuter eacute de s

usines doi t ecirctr e transporteacute pou r atteindre loceacutean L e coiagravet de cette meacutethod e d e stockage a eacuteteacute

estimeacute entre 1 8 et 12 8 $ par tonne de CO2 seacutequestreacute (AMPERE 2006)

La seacutequestration geacuteologiqu e

Le stockag e geacuteologiqu e d u CO 2 preacutesente un e autr e alternativ e inteacuteressant e pou r limite r le s

eacutemissions d e ga z dan s latmosphegravere LOues t canadie n pa r so n relie f e t se s caracteacuterisfique s

geacuteologiques sembl e lendroi t ideacuteal car les reacuteservoirs geacuteologique s peuvent recevoi r toute s le s

eacutemissions de CO2 qui seront produites au Canada dans les prochaines anneacutees

Toutefois plusieur s chercheur s sinquiegraveten t d e limpact d e ce gaz stockeacute agrave des pressions tregrave s

eacuteleveacutees su r le s paroi s rocheuse s (Reeve 200 0 His 2003 Thoma s e t Kerr 2005 Montes -

Hemandez 2009) L a dissolutio n d u CO 2 peu t cause r l a formatio n de s carbonates de s

oxydes meacutetallique s e t de s hydroxyde s qu i agrave longues terme s peuven t affecte r l a solidit eacute de s

reacuteservoirs (Montes-Hemande z 2009) L a seacutequestrafio n geacuteologiqu e d u CO 2 s e deacuteroul e e n

trois eacutetape s l e captage l e transpor t e t linjectio n d u gaz L e captag e es t leacutetap e l a plu s

coucircteuse du processus (GIEC 2005)

De plus plus des deu x tier s du coucirc t du captage e t du stockage d u CO2 provenant de s ga z de

combustion y sont accapareacute s pa r sa seacuteparation e t so n traitement Ce s coucircts eacuteleveacutes preacutesenten t

(40 agrave 7 0 $ ustonne d e CO2 ) l e principal obstacl e agrave l a commercialisatio n de s technologie s

de stockage du CO2 au Canada (Reeve 2000)

17

Stockage dans les gisements de gaz ou de peacutetrole

Cette technologie es t en cours de deacuteveloppement Le s gisements de gaz et de peacutetrole peuven t

servir d e reacuteservoir s naturel s d u CO2 Ce s reacuteservoir s offren t de s potentiel s d e seacutequestratio n

supeacuterieurs agrave 18 0 Gt de CO2 (Reeve 2000)

De nombreuse s expeacuterimentation s son t e n cour s a u Japon au x Eacutetats-Uni s e t e n Europe L e

CO2 capt eacute peu t ecirctr e inject eacute e t emprisonn eacute dan s de s structure s geacuteologique s telle s qu e de s

veines d e charbo n inexploitables de s gisement s eacutepuiseacute s d e ga z o u d e peacutetrol e o u de s roche s

poreuses Un e foi s aboutie cett e technologi e permettrai t d e reacuteduir e massivemen t le s

eacutemissions d e c e ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere U n aspec t inteacuteressan t d e cett e

technologie es t le transport direc t du CO2 des usines vers les sites de stockage

Les grand s eacutemetteur s d e CO 2 tel s qu e le s alumineries le s acieacuteries le s cimenterie s e t le s

raffineries d e peacutetrol e peuven t utilise r facilemen t cett e technologi e (Montes-Hemandez

2009)

Stockage dans le s formations houillegravere s

Une autr e possibilit eacute d e seacutequestrafio n d u CO 2 es t linjecfio n dan s le s formafion s houillegravere s

(Mastalerz et al 2004) Le meacutethane (CH4) a la proprieacuteteacute de saccrocher au x paroi s rocheuse s

mais l e CO2 une foi s injecteacute deacuteplac e l e meacutethan e pou r prendr e s a place Cett e technologi e

preacutesente u n avantage consideacuterable l a vente du meacutethane ains i produi t peu t aide r agrave compenser

le coucirc t d e l a seacutequestratio n d u CO2 Deacutependan t d u typ e d e charbo n utilis eacute le s eacutetude s d e

laboratoire indiquen t quentr e deu x e t di x moleacutecule s d e CO 2 son t absorbeacutee s pou r chaqu e

moleacutecule d e meacutethan e libeacuter eacute (Stanto n et al 2001 Pa n e t Connell 2009) Linconveacutenien t

majeur d e cett e technologi e es t l a faible porosit eacute d e l a surface d u charbo n qu i s e tradui t pa r

un mauvais contac t du CO2 avec lensemble de la surface d u charbon

18

Stockage dans le s aquifegraveres salin s

Les reacuteserves planeacutetaires en eau saline deacutepassent largemen t celle s du peacutetrole e t de gaz naturel

Leurs potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 sont consideacuterables plu s 700 0 milliard s d e tonne s

de CO2 (Yang 2008)

Les aquifegraveres son t de s formation s geacuteologique s constitueacutes d e roches permeacuteable s contenan t d e

leau mobiliseacute e quelle s son t capable s d e restitue r naturellemen t (Herzo g et al 1997

Herzog 2001) Une telle technologie es t deacutejagrave utiliseacute e en Norvegravege o ugrave l a plate-forme offshor e

de ga z nature l d e Sleipne r inject e u n millio n d e tonne s d e CO 2 par anneacute e agrave 100 0 megravetr e d e

profondeur dan s la mer du Nord (Santos 2005)

Stockage dans la biomass e

Tel qu e expliqu eacute agrave l a sectio n 11 2 lor s d u processus d e l a photosynthegravese le s plantes verte s

absorbent d u CO 2 de latmosphegraver e afi n d e l e converti r e n glucos e e t e n dautre s substance s

indispensable agrave leu r survie Lor s d e l a respirafio n cellulair e l e glucos e es t laquobmleacute raquo pou r

produire d e leacutenergi e qu i ser t agrave mainteni r le s foncfion s vitale s de s veacutegeacutetau x (Campagna

1996) Les forecircts e t les algues marines sont les principaux reacuteservoir s vert s du CO2

Les forecirct s

Les arbre s duran t leu r croissance absorben t e t stocken t l e CO 2 de lai r jusquagrave c e qu e leu r

bois soi t brucircl eacute o u deacutecompos eacute naturellement Le s forecirct s contiennen t 8 0 d e l a biomass e

continentale (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s fonctionnen t donc duran t u n certai n temp s

comme de s puit s d e CO 2 e t contribuen t agrave reacuteduir e leffe t d e serre Un e forecirc t es t consideacutereacute e

comme pui s d e carbon e quan d ell e absorb e e t stock e l e CO 2 d e maniegraver e durabl e dan s l a

biomasse faisan t d e sort e qu e l a teneu r e n CO 2 d e latmosphegraver e diminue L a biomass e

aeacuterienne de s jeunes forecirct s agrave croissance rapid e fixe plus de gaz carbonique quell e nen rejett e

(Campagna 1996) Toutefois le s arbres mures des forecircts seacutequestren t tregrave s peu de CO2 Apregraves

une peacuteriode de 50 ans la forecirct es t consideacutereacutee mature

19

Ce nest pa s l e taux de fixation d u carbone qu i es t deacuteterminant mai s l e temps pendant leque l

il es t stock eacute dan s l a biomass e (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s e t le s autre s type s d e

veacutegeacutetation peuven t capte r e t transforme r entr e 2 0 e t 30 de s eacutemission s causeacutee s pa r la

combustion deacutenergie s fossiles e t cett e valeu r pourrai t encor e ecirctr e augmenteacute e pa r de s

reboisements Cependant o n admet que tous les puits de CO2 du monde seron t satureacute s dici agrave

2050 Pa r ailleurs le s puit s actuel s pourraien t auss i deveni r de s source s d e CO 2 s i

latmosphegravere devai t s e reacutechauffer Fischli n et al (2006 ) considegraver e que n ca s d e

reacutechauffement climatiqu e selo n le s modegraveles preacutevisionnels actuels le s peacuteriodes de seacutecheress e

(entraicircnant u n risqu e acc m dincendi e e t u n affaiblissemen t de s arbres) voir e le s tempecirctes

pourraient s e muhiplie r globalemen t e t localement dougrave entr e autres un e possibl e

augmentation de s attaque s pa r de s insectes Tou s ce s facteur s pourraien t fair e mouri r le s

arbres qui agrave leur tour une fois deacutecomposeacutes libeacutereront du CO2 dans latmosphegravere

Algues marine s

Les algue s marine s agrave l a surfac e de s oceacutean s jouen t u n rocircl e importan t dan s leacutecosystegravem e

marin Le s micros-algue s utilisen t le s rayon s d u solei l pou r leu r croissanc e eacutetan t donn eacute

quelles son t source s deacutenergi e e t permetten t d e transforme r l e CO 2 e n composant s

organiques (Herzo g et al 1997 Herzog 2001) Elle s repreacutesenten t l a base nutrifionnell e d e

la vi e marin e e t terrest e car elle s produisen t plu s d e 9 0 d e lactivit eacute photosyntheacutetiqu e

repreacutesentant pa r l e fai t mecircm e l a premiegravere sourc e doxygegravene su r la Terre Les expeacuteriences ont

deacutemontreacute qu e le s rendement s d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s algue s marines l e

zooplancton e t les bacteacuteries ont quadmpleacute suite agrave la fertilisation de s algues en ajoutant 800k g

de fe r su r un e surfac e d e 4 9 k m dan s loceacutea n Atlantiqu e Su d mai s ell e peu t repreacutesente r

certains dangers comme l e deacuteseacutequilibre de la flore marine (Herzog 2001)

La manipulatio n geacuteneacutetiqu e es t un e autr e voi e qu i permettr a au x algue s agrave augmente r leu r

pouvoir de seacutequestration d u CO2

20

Cette voie a eacuteteacute envisageacutee pour creacuteer des algues reacutesistantes agrave un environnement pauvr e en fe r

et ains i augmente r l a prolifeacuteratio n de s algue s marines mai s de s plante s marine s pouvan t

prolifeacuterer abondammen t dan s u n milie u carenc e e n fe r pourraien t induir e de s reacuteaction s e n

chaicircnes impreacutevisible s dan s le s eacutecosystegravemes marin s (Herzog 2001) Le s eacutetudes portant su r l a

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s son t beaucou p moin s

nombreuses

13 Seacutequestratio n d u CO2 par des mateacuteriaux alcalin s

Puisque l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s es t lobjecti f

principal d e l a preacutesent e eacutetude l a revu e deacutetailleacute e d e l a litteacuteratur e su r l e suje t es t preacutesenteacute e

dans cette section

Plusieurs recherche s (Lackne r et al 199 5 Stolarof f et al 200 5 Huijge n et al 2005 -

2006 Soong et al 200 6 Bonenfant et al 200 8 Montes-Hemandez et al 2008-2009 ) ont

proposeacute l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 comme un e altemativ e afi n reacuteduir e le s eacutemission s

de CO2 dans latmosphegravere e n ufilisant le s reacutesidus alcalins tels que les deacutechets municipaux le s

cendres volante s de s fours d e l a saumure le s deacutechet s d e beacuteto n e t d e ciment le s scorie s

dacier e t les boues de deacutesencrage des papeteries

131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriaux alcalins les fondement s

Lideacutee d e la seacutequestration mineacuteral e du CO2 a eacuteteacute lanceacutee par Seifritz e n 199 0 et a eacuteteacute eacutetudieacute en

en profondeur pa r Lackne r dan s les deacutebuts des anneacutees 90 Cette technologi e es t baseacutee su r un

pheacutenomegravene chimiqu e simpl e la formation d e carbonates stable s suit e agrave ladsorption d u CO2

par de s composeacute s alcalin s tel s qu e le s oxyde s d e calciu m (CaO ) e t d e magneacutesiu m (MgO )

(Lackner 1995) Les efforts le s plus consistants son t poseacutes su r linvention dun e technologi e

utilisant le s scorie s de s acieacuteries le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s e t le s mineacuterau x

alcalins tels que lolivine l a serpenfine l e wollostonite comm e matrice s afi n d e seacutequestrer l e

CO2

21

Quant agrave lutilisatio n de s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e

cimenteries son t dan s leur s premiegravere s phase s dessais E n fait i l exist e deu x type s d e

seacutequestration mineacuterale du CO2 ex-situ et in-situ

La seacutequestration ex-situ

Cette technologie es t appeleacutee ex-situ car on utilise les mineacuteraux alcalin s qui se trouvent dan s

la nature tel s que la serpentine lolivine l e wallostonite l e talc et c pou r l a seacutequestratio n d u

CO2 Linteacuterecirc t dutilise r le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalin s pou r l a seacutequestratio n

du CO 2 consiste dan s l e fai t qu e c e processus es t exothermiqu e e t qui l perme t l a formatio n

de carbonate s stable s (Lackner 199 5 Khoo e t Tan 2006 ) gracircc e agrave leur s teneur s eacuteleveacutee s e n

oxydes de magneacutesium (MgO ) et de calcium (CaO ) (Proctor et al 2000 ) comme l e deacutemontre

le tableau 12

La serpenfin e e t lolivin e ont eacutet eacute identifieacutee s pa r plusieur s (Beara t et al 2006 Kho o e t Tan

2006 Checircne al 2006 Huijge n et al 200 6 Krevor e t Lackner 200 9 Prigiobbe et al

2009) comme les mineacuteraux le s plus prometteurs agrave utiliser pour l a seacutequestration d u CO2 gracircce

agrave leurs pouvoirs alcalins et les quantiteacutes eacuteleveacutees quon trouve dans l a nature

Ces mineacuterau x doiven t ecirctr e transporteacute s pregrave s de s usine s eacutemettrice s d e CO 2 et broyeacute s avan t

decirctre utiliseacute s pour l a seacutequestration d u CO2 Le concept es t baseacute su r l e pheacutenomegravene nature l d e

lalteacuteration de s mineacuterau x alcalin s pa r l e CO 2 dan s leque l le s silicate s d e calciu m o u d e

magneacutesium son t transformeacute s e n carbonates L a carbonatatio n mineacuteral e engloban t tou s le s

mineacuteraux alcalin s es t preacutesenteacutee par les reacuteactions ci-dessous (Kho o et Tan 2006)

(Ca Mg)Si03(s) + C02(g) -gt (Ca Mg)C03(s) + Si02(s) + 90 kJmole (16 )

La reacuteactio n 1 6 deacutemontr e l e potentie l d e transforme r naturellemen t de s mineacuterau x riche s e n

silicates de magneacutesium e t de calcium en carbonates e t en silice

22

Tableau 12 La teneur en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Mateacuteriaux (mineacuterau x

alcalins)

Peridotite Dunit e (olivine )

Hazburgite

Lhezhorlite

Serpentine

Gabro

Basait

Talc

Wallastonite

Teneur en Mg O

masse

495

454

281

400

100

62

440

-

Teneur en CaO

masse

03

07

73

0

130

94

-

350

De tout e eacutevidence l a capacit eacute d e seacutequestre r l e CO 2 pou r le s reacutesidu s alcalin s deacutepen d

directement de la proportion des oxydes meacutetalliques de calcium et de magneacutesium (CaO et de

MgO) e t leur s hydroxyde s respectif s Ca(0H) 2 e t Mg(0H 2 contenue s dan s l a matric e de s

deacutechets (Montes-Hemandez et al 2009)

Dans de s condition s ideacuteale s e n suivan t l a reacuteacfio n 16 un e tonn e d e serpentin e peu t

seacutequestrer enviro n une demi-tonne de CO2 et une tonne de lolivine peu t seacutequestrer enviro n

deux fiers dune tonn e d e CO 2 (Khoo e t Tan 2006) L a reacuteaction es t exothermiqu e e t ell e

libegravere 90 kJmole de CO2 Le s eacutetudes deacutemontrent que le processus de carbonatation aqueuse

suit deu x eacutetapes a ) l a dissolutio n de s cafion s e n solutio n suiv i pa r b ) l a nucleacuteatio n e t l a

croissance des preacutecipiteacutes de carbonate (Park et Fan 2004 Maroto-Valer et al 200 5 Krevor

et Lackner 2009)L a raiso n principal e d e lutilisatio n d e ce s mineacuterau x es t labondanc e d e

ces derniers dans la nature

23

Les quanfiteacutes de serpentine en particulier son t largement disponibles dans le monde entier de te l poin t quo n peu t seacutequestre r tou t l e CO 2 qui peu t ecirctr e geacuteneacuter eacute agrave parti r d e toute s le s reacuteserves planeacutetaires en charbon Leur faible coucirct combineacute avec le caractegravere exothermique du processus d e carbonatation (reacuteacfio n 16 ) son t le s deu x principaux argument s qu i peuven t justifier l e deacuteveloppement d e ce proceacutedeacute au niveau industrie l (voi r figur e 14) Malgr eacute le s avantages deacutecrit s ci-dessus l a seacutequestratio n d u CO2 par l a carbonatatio n mineacuteral e es t un processus qu i est limiteacutee par l a lenteur de la reacuteaction de carbonatation e t notamment d e la lenteur d u taux d e dissolution de s silicate s dans des conditions faiblement acide s (Chen et al 2008)

^bulliltNr- -gtv v

Serpentine

r-^BoMWraquo iuml ^ Olivine

Pipeline

Vision 21 Power Plant bullwr

ww-

mdashp

1

te Minerai Carbonation Plant

AfSOk^KP^

^agnesItB amp Sillca Constructio n Mateacuteriel Industiial Reagents Mine Reacuteclamation

Figure 14 L a seacutequestration du CO2 par carbonatation mineacuterale Tireacute de Goldberg (2001 )

Le renforcement d e la vitesse de la dissolution a eacuteteacute identifieacute comm e lune des principales opportiiniteacutes pour la reacuteduction des coucircts directs de ce processus (Krevor et Lackner 2009) Les coucircts dutilisation d e ces mineacuteraux sont faibles mais les coucircts de transports eacuteleveacutes Ils peuvent donc limiter leur utilisation en grande eacutechelle pour la seacutequesti-ation du CO2 La consommation deacutenergi e associeacute e a u broyage de s mineacuteraux repreacutesenten t 7 5 du coucirct total de leacutenergie demandeacutee de tout le processus de seacutequestration du CO2

24

Ces coucirct s peuvent augmente r jusqu agrave 90 s i on vise agrave obtenir un e granulomeacutetri e d e moin s

de 75 mm (Krevo r e t Lackner 2009) De plus les mineacuteraux alcalin s ne se comportent pa s de

la mecircm e faccedilo n lor s l e processu s d e l a carbonatafion Le s serpentine s reacuteagissen t plu s

facilement tandi s qu e l a peridotit e es t l a plu s difficil e agrave carbonater Pou r avoi r de s

rendements satisfaisant s (4 0 agrave 8 0 ) d e carbonatation i l fau t augmente r l a tempeacuterature au -

dessus d e 150deg C et ajoute r de s solutions tampons telle s qu e l e chlorure d e sodium (NaCI ) et

bicarbonate d e sodiu m (NaHCOs ) o u ajoute r de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e acid e

chlorhydrique (HCl ) afi n dacceacuteleacutere r l a reacuteactio n d e formatio n de s carbonate s (Che n et al

2008)

La seacutequestration in-situ

Lutilisation de s reacutesidu s e t de s sous-produit s alcalin s issu s d e lactivit eacute industriell e de s

alumineries des acieacuteries e t des cimenteries est une autre altemative d e seacutequestration d u CO2

Ces mateacuteriau x alcalin s (boue s rouges scories poussiegravere s d e fou r e t cendre s volantes ) son t

produits pa r ce s usine s e t gracircc e agrave leur haute teneur e n Mg O e t CaO il s peuvent ecirctr e utiliseacute s

sur place (in-situ) pou r seacutequestrer l e CO2 eacutevitant ainsi le s coucircts de transport

Les boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouge s son t de s reacutesidus industriel s issu s du processus dextractio n daluminiu m agrave

partir d e l a bauxit e (proceacuted eacute Bayer) Ce s reacutesidu s (Doy e e t Duchesne 2003 ) on t u n p H

supeacuterieur agrave 1 2 et sont produit s agrave un taux de 2 tt daluminium commercialis eacute (Vacho n et al

1994) Le s boue s rouge s son t stockeacutee s soi t a u fon d de s oceacutean s (France Allemagne) soi t

preacutes des usines comme au Canada (Vachon et al 1994)

La production de s boues rouges en 2006 ses t chiffreacutee agrave 90 Mt dan s l e monde dont 3 Mt au

Canada e t o n preacutevoi t un e augmentatio n d e productio n d e 6 0 pa r deacutecenni e (Kharoun e et

al 2006) Le s grande s aluminerie s peuven t e n geacuteneacutere r jusqu agrave 67 5 00 0 tonne s pa r anneacute e

(Doye et Duchesne 2003)

25

Le tablea u 1 3 deacutemontr e qu e le s boue s rouge s on t un e teneu r eacuteleveacute e doxyd e d e calciu m

(CaO) et elles peuvent donc ecirctre ufiliseacutees afi n d e seacutequestrer l e CO2

Tableau 1 3 L a composition chimiqu e moyenne des boue s rouge s

Tireacute de Cabeza e t al (2003)

Composition en masse

AI2O3

10-20

CaO

2-8

FejOj

30-60

NazO

2-10

SiOz

3-50

TiOj

trace-10

Les scories des acieacuterie s

Lindustrie canadienn e d e lacieacuterag e constitu e l e secteu r l e plu s importan t d e l a meacutetallurgi e

du pay s (Mikhai l e t Aota 2006) Dix-sep t acieacuterie s exploiten t 2 1 usine s dan s hui t province s

canadiennes Dan s le s usine s inteacutegreacutees toute s situeacutee s e n Ontario de s haut s foumeau x

produisent d u fe r primair e agrave partir d e matiegraveres brute s comm e d u minera i d e fer d u charbo n

et de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006)

Les quatr e cateacutegorie s de s scorie s (Kharoun e et al 2006 ) deacutesigneacutee s selo n leu r proceacuted eacute d e

fabrication son t le s scorie s FO P (fou r agrave oxygegraven e pur) le s scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c

eacutelectrique) le s scorie s H F (hau t foumeau ) e t le s scorie s F P (fou r poche) Lutilisatio n de s

scories dan s l e bu t d e seacutequestre r l e CO 2 es t important e s i o n considegraver e qui l s e produi t

actuellement 1 4 Mt a u Canada 2 1 M t au x Eacutetat s Uni s e t 35 0 M t d e scorie s dan s l e mond e

dont 19 0 M t d e typ e H F (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e tonn e dacie r produit 02 8 agrave 1

tonne CO2 sont eacutemis dans latmosphegravere

Ce son t le s pH eacuteleveacute s (1 2 agrave 13 ) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxyde s meacutetallique s (Huijge n et

al 2005 ) le s raisons principale s d e lutilisatio n de s scories comm e substra t d e seacutequestratio n

du CO2 comme l e deacutemontre l e tableau 14

26

Tableau 1 4 La composition chimiqu e moyenne de s scorie s

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Composants (Vo en masse )

CaO Si02

A1203 MgO FeO MnO

Types de scorie s

FAEacute 30-40 10-20 lt10 lt10

15-35 lt10

FOP 42-52 9-13 05-3

1-8 15-35 3-10

FP 48-52 8-10 15-25 8-10 2-4 lt4

HF 39-42 33-39 9-13 6-9

0-01 01-05

Les scories FOP et FP sont plus riches en calcium qu e celle FAEacute tandis que les scories FP

sont plus riches on oxyde daluminium Le s teneurs en meacutetaux lourd s sont faibles pou r les

trois types de scories eacutetudieacutees

Les poussiegraveres de four des cimenterie s

Les poussiegravere s d e fou r d e cimenterie connue s auss i sou s l e no m d e laquo ceacutemen t kil n dus t raquo

(CKD) son t de s reacutesidu s industriel s reacutecupeacutereacute s pa r le s filtres eacutelectrostatique s lor s d e l a

fabrication d u clinke r (Doy e e t Duchesne 2003) Geacuteneacuteralement 1-1 5 tonne s d e calcair e e t

de 0 5 tonne s d e charbo n son t utiliseacute s pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e clinker L a

consommation deacutenergi e pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e cimen t seacutelegravev e agrave 4000 M J dont

pregraves de 80 est dorigine thermiqu e e t le reste de leacutenergie eacutelectrique E n outre 08-1 tonn e

de CO 2 est eacutemis e dan s latmosphegraver e pa r tonn e d e clinke r produit e (Kuma r et al 2006) L a

production mondial e des CKD seacutelegraveve agrave 30 millions de tonnes Une tregraves faible proportio n (15

) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x dan s le s industrie s agricole s e t d e l a

construction (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003)

Il fau t note r qu e jusque agrave l a fin des anneacutees 9 0 pregraves d e 4 millions d e CK D s e retrouvaient e n

tas ou dans des eacutetangs agrave cocircteacute des usines en Ameacuterique du Nord (Doy e e t Duchesne 2003) De

nos jours presqu e toute s le s CK D son t recycle s dan s l e processu s d e fabricatio n d u cimen t

(Huntzinger 2009)

27

Le tableau 1 5 deacutemontr e qu e le s CK D son t rich e e n oxyde s d e calcium Elle s possegraveden t u n

potentiel ne t d e neutralisatio n tregrave s eacutelev eacute (42 6 k g CaC03t) u n p H d e 126 un e reacuteserv e

importante e n sulfate s (10 3 SO4 ) ains i qu e de s concentration s e n meacutetau x lourd s plu s o u

moins importantes de lordre d e ppm tels que Cr Pb et Zn (Doye e t Duchesne 2003)

Tableau 1 5 La composifion chimiqu e moyenne des CK D

Tireacute de Corish et Coleman (1995)

Composition en mass e

Poussiegraveres d e four (CKD )

AI2O3

3-6

CaO

38-50

FczO

1-4

MgO

0-2

NaO

0-2

SiOj

11-16

Les cendres volante s

Les cendres volante s repreacutesenten t de s reacutesidus tregraves fins issus entre autre s de la combustion d u

charbon pulveacuteris eacute e t pouss eacute dan s l a chambr e d e combustio n du n fou r pa r de s ga z

deacutechappement Le s cendre s volante s son t classifieacutee s selo n leur s teneur s e n Ca O e t d u typ e

du charbon brucircl eacute (voi r tableau 16) e n deux classes F et C (Biemacki et al 2007)

Les cendres volantes de classe F confiennent moin s de 1 0 de CaO et sont utiliseacutees pou r la

fertilisation de s sols Le s cendres volante s d e classe C contiennent plu s d e 1 0 de CaO e t

elles son t plu s communeacutemen t utiliseacutee s pou r l a fabricatio n d u beacuteto n (Montes-Hernande z et

al 2009)

La production de s cendres volantes seacutelevait agrave 4800000 tonnes a travers l e Canada en 2001

dont 450000 tonnes on t eacuteteacute utiliseacutees pour la fabrication d u ciment (Bouzouba a e t Foumier

2003)

28

Tableau 1 6 La composition chimiqu e des cendres volante s

Tireacute de Soong et al (2006 )

Composition masse

Sulfur

0-002

C

0-15

AI2O3

59-187

CaO

18-29

Fe203

5-85

K2O

03-24

MgO

14-64

NazO

06-55

Si02

14-516

En Europe e t selo n le s anneacutees de 2 agrave 3 Mt de cendres volantes su r une production total e d e

43 M t son t utiliseacutee s dan s l a constructio n d e route s soi t u n tau x dutilisatio n globa l dan s c e

secteur dactiviteacute d e 8

On enregistre actuellemen t 7 Mt en Australie 70 8 M t (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003 ) au x

Eacutetats Unis de s centaine s de s meacutegatonne s e n Chin e e t 10 0 M t dan s de s deacutecharge s e n Inde s

(Kumar et al 2005) Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestre r jusquagrave 2 6 kg de CO2

(Montes-Hemandez ea 2009)

Il exist e deu x type s d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s industriel s alcalin s l a

carbonatation direct e e t la carbonatation indirect e des oxydes meacutetalliques

A) L a carbonatation direct e

Ce proceacuted eacute perme t dinjecte r d u CO 2 gazeu x directemen t su r de s reacutesidu s alcalin s agrave leacuteta t

solides L e CO2 reacuteagit ave c le s oxydes meacutetalliques d e CaO e t MgO et formes de s carbonate s

stables selon les eacutequations suivante s (Lackner et al 1995)

CaO + CO2 -^ CaC0 3 + 17 9 kJmole

MgO + CO2 -gt MgC0 3 + 11 8 kJmole

(17)

(18)

Pour c e typ e d e seacutequestratio n le s quantiteacute s d e Ca O e t d e Mg O neacutecessaire s pou r lie r l e CO2

produit par la combustion dun e tonn e de carbone son t respectivement d e 47 et 34 tonnes

29

B) Carbonatatio n de s oxydes meacutetalliques en milieux aqueu x acide s

La seacutequestratio n indirect e d u CO2 soit l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s

alcalins e n milieu x aqueu x basiques es t l a meacutethod e l a plu s eacutetudieacutee Mecircm e s i leacutetud e de s

meacutecanismes qu i reacutegissen t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s n e fai t pa s parti e de s

objectifs d e ce meacutemoire i l importe de deacutecrire briegravevement le s principaux meacutecanisme s afi n d e

mieux comprendr e c e processus Dun e faccedilo n plu s deacutetailleacutee l a carbonatatio n s e deacuteroule e n

cinq eacutetapes 1) La diffusion d u Ca sur la surface de s particules de l a scorie 2) l a dissolutio n

du C a dan s l a solution 3 ) l a dissolufio n d u CO2 4 ) l a conversio n d u CO 2 dissou t e n ion s

bicarbonate e t 5) la preacutecipitation du CaC03 (Huijgen et al 2005)

Le CO 2 reacuteagi t ave c d e lea u e t form e d e lacid e carboniqu e (H2CO3 ) selo n le s eacutequation s

suivantes (lizuka et al 2004 )

CO2 + H2O ^ H2CO 3 (19 )

H2CO3 ^ H ^ + HCO3 (110 )

H C 0 3 ^ H ^ + C03^ (111 )

Le CaO peut eacutegalemen t reacuteagi r avec lea u pou r produire des cations calcium selo n l a reacuteaction

suivante (Huijgen e t Comans 2003)

CaO + H2O ^ Ca^ ^ + 2 OH (111 )

Tous le s produit s de s reacuteaction s 1 9 agrave 11 2 peuven t reacuteagi r ave c l e CO 2 pou r forme r de s

carbonates L a reacuteactio n entr e ce s oxydes l e CO 2 e t lea u a pou r reacutesulta t l a formatio n de s

monocarbonates e t bicarbonates (Bonenfan t et al1006 Soon g et al 2006)

Hujgen et al (2006 ) on t deacutetermin eacute le s meacutecanisme s reacuteacfionnel s d e Ca-carbonatatio n

(modegravele geacuteothermique ) comm e sui t

Ca(0H)2 + CO 2 - ^ CaC0 3 + H2 O (113 ) portlandite calcit e

30

Ca6(Al)2(OH)2(S04)326 H2O + 6H2O -gt 6CaC03 + 2A1^^ +3S04^- + 32H2O (114 ) ettringite calcit e

Ca-silicate (CSH) + CO2 CaC0 3 (calcite) +Si02 (partiel ) (L15 )

Reacuteactions 1 9 agrave 11 1 repreacutesenten t l a dissociatio n d e l a dissolutio n CO 2 dan s leau le s

reacuteactions d e 11 2 et 11 3 repreacutesentent lextracfio n de s ions calciu m de s reacutesidu s alcalins Le s

reacuteactions 11 4 e t 11 5 repreacutesentent l a preacutecipitation d u carbonate d e calcium

Le meacutecanisme reacuteactionne l d u CO2 avec le MgO en milieu aqueux es t semblable agrave celui de

CaO (Femacircndezera 1999)

C02(g) + H20(l) ^ C02(aq ) (L16 )

MgO(s) + H20(l) - Mg(0H)2(s ) (117 )

C02(aq)--C02(i) (118 )

CO2 + Mg(0H)2(s) + (n-1 ) H20(aq) ^ MgC0 3 nH20(s) (119 )

MgC03 nH20(s) + CO2 ^ Mg^ ^ (i)+ 2 HCO^Xi) + (n-1) H2O (120 )

Mg^^i) + 2 HC03- (i) -^ M g q ) + 2 HCO^(aq) (1-21 )

ougrave le C02(i) le Mg^(i) et le HCO(i) son t les produits formeacutes eto u adsorbeacutes agrave linterface

La reacuteaction 12 0 ougrave l e carbonate d e magneacutesium form eacute agrave la surfac e de s particules reacuteagi t ave c

le CO2 pour forme r d u bicarbonate d e magneacutesium repreacutesent e leacutetap e l a plus importante d e ce

meacutecanisme

Toutefois lorsqu e l a concentration d e Mg O e n solutio n excegraved e 05 5 gL l a preacutecipitation d u

carbonate de magneacutesium peu t devenir l a reacuteaction dominante (Evan s et St-Clair 1949)

Les reacuteaction s 1 9 agrave 12 1 deacutemontren t qu e c e processu s s e produi t spontaneacutement san s

neacutecessiter de la chaleur

31

Dun poin t d e vu e thermodynamique l e maximu m d e conversio n d e calciu m conten u dan s

les reacutesidu s alcalin s deacutepen d d e deu x facteurs l a solubilit eacute de s ion s d u calciu m dan s l e

processus dextractio n e t d e l a solubilit eacute de s ion s calciu m dan s l a preacutecipitation L e produi t

net d e l a productio n d e CaC03 deacutepen d d e l a diffeacuterenc e d e solubilit eacute entr e l e processu s

dextraction e t celui de la preacutecipitation (lizuk a et al 2004)

132 Leffe t de s variables sur la carbonatatio n

Plusieurs variable s affecten t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s e t sous -

produits alcalins Nombreux chercheur s ont eacutetudieacute leffe t de s variable s su r l e processus de la

carbonatation (Stolarof f e al 2003 Druckenmille r e t Maroto-Valera 2005 Maroto-Valer a

et al 2005 Stolarof f e r al 2003 Hujge n et al 2003-2006 Bonenfan t 2008) Leffe t de s

variables su r l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s basique s e n solutio n peu t ecirctr e seacutepar eacute

en deux cateacutegories

Variables affectan t l a solubiliteacute du C02dans lea u

Le pH la tempeacuterature e t la saliniteacute de leau ains i que la pression partielle du CO2 ont un effe t

direct su r l a solubiliteacute du CO2 dans leau Plu s le pH est basique plus l a solubiliteacute du CO2 est

eacuteleveacutee L a solubilit eacute d u CO 2 se fai t selo n l a lo i dHenr y pou r de s pression s supeacuterieure s agrave 5

atm (Vas Bhat 2000)

[C02]aq=KHpC02= 0032 pC02 (122 )

KH es t l e coefficien t d e solubilit eacute o u constant e dHem y d u CO 2 qu i es t deacutependant e d e l a

tempeacuterature e t de la saliniteacute et pC02 est la pression partielle du CO2

32

Lapproche d e Setcheno w qu i illustr e linfluenc e de s sel s su r l a solubilit eacute d u CO 2 peu t

sappliquer agrave diffeacuterents sel s mineacuterales comme sui t

X = xO exp(-Acirc) (123 )

ougrave X e t xO sont le s fracfions molaire s d u gaz acide dans lea u pur e e t dans l a solution saline

K es t la constante de Setchenow e t I est la force ioniqu e du sel

Variables affectan t directemen t l a carbonatation de s oxydes meacutetallique s basique s en solution

La granulomeacutetri e de s particules l a concentratio n (rati o solideliquide ) doxyd e meacutetalliqu e

dans l a solution l e temps la tempeacuterature d e reacuteaction l a pression partiell e e t le deacutebit du CO2

ainsi qu e l a vitesse d e brassag e d e l a solutio n son t le s variables qu i influencen t directemen t

la carbonatation de s oxydes meacutetalliques basiques en solution

Il fau t note r qu e l a vitess e d e brassag e nes t pa s influenceacute e e t ninfluenc e pa s le s autre s

variables lors le processus de carbonatation

Granulomeacutetrie de s particule s

La granulomeacutetri e de s particule s joue u n rocircl e tregrave s importan t su r l a carbonatatio n de s oxyde s

meacutetalliques Le s eacutetude s d e Hujge n et al (2006) Bonenfan t et al (2008) Baciocch i et al

(2009) on t deacutemontreacute s qu e le s quantiteacutes de s carbonate s e t des silicate s d e magneacutesium eacutetaien t

plus eacuteleveacute s agrave de s granulomeacutetrie s d e scorie s e t d e wallastonit e lt 38pm L a conversio n d u

CaO d e scorie s dacieacuterie s e n carbonate s pass e d e 2 4 agrave 74 lorsqu e l a granulomeacutetri e de s

particules diminu e d e lt 2 mm agrave lt 38 pm Reacuteduire la granulomeacutetrie pa r deux peu t augmente r

la conversion d e 32 agrave 62 (Hujgen 2005)

Vitesse de brassage

La conversio n d e CO 2 e n carbonate s nes t pa s influenceacute e pa r l a vitess e d e brassag e gt 50 0

rpm (Hujge n et al 2006 ) mais peu t empecircche r l a preacutecipitatio n d u Mg O (Femacircnde z et al

1999) E n revanche baisse r l a vitess e d e brassag e d e 50 0 agrave 10 0 rp m reacutesult e e n un e

diminution marqueacute e de la conversion de CO2 en carbonates (Hujge n et al 2006)

33

Ratio solideliquide (LS )

Plus l a solution es t dilueacutee plus l a conversion d u CO2 en carbonates es t eacuteleveacutee (Hujgen et al

2006 Bonenfan t et al 2008) Autremen t dh plu s l e rafi o L S es t eacutelev eacute plus l e degr eacute d e

carbonatation es t eacuteleveacutee Toutefois leffe t d e c e paramegravetr e su r l a carbonatatio n deacutepen d de s

autres paramegravetre s tel s qu e l a tempeacuteratur e e t l a pressio n d e lexpeacuterimentatio n (Baciocch i et

al 2009)

La tempeacuterature e t la pression du CO

Ces deu x variable s son t tregrave s lieacutee s lun e agrave lautre L a tempeacuteratur e peu t avoi r de s effet s

contradictoires su r l a carbonatation Agrave haute tempeacuterature l a lixiviatio n d u C a d e l a matric e

peut ecirctr e tregraves rapide mais l a solubiliteacute d u CO2 dans l a solution peu t diminue r (Hujge n et al

2005) Agrave un e pressio n d e 2 0 bar s d e CO 2 l a carbonatafio n augment e s i l a tempeacuteratur e n e

deacutepasse pa s le s 15O C e t attein t so n maximu m agrave 200C L a conversio n diminu e abruptemen t

au-dessus d e 200C C e reacutesulta t es t d ucirc au x effet s contradictoire s d e l a tempeacuteratur e

laugmentation d e l a tempeacuterature augment e l a vitesse de reacuteaction e t l e transfert d e masse de s

ions d e calciu m (lixiviation ) mais d e lautr e coteacute ell e provoqu e l a baiss e de s ion s

bicarbonate dan s lea u (Montes-Hemande z et al 2009) L a formatio n de s carbonate s es t

plus eacuteleveacutee aux basses pressions et agrave de hautes tempeacuteratures (Och s et al 1998)

133 Cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2

La cineacutetique dadsorptio n d u CO 2 deacutepend comm e o n vien t d e voir d e plusieur s paramegravetres

La vitesse d e reacuteaction deacutepen d grandemen t d e la tempeacuterature e t de l a pression (Huijge n et al

2006) Alor s qu e l a premiegraver e eacutetap e es t rapid e e t caracteacuteriseacute e pa r la formatio n d e CaCO j e n

quantiteacute relativement importante l a seconde eacutetape est plus lente (Gmpta e t Fan 2002)

En effet l e CaC0 3 form eacute preacutealablemen t dan s l a premiegraver e eacutetape constitu e un e barriegraver e qu i

gecircne la reacuteactio n d u Ca O disponibl e ave c l e CO 2 D e c e fait ladsorptio n d u CO 2 se trouv e

limiteacutee

34

Par conseacutequent l e pheacutenomegravene d e diffusion de s composants chimique s agrave travers l a couche d e

CaC03 form eacute constitu e u n paramegravetr e cl eacute qu i gouvern e l a cineacutetiqu e d e l a second e eacutetape L e

processus de lixiviation influenc e don c le degreacute de carbonatation L e transfert d e masse dans

les pores d u solid e es t difficil e agrave eacutevaluer selo n Ochsenkuhn-Petroloulo u et al (2002) car i l

est impossibl e d e deacutefini r l a form e de s canau x empmnteacute s pa r l a mafiegravere O n peu t toutefois

selon ce s auteurs obteni r un e esfimatio n approximativ e d u transfer t de s particule s dan s l a

solution agrave laide d e leacutequation suivant e

Dnidt=kA(Cs-c)b (124 )

ou

A est Faire de linterface solide-liquid e

b est leacutepaisseur d u film entourant le s particules

c est la concentration (mv ) du soluteacute

t est le temps

Cs est la concentration d e la solution satureacutee en contacte avec les particules

m est l a masse des particules transfeacutereacutees dan s le temps t

k es t le coefficient d e diffusion

Lair d e linterfac e solide-liquid e es t proportionne l au x nombre s de s particule s solide s dan s

la solution e t l e ratio L S es t l a fraction d e lair e speacutecifiqu e de s particule s d u reacutesid u alcali n

qui participent dan s l e processus de lixiviafion (Ochsenkuhn-Petroloulo u et al 2002) Ainsi

la taille de s pore s d e Ca O e t leu r distributio n deviennen t de s facteur s important s quan t agrave l a

conversion d e Ca O e n CaC03 A ce propos des performance s d e conversio n d e 7 0 e t 8 2

ont eacutet eacute reacutealiseacutees pa r Bhati a an d Perlmutte r (1983 ) e t Mess et al (1999 ) respecfivement pou r

des granulomeacutetries de 81-173pm et 15-2 0 pm

35

Pour exprime r d e faccedilo n apparent e l a cineacutetiqu e d e cett e conversio n d e Ca O e n CaC03 u n

modegravele matheacutematique a eacuteteacute proposeacute par Lee (2004)

X = k b t(b+t) e t dXdt - k (1-XXu)^ (125 )

ougrave X e t X u son t l a conversio n e t l a conversio n ultim e d e CaO k es t un e constant e d e l a

vitesse de cineacutetique b est le temp s neacutecessaire atteindre Xu2 e t t est l e temps

Pour deacutecrir e l a vhess e d e conversio n d e Mg O e n MgC03 u n modegravel e matheacutematiqu e a eacutet eacute

proposeacute par Femacircndez et al (1999 )

kt= l-(l-XMgO)^ ^ (126 )

ougrave XMgO repreacutesente l a conversion d e MgO k est une constante de la vitesse d e cineacutetique

t est le temps

Lors de ces reacuteactions l e CO2 sattache chimiquemen t agrave l a surface de s oxydes meacutetalliques d e

MgO CaO Ti0 2 pou r forme r de s unidentate s dan s l e ca s d e Ca O (Aurou x e t Gervasini

1990) e t d e unidentates (u n seu l atom e es t donneur deacutelectrons ) e t bidentate s (deu x atome s

sont des donneurs deacutelectrons) dan s le cas de MgO et de Ti02 (Udovic e t Dumestic 1984)

Laluminium es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quanfiteacute s dan s le s solution s de s boue s rouges

mais i l form e beaucou p moin s d e carbonate s compareacute s au x Ca O e t MgO Coolin g et al

(2002) ont deacutemontr eacute qu e l a soude caustiqu e e t l e TCA-6 ( 3 Ca(0H)2 2 A1(0H)3) adsorben t

respectivement 29 0 e t 469 du CO2 adsorbeacute par le s boues rouges L e Si02 ne forment pa s

de carbonates mecircm e si l adsorb e un e bonne quantit eacute d e CO 2 (Ueno e t Bennet t 1978 Bal et

al 2001) E n revanche le s bicarbonates s e formen t suit e agrave ladsorption d u CO 2 sur les site s

acides fort s de s oxyde s selo n u n meacutecanism e d u typ e Langmuir-Hinshellwood Ce s

meacutecanismes impliquen t lisotherm e d e Langmuir (cas I et III)

36

Cette isotherm e peu t ecirctr e deacutecrite en termes de taux d e reacuteaction agrave la surface d e ladsorban t O

(Erzeng 2006)

0 = nombre de sites dadsorption occupeacute s (L27 ) nombre de sites dadsorpfion disponible s

O = 0 ~ l

Ce meacutecanism e (Langmuir-Hinshellwood ) sappliqu e dan s l e ca s d e ladsorpfio n d e deu x

reacuteactifs su r une surface san s dissociation

A(g) + B(g) ^ A(ads ) + B(ads) -^ Produi t (128 )

La vitesse de cette reacuteaction est donneacutee par

ri = k [A] [B] = k copyAO B (129 )

Lisotherme d e Langmuir sapplique comm e sui t

copyA = BOAPA +BOAPA+BOBPB (130 )

copyB=BOBPB1+BOAP)+BOBP5 (131 )

ougrave B est le coefficient dadsorptio n ( A et B) et PA et PB le s pressions partielles de A et B

La vitesse deacuteriveacutee de lisotherme d e Langmuir cas III sillustr e comm e sui t

r = kBoABoB^sl +BOAPA + BOBPB (132 )

De no s jours aucun e eacutetud e n a eacutelucid eacute complegravetemen t le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t

ladsorption d u CO 2 en milieu x aqueu x de s oxyde s meacutetallique s basique s preacutesent s dan s le s

scories dacieacuterie s (Bonenfant 2008) U n nombr e importan t d e variable s peu t ralenti r o u

acceacuteleacuterer l a vitesse de la reacuteaction de ladsorption d u CO2

37

Plusieurs meacutethode s on t eacutet eacute examineacutee s jusqu agrave preacutesen t pa r le s chercheur s y compri s

laugmentation d e la surfac e de s particule s d e roch e pa r pulveacuterisation lutilisatio n d e

catalyseurs d e reacuteactio n tel s qu e lacid e chlorhydrique lacid e aceacutetiqu e o u hydroxyd e d e

lithium de s solution s tampon s telle s qu e bicarbonat e d e sodiu m e t l e carbonat e d e fe r

(Krevor e t Lackner 2009 ) e t des tempeacuteratures e t de s pressions eacuteleveacutee s o ugrave l e CO2 est en eacuteta t

supercritique (lizuk a et al 2004) Prigiobb e et al (2009 ) on t remarqu eacute qu e le s sel s

inorganiques tels que NaCl NaHCOs et KHCO3 ont ameacutelioreacute l a carbonatafion de s silicates

Ils ont concl u qu e l a variation d u pH peu t influence r l a dissolution d u CO 2 dans l a solufion

En revanche l a variafio n de s tau x d e HCl d e LiO H o u d e l a salinit eacute a produi t u n

changement dan s l a valeu r d u p H c e qu i agrave so n tou r condui t agrave un changemen t d u tau x d e l a

dissolution d u CO 2 mais i l n y avai t pa s d e preuve s du n effe t direc t e t indeacutependan t d e ce s

paramegravetres su r le taux de dissolution d u CO2

La variatio n d e p H n a pa s l a mecircm e influenc e su r toute s le s matrice s alcalines Lolivin e

semble decirctre l e mineacuteral alcali n l e plus influenceacute pa r l a variation d u pH s i on parle en termes

de dissolutio n d u CO2 I l n y a pa s deffe t dinhibitio n su r l a dissolutio n d u CO 2 agrave u n p H

supeacuterieur agrave 5 Ce constat es t important car agrave ces valeurs de pH e t agrave des tempeacuteratures d e 25 agrave

150 C le s preacutecipitations d e carbonates son t les plus eacuteleveacutees (Prigiobbe et al 2009) Lorsque

le pH de ce systegraveme es t presque neutre la dissolution d u CO2 est lente e t donc la dissolutio n

des mineacuteraux dans ces conditions es t moindre (Krevor e t Lackner 2009)

Liu et al (2005 ) ont deacutevelopp eacute un e meacutethode biomeacutetrique dan s laquell e lenzym e anhydras e

carbonique jou e l e rocircl e d e catalyseu r biologique Le s reacutesultat s obtenu s on t deacutemontr eacute qu e

lenzyme a acceacuteleacutereacute l a carbonatation de s oxydes meacutetalliques dans le milieu aqueux

En conclusion plusieur s paramegravetre s influence s l a cineacutefiqu e dadsorptio n d u CO 2 e t l a

formation de s carbonates C e son t donc laugmentatio n d e l a tempeacuterature d u rappor t LS

du temps de reacuteaction e t de l a pression partiell e d u CO2 les principaux facteur s qu i favorisen t

la conversion d u Ca en carbonates

38

134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s

Les boues rouge s des aluminerie s

La production de s boues rouges en 2006 sest chiffreacutee agrave 90 millions de tonnes dans le monde

dont troi s million s d e tonnes au Canada e t on preacutevoit un e augmentatio n d e production d e 6 0

par deacutecennie (Kumar et al 2006)

Le stockag e de s boue s rouge s repreacutesent e no n seulemen t u n problegravem e eacuteconomique agrave caus e

des coucirct s d e preacuteparatio n e t d e maintenanc e de s sites mai s auss i u n problegravem e

environnemental d ucirc agrave leur nature caustique

Les boues rouges son t ufiliseacutees dan s les domaines de (Sglavo et al 2000 Gupta et al 2001

Brunori et al 2005 Li et al 2006 )

constmction de s routes agrave cause de leur soliditeacute et de leur durabiliteacute

production d u ciment agrave cause de leur reacutesistance au gel et leur bas prix

fertilisation de s sols gracircce agrave leur teneur eacuteleveacutee en potassium e t en phosphate

extraction des oxydes de fer de scandium de plomb et de titan

fabrication d e ceacuteramique

neutralisation de s eaux des mines et des sites contamineacutes

Les scories des acieacuterie s

Lutilisation de s scorie s dans l e but de seacutequestrer l e CO2 est important e s i on considegravere qui l

se produi t actuellemen t 1 4 million s d e tonne s a u Canada 2 1 million s d e tonne s au x Eacutetat s

Unis e t 35 0 million s d e tonnes de scorie s dans l e monde (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e

tonne dacie r produit 02 8 agrave 1 tonne CO 2 son t eacutemi s dan s latmosphegravere Le s scorie s son t

utiliseacutees dan s plusieurs domaine s de leacuteconomie Le s principales ufilisation s de s scories son t

dans l e domain e d e l a constructio n (bitume ) e t comm e mateacuteriau x d e rembla i (Kharoune

2006) Des technique s reacutecente s permetten t l a reacutecupeacuteratio n d u phosphor e de s eau x useacutee s

(Soulard 2001)

39

Les scorie s d e typ e F P (Fou r Poche ) son t certifi eacute pou r u n usag e comm e amendemen t

calcique de s sol s (Procto r et al 2000) Dautre s utilisation s connue s de s scorie s son t dan s

les domaine s d e neutralisatio n de s eau x d e drainag e de s mines contr e leacuterosio n de s sols

comme mateacuterie l d e drainag e e t dadsorptio n de s meacutetau x lourds Mecircm e s i plusieur s

utilisations de s scorie s son t reacutepertorieacutees actuellemen t plusieur s dizaine s d e million s d e

tonnes de scories se trouvent accumuleacutee s su r des terrains partout dans l e monde

Les poussiegraveres de four des cimenteries (CKD )

La production mondial e de s CKD seacutelegravev e agrave 30 millions d e tonnes (Konsta-Gdouto s e t Shah

2003) Un e tregrave s faibl e proportio n (1 5 ) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x

dans le s industrie s agricole s e t d e l a construction Un e bonn e parti e (jusqu agrave 6 7 ) es t

reacuteutiliseacutee dan s le s fours d e production d u ciment e t le reste des CKD s e retrouvent e n pile ou

dans de s eacutetangs agrave proximiteacute de s usines On esfime agrave quatre million s d e tonnes d e poussiegravere s

accumuleacutees en Ameacuterique du Nord (Van Hoss et Padovani 2003)

Gracircce agrave leu r teneu r eacuteleveacute e e n calciu m e t potassiu m le s CK D son t tregrave s utiliseacutee s dan s l a

fertilisation de s sol s e t l a stabilisafio n de s eau x useacutee s e t de s boue s de s station s deacutepuration

Les CK D son t eacutegalemen t ufiliseacutee s avec succegrave s comm e remplissan t bitumineu x dan s l e

pavage e t l a toitur e dasphalte E n outre le s CK D e t le s cendre s volante s carbonate s

(utiliseacutees pour la seacutequestration du CO2) sont riches en carbonate d e calcium (CaC03 ) et de ce

fait elle s peuven t ecirctr e reacuteutiliseacutee s comm e mafiegravere s premiegravere s dan s l a fabricatio n d u ciment

Dans c e cas l e processu s d e carbonatatio n peu t ecirctr e consideacuter eacute comm e u n processu s d e

recyclage du ciment (lizuka et al 2004)

Les cendres volantes de s cimenterie s

Aux Eacutetat s Unies 708 millions de tonnes de cendres volante s d e tout genr e ont eacuteteacute produite s

en 2004 Preacutes de 40 de ces reacutesidus son t utiliseacutes comme additi f de ciment (Biemack i et al

2007) dan s de s bloc s d e maccedilonnerie comm e mateacuterie l e n alliage s leacutegers comm e matiegravere s

dagreacutegation fluides dan s l a chausseacuteeconstruction d e piste et comm e granule s de toiture

40

La plu s grand e applicafio n de s cendre s volante s es t dan s l e ciment bie n que d e nouvelle s

ufilisations creacuteatrice s pou r le s cendre s volante s soien t activemen t chercheacutee s (Konsta -

Gdoutos et Shah 2003 Kim 2004)

Pour l a peacuteriod e 200 3 agrave 2005 les centrales alimenteacutee s a u charbo n a u Canad a on t produi t e n

moyenne 45 2 M t de cendres volante s pa r anneacutee (Panagapko 2005) Dans lensemble 2 8

des cendre s volante s ont eacutet eacute reacuteutiliseacutes L e gyps e syntheacutetiqu e entr e dan s l a fabricatio n d e

panneaux d e placoplacirctre e t est utiliseacute agrave titre dadditif agrave ciment (Panagapko 2005) En Inde la

production d e cendre s volante s es t supeacuterieur e agrave 11 0 millions d e tonne s pa r a n e t seulemen t

20-25 de ces reacutesidus sont utiliseacutes agrave la fabrication d u ciment (Kumar et al 2005)

Reacutecemment Soon g et al (2006 ) on t propos eacute lutilisatio n de s cendre s volante s e t de s

solutions d e saumur e afi n d e seacutequestre r l e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuterale E n Europ e e t

selon le s anneacutees de 2 agrave 3 millions d e tonnes d e cendres volantes su r un e productio n total e

de 43 millions son t utiliseacutees en constructions d e routes soi t un taux dutilisatio n globa l dan s

ce secteur dactiviteacute d e 8

CHAPITRE 2

MATEacuteRIEL E T MEacuteTHODE S

Ce chapitr e preacutesent e l a meacutethodologie suivi e e t le s critegravere s d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacute s

lors d u projet boue s rouge s de s alumineries scorie s de s acieacuteries poussiegravere s d e fou r e t le s

cendres volantes des cimenteries

21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacute s

Des critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n on t eacutet eacute appliqueacute s pou r chacu n de s mateacuteriau x

cibleacutes Pa r critegravere s d e preacuteseacutelection o n sous-enten d tout e proprieacutet eacute physiqu e d e reacutesidu s

susceptible agrave preacutesente r de s danger s pou r l a sant eacute humain e telle s qu e de s odeur s

nauseacuteabondes deacutegagemen t d e ga z toxiques etc Le s reacutesidu s industriel s demandan t de s

proceacutedeacutes suppleacutementaire s afi n d e le s rendre non-toxique s o u ufilisable s avan t d e le s ufilise r

au laboratoir e on t eacutet eacute eacutecarteacute s d e l a preacutesent e eacutetude L a teneu r e n oxyde s meacutetallique s (CaO

MgO Si2 0 etc) l a teneu r e n meacutetau x lourd s (lixiviation) l e pH l a conductiviteacute l a

granulomeacutetrie son t le s principau x critegravere s d e seacutelectio n de s reacutesidus Huit reacutesidu s e t sous -

produits alcalin s ont eacuteteacute choisis pour reacutealiser leacutetud e su r l a seacutequestration d u CO2 deux type s

de boue s rouge s (humide s e t segraveches) trois types d e scorie s (FAEacute HF FP ) e t deu x type s d e

reacutesidus des cimenteries (poussiegraveres de four cendre s volantes)

211 Le s boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouges on t eacuteteacute foumies pa r Alcan Inc (Vaudreuil Queacutebec Canada) stockeacutee s dan s

des conteneur s hermeacutetiquemen t fermeacute s agrave 2 2 C L a couleu r roug e (Figur e 21 ) es t du e agrave l a

forte teneu r e n fe r e t so n p H eacutelev eacute es t l a conseacutequenc e d u traitemen t d e l a bauxit e agrave

lhydroxyde d e sodium (NaOH)

42

Boues rouge s humides

Boues rouge s segraveches

Figure 21 Photos des boues rouges humides et segraveches

Les boues rouges ont une granulomeacutetrie tregraves fine comprise entre 01 agrave 1000 pm une surface speacutecifique d e 1 0 agrave 4 0 m g e t un e mass e volum e trique qu i vari e d e 3 0 agrave 3 5 gcm ^ (Bonenfant et al 2006) Les boues rouges humides ont une sicciteacute de 50

Tableau 21 La composition chimique moyenne des boue s rouges Tireacute de Bonenfant (2006)

Composition en masse

Boues rouges

humides Boues rouges segraveches

AI2O3

193

19

CaO

58

77

FczOj

352

335

MgO

07

08

Na20

143

8

S1O2

53

96

43

Les oxydes preacutesenteacute s au tableau 21 font parti e des principales phases ( Hind et al 1999 Coolmg et al 2002 Cabeza et al 2003 ) comm e la portlandite (Ca (0H)2) le carbonate de sodium (Na2C03) le naal (0H)4 Na6[AlSi04]6 la cristalline dheacutematite (Fe203) la goethite (a-FeOOH) la gibbsite (Al (0H)3) la boehmite (y-AlOOH) la sodalite (Na4Al3Si30i2Cl) la anastase (Ti02) la mtile (Ti02) la katoite (Ca3Al2Si04(OH)i2) le gypse (CaS04 2H2O) et le quartz (Si02)

212 Le s scories des acieacuteries

Les scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c eacutelectrique) H F (hau t foumeau ) e t F P (fou r Poche ) on t eacutet eacute

foumies par la compagnie Mittal Canada Inc (Contrecoetu Queacutebec Canada)

Dans les usines inteacutegreacutees toutes situeacutees en Ontario des hauts fourneaux (voi r le scheacutema de production d e lacier Annex e II ) produisen t d u fe r primair e agrave parti r d e matiegravere s bmte s comme du minerai d e fer d u charbon e t de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006) Les scories sont inodore s e t ont une granulomeacutetrie fm e d e 0 agrave 5mm mais elles son t commercialiseacutee s aussi agrave une granulomeacutetrie de 5 agrave 14 mm (voir figure 22)

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP

Sont les pH eacuteleveacutes (12 agrave 13) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxydes meacutetalhques (Huijgen et al 2005) Les raisons principales de lutilisation des scories comme substrat de seacutequestration du

CO2

44

Les scorie s FO P et FP sont plus riches en calcium qu e cell e FAEacute tandis qu e le s scorie s F P

sont plu s riche s o n oxyd e daluminium Le s teneur s e n meacutetau x lourd s son t faible s pou r le s

trois types d e scorie s eacutetudieacutees Les scories d e type FO P et FA Eacute son t diffeacuterente s de s scorie s

HF (Figur e 22) Elle s son t plu s leacutegegravere s e t plu s riches e n fe r (Bonenfan t et al 2006) Le s

scories H F ayan t un e mass e volumiqu e d e 200 0 kgm ^ sont le s plu s leacutegegraveres tandi s qu e le s

scories FOP et FAEacute ont une masse volumique de 3000 kgm

Plusieurs phase s mineacuteralogique s composen t le s scorie s don t le s principale s son t l a

portlandite (Ca(0H)2 ) qu i es t geacuteneacuteralement l a phase dominante l a calcite l a magneacutesite le s

silicates e t diver s oxyde s tel s qu e de s oxyde s d e calcium d e magneacutesium d e fer d e

manganegravese e t de silicium (voi r tableau 14)Selo n Huijgen et al (2005) les conditions dan s

lesquelles le s scorie s son t geacuteneacutereacutee s deacuteterminen t le s proportion s d e ce s phase s dan s le s

scories (Huijgen et al 2005)

213 Le s poussiegraveres de four des cimenteries

Les poussiegravere s d e fou r on t eacutet eacute fourni e pa r le s cimenterie s St-Lauren t Inc (Longueuil

Queacutebec Canada) et Ciment Queacutebec Inc (St-Basil Queacutebec Canada)

Les poussiegraveres de four de cimenterie (voir figure 23) connues aussi sous le nom de laquocernen t

kiln dustraquo (CKD) sont des reacutesidus industriel s reacutecupeacutereacutes pa r les filtres eacutelectrostatiques (Doy e

et Duchesne 2003 ) lor s d e l a fabricatio n d u clinke r (voi r l e scheacutem a d e l a fabricatio n d u

ciment Annexe III) Les CKD ont une granulomeacutetri e tregrave s fine variant de 01 agrave 10 0 pm une

surface speacutecifiqu e d e 46 agrave 14 0 m g Les CKD ont une masse volumique de 480 kgm mai s

compacteacutees leur masse volumique peut atteindre 135 0 agrave 150 0 kgm^ (The Feacutedeacutera l Highway

Administration 2006) L a compositio n chimiqu e moyenn e de s CK D es t repreacutesenteacute e a u

tableau 15

45

Figure 23 Photo des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD)

Tireacute de Doye et Duchesne (2003)

Les CKD hbegraveren t tregrave s rapidemen t d e fortes concentration s e n potassium e n sulfat e e t en alcaliniteacute (Doye et Duchesne 2003) La quantiteacute doxyde de CKD deacutepend du type de four la source des matiegraveres du type de carburant utiliseacute et la maniegravere dont les CKD ont eacuteteacute reacutecupeacutereacute par le systegraveme

Lanalyse mineacuteralogiqu e de s CKD montre quelles sont composeacutees de calcite (CaC03) de dolomie (CaMg(C03)2 d u quart z (Si02) l e portlandit e (Ca(0H)2 de s sel s darkanit e (K2SO4) d e gyps e (CaS04) d e sylvit e (KCl) dhalit e (NaCl ) e t dettrengit e (Ca6(Al)2(OH)i 2(804)326 H2O + 6 H2O)

214 Le s cendres volantes

Les cendres volante s (voi r figure 24) on t eacutet eacute fournie s pa r le s cimenteries St-Lauren t Inc (Longueuil Queacutebec Canada)

46

Figure 24 Phot o des cendres volantes

Les particule s d e cendre s volante s son t l a plupar t d u temp s spheacuterique s avec un e surfac e

speacutecifique d e 25 0 agrave 60 0 m kg Les cendre s volante s d e class e C on t u n p H d e 1 2 e t un e

masse volumiqu e d e 234 0 kgm ^ (Biemack i et al 2007) L a compositio n chimiqu e de s

cendres volantes es t deacutecrite au tableau 16

Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestrer jusquagrave 2 6 kg de CO2 (Montes-Hemandez

2009)

En geacuteneacuteral le s phase s mineacuterale s preacutesentes (Biemack i et al 2007 ) dan s cendre s volante s

sont l e quartz (Si02) l a mullite (3AI2O 3 JE 2Si02) l a plagioclase (Na Ca (Si Al) 40raquo) l a

gehlenite (Ca2A l [AlSiO]) lanhydrit e (CaS04) lheacutematit e (Fe203) Fhalit e (NaCl) l a

sylvinite (KCl) et la calcite (CaC03)

47

22 Meacutethode s expeacuterimentale s

221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacute s

La compositio n chimiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s (scorie s e t boue s rouges ) a eacutet eacute eacutevalueacute e pa r

fluorescence agrave rayon X agrave laid e du n spectromegravetr e Philip s PW2400 Ell e a permis lanalys e

quantitative de s principaux composant s tels que 1 e CaO le FeO et le MgO Ces mesures ont

eacuteteacute reacutealiseacutee s e n triplicat a su r de s eacutechantillon s d e diffeacuterent s lot s de s mateacuteriau x cibleacute s e t

utiliseacutees pour lensemble de s expeacuterimentations

222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductivit eacute

Le p H e t l a conductivit eacute de s meacutelange s lixivieacute s on t eacutet eacute mesureacute s selo n le s meacutethode s

respectives normaliseacutee s 4500-H^- B e t 2510- B (APHA 1989 ) ave c l e pH-megravetr e numeacuteriqu e

PHM 250 ION Analyser ains i que le conductimegravetre numeacuteriqu e CD M Conductivit y Mete r de

la compagni e MaterLab^^ Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute on t eacutet eacute mesureacutee s pou r

chacun des mateacuteriaux cibleacutes avant et apregraves la carbonatation ains i que sur tous les eacutechantillon s

preacutelixivieacutes e t non preacutelixivieacutes filtreacutes e t non-filtreacutes L a filtration a eacuteteacute reacutealiseacute agrave laide d e filtres

Filtropur steacuterile s en aceacutetates de cellulose ayant un diamegravetre de 045 pm

223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin

Lalcaliniteacute de s mateacuteriau x a eacutet eacute mesureacute e agrave laid e d u fitreur automatiqu e TIM86 5 Titrafio n

manager e t d u logicie l Titramaste r 85V130 L e titrag e a eacutet eacute effectu eacute ave c d e lacid e

chlorhydrique (HCl ) 1 N Afi n deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestrafio n de s hui t mateacuteriau x

testeacutes le s reacuteserve s alcaline s de s matrice s on t eacutet eacute mesureacutee s dan s de s eacutechantillon s ayan t de s

granulomeacutetries industrielles Le s eacutechantillons contenaien t 1 0 g de mateacuteriaux cibleacute s e t 20 mL

deau deacuteioniseacute e e t ont eacuteteacute agiteacutes agrave 20degC et 200 rpm et titreacutes par titrage automatique ave c HCl

IN L e bu t d e lactivit eacute eacutetai t deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestratio n de s mateacuteriau x cibleacute s e n

partant de leurs pH naturel jusqu agrave pH 8 3 soi t le pH limite de formafion de s carbonates

48

224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en cuveacutee

Des essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute reacutealiseacute s ave c le s hui t reacutesidu s alcalin s cibleacutes Le s capaciteacute s

dabsorption de s mateacuteriau x choisi s on t eacutet eacute deacutetermineacutee s pa r l e barbotag e d u CO 2 (15 e n

volume CO2N2 ) e n fonctio n d e temp s donneacute s d e reacuteactio n 24 e t 4 8 heures L e choi x d u

meacutelange 1 5 e n volume CO2N 2 a eacutet eacute fai t e n tenan t compt e de s eacutemission s reacuteel s e n CO 2

quune chemin eacute dusine rejett e dan s latmosphegravere ( 8 agrave 1 5 ) Cette opeacuteration a eacuteteacute effectueacute e

dans des Erleinmeyer d e 250 mL qui contenaient 2 0 g de reacutesidu e t 200 mL deau deacuteioniseacute e agrave

20 C avec u n deacutebi t d e 5 mlmin duran t 2 4 e t 4 8 heures sou s un e agitatio n d e 20 0 rpm L e

tableau ci-dessous illustr e le s paramegravetres dexpeacuterimentation

Tableau 22 Paramegravetre s dexpeacuterimentatio n

Paramegravetres Temps

Tempeacuterature Pression

Granulomeacutetrie Volume deau distilleacute e Rapport liquidesolid e

(LS) Vitesse de rotation

Mesures 2448

Constante Atmospheacuterique

Industrielle 200 10

200

Uniteacutes Heures 20degC atm pm mL

kgkg

rpm

Le pH e t l a conductivit eacute ont eacutet eacute mesureacute s selo n le s technique s deacutecrite s preacuteceacutedemment Le s

quantiteacutes d e carbon e absorbeacutee s ont eacutet eacute mesureacutee s agrave laid e danalyseu r DC-85 A TO C d e l a

compagnie Dohrman n Divisio n C o muni dun fou r agrave combustion (800degC) dun flux conten u

doxygegravene e t du n tub e agrave catalyse contenan t d e loxyd e d e cobal t su r alumine Lanalyseu r

est eacutetalonn eacute ave c un e solutio n d e biphtalat e d e potassiu m agrave un e concentratio n e n carbon e

organique d e 200 0 mg-CL Le s concentration s e n carbon e organiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s

lixivieacutees non-lixivieacutees filtreacutees e t non-filtreacutees on t eacutet eacute mesureacutees apregrave s linjectio n d e 20-40 p L

dans le four d u TOC-megravetre

Avant linjectio n dan s l e fou r d u TOC-megravetr e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute agiteacute s ave c u n

baveau magneacutetiqu e agrave environ 50 0 trmin

49

Les concentration s e n carbon e organiqu e d e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute eacutevalueacutee s pa r l a

soustraction de s quantiteacute s d e carbon e mesureacutee s avan t e t apregrave s l a carbonatatio n d e ce s

eacutechantillons

La seacutequestratio n d u CO 2 a eacuteteacute fait e e n bouteille s d e Pyre x d e 25 0 mL Ce s dernier s eacutetaien t

ouverts agrave latmosphegravere L e CO 2 a eacuteteacute inject eacute agrave partir du n meacutelang e d e ga z de reacuteservoir e t l e

deacutebit d e ga z a eacutet eacute controcircl eacute agrave laid e du n deacutebitmegravetr e agrave flotteur e n acie r inoxydabl e d e Cole -

Pamier Instmment Co La reacutepartition uniform e d u gaz dans la boue rouge en milieu aqueux a

eacuteteacute reacutealiseacute e agrave laid e du n diffuseu r poreu x situ eacute agrave linteacuterieu r d e chaqu e fiole coniqu e (voi r

figure 2 5 et photo Annexe VIII) Les eacutechantillons ont eacuteteacute jeteacutes apregraves chaque analyse

Deux types dessais on t eacuteteacute conduits

bull essai s de barbotage preacutelixivieacute s pour lesquels le s eacutechantillons ont eacuteteacute lixivieacutes pendant 24 h

et 48h puis barbotes avec le meacutelange enrich i en CO2 pour une mecircme dureacutee

bull essai s de barbotage non preacutelixivieacutes pour lesquels leacutetape d e lixiviation a eacuteteacute supprimeacutee

Il fau t note r qu e pou r le s deu x temp s dadsorptio n d u CO 2 le s eacutechanfillon s utiliseacute s pou r l a

seacuterie de 24 heures sont diffeacuterents d e ceux utiliseacutes pour la seacuterie de 48 heures

50

Vent to atmosphegravere

Suspension of red mud or leachate

Diffuser mdash

Ecirc3

izzi nz o o o o Shaker

^ H = ^

Flowmeter

Gas mixture reacuteservoir

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee Adopteacute de Bonenfant et al (2008 )

Capaciteacute dadsorption du CO2

La capaciteacute dadsorption (Kco2 ) du C02^ par les reacutesidus alcalins a eacuteteacute deacutetermineacutee en fonction

du rapport liquide solide (LS) agrave la fois pour des essais preacutelixivieacutes et non preacutelixivieacutes

Celle-ci est donneacutee par la formule suivante

^ TOGeacuteiunJ(ppmQ - TOQireacuteppmQ) M(CCh)I MQ KC02 (g COicirclOOg de reacutesidu) = a bull

1000 (21)

ougrave M(C02) et M(C) sont respectivement les masses molaires (gmol) de CO2 et de C

Et a es t un facteur de conversion qui se calcule comme suit

a 100

ms(g) ms( 2)

( ^ ^ +200mL)000mLL) ps(glmL)

ms masse de reacutesidus utiliseacute dans lessai en g

ps masse volumique du reacutesidu alcalin en gcm^

51

225 Meacutethode s e t appareillages analytique s

Le tableau 2 3 reacutesum e le s meacutethodes e t les appareillages utiliseacute s pour le s diffeacuterentes analyse s

qui ont eacuteteacute reacutealiseacutees au cours de la preacutesente eacutetude

Tableau 23 Meacutethodes et appareillages analytique s appliqueacutee s

Type danalyse

pH

Conductiviteacute

Alcaliniteacute

Ca Na K Mg Fe

Carbone organiqu e

Meacutethodes danalys e

4500-H+-B PHM APHA 198 9

2510-B APHA 198 9

2320B APHA 198 9

3500 APHA 198 9

APHA 198 9

Appareillage

pH-megravetre 250 Ion Analyser

(MeterLabiM) Conductimegravetres numeacuteriqu e CDM Conductivity Mete r

(MeterLabiumlM) TIM865 Titration manage r + logiciel Titramaste r 8 5

V130 ICP-AES-IRIS ADVANTAGE

THERMOELECTRIQUE 2000

Analyseur DC-85 A TO C Dohrmann Divisio n Co

Apollo 9000 TOC Combustion Analyze r de

la compagnie Dohrmann Divisio n Co

CHAPITRE 3

RESULTATS ET DISCUSSION S

Les reacutesultat s obtenu s suite s au x essai s reacutealiseacute s seron t preacutesenteacute s e t discuteacute s dan s c e chapitre

Afin d e seacutelectionne r le s troi s reacutesidu s alcalin s ayan t le s meilleur s potentiel s d e seacutequestratio n

du CO2 des essais de seacutequestration d u CO2 de 24 et 48 heures ont eacutet eacute reacutealiseacutes Pour ce faire

les reacutesultats de leacutevolution d u pH de la conductiviteacute du potentie l d e seacutequestration d u CO2 et

du pouvoi r alcali n seron t preacutesenteacutes Enfin le s reacutesultat s de s essai s d e l a cineacutetiqu e d e

ladsorpfion d u CO 2 reacutealiseacute s ave c l e mateacuteria u ayan t deacutemontr eacute l e meilleu r potentie l d e

seacutequestration seron t discuteacutes

31 Evolutio n du pH et de la conductivit eacute

311 Essai s d e 4 8 heures

La figur e 3 1 illustr e l a variation d u pH des huit reacutesidu s apregrave s 48 heures d e seacutequestratio n d e

CO2 L e graphiqu e deacutemontr e clairemen t qu e tou s le s reacutesidu s on t sub i de s baisse s

remarquables d e p H apregrave s 4 8 heure s dadsorptio n d e CO2 Le s p H initiau x (voi r tablea u

31) de s troi s scorie s varien t d e 11 2 agrave 11 9 e t il s on t baisseacute s d e preacute s d e 6 uniteacute s pou r

atteindre l a valeu r d e 7 2 pou r le s scorie s S3 La figur e 3 1 deacutemontr e qui l y a tregraves pe u d e

variation d e p H entr e le s deu x valeur s extrecircme s d u p H conceman t le s deu x type s d e boue s

testeacutees En effet l a variation du pH concemant le s boues rouges humides preacutelixivieacutee s e t non

preacutelixivieacutes ne deacutepasse pas les deux uniteacutes Dans le cas des boues rouges segraveches (preacutelixivieacutes e t

non preacutelixivieacutes) la diffeacuterenc e es t moindr e soi t 1 5 uniteacutes E n revanche l a diminufio n de s

valeurs d u p H pa r rappor t agrave l a valeu r d u p H initia l es t remarquabl e du 12 6 agrave 72 Le s

poussiegraveres d e fours C l e t C2 ont obtenu le s plus fortes baisse s de pH dan s leur s formes non -

filtreacutees Toutefois seulemen t l e C 2 preacutelixivieacutee s e t non-filtr eacute a subi e un e baiss e d e p H

infeacuterieur agrave 70 soi t pregraves de 68 uniteacutes

53

Il fau t souligne r qu e le s diffeacuterence s d e p H entr e le s quatr e eacutechantillon s d e C l son t minime s

soit 0 1 unit eacute contrairemen t agrave celle s d e C 2 qu i son t di x foi s plu s grande s soi t un e uniteacute E n

revanche tous le s eacutechantillons de s cendres volantes F subis des baisse s remarquable s d e pH

variant de 66 agrave 68 uniteacutes

Ces reacutesultat s prouven t qu e l a lixiviation e n geacuteneacuteral jou e u n rocircl e minim e su r l e p H pe u

importe l e reacutesid u utiliseacute Toutefois le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s

meacutetallique tell s qu e Ca Mg Al Fe ^ selon Bonenfan t (2008) Ce son t ce s ions e t leur s

oxydes respectifs qu i assurent le pH et les conductiviteacutes eacuteleveacute s des reacutesidus cibleacutes

Tableau 31 Le s valeurs des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouge s humides (Bl )

Boues rouges segraveche s (B2)

Scories SAE (SI ) Scories FP (S2) Scories HF (S3)

CKD St-Lauren t C l CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

pH

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

115

115

115 116 118 126

-

-

48 heures

126

121

116 118 116 127 125

95

Non-filtreacute 24

heures 117

116

119 116 119 130

-

-

48 heures

126

121

119 119 117 127 127

92

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

121

120

112 114 115 128 125

88

Non-filtreacute -

124

122

115 124 117 128 126

89

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute (figur e 32) s i on compare ce s reacutesultats avec ceux d u

pH on peut constate r qui l exist e un lie u direct entr e leacutevolutio n d u pH e t leacutevolutio n d e la

conductiviteacute plu s le s valeur s d e p H augmentent plu s le s valeur s d e l a conductivit eacute

augmentent aussi Cett e relatio n peu t sexplique r pa r un e teneur plu s eacutelev eacute de s meacutetau x dan s

la solution surtou t dans les solutions de CKD

54

B1 B 2 S I 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

C2

Figure 31 Eacutevolution du pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutees ( bull ) non filtreacutes (o ) lors des essais de 48 heures

Il est coimu quen geacuteneacuteral les ions meacutetalliques en solution tels que Ca Mg Na^ forment

des eacutelectrolyte s beaucou p plu s puissant s qu e ceu x de s non-meacutetau x dougrave le s valeur s plu s

eacuteleveacutees de conductiviteacute des CKD (Cl) Toutefois s i on compare les valeurs de conductiviteacutes

initiales reacutesumeacutees au tableau 32 des scories FAEacute HF et les cendres volantes F on remarque

que contrairemen t au x autre s reacutesidus leur s valeur s d e conductivit eacute apregrave s 4 8 heure s d e

carbonatation ont augmenteacutes Ces reacutesultats corroborent ceux obtenus par Bonenfan t (2008)

Bonenfant expliqu e cet eacutecart par la preacutesence des oxydes amphotegraveres dans la solution tels que

lAl203 qu i diminuen t substanfiellemen t leur s influence s su r l e p H de s mateacuteriau x cibleacute s

comparafivement agrave ceux des oxydes fortement basique s tels que les oxydes de calcium et de

sodium

55

Tableau 3 2 Les valeurs des conductiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories SA E

(SI) Scories FP (S2) Scories HF (S3 ) CKD St-Lauren t

Cl CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

Conductiviteacute e n mS

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

58

43

05

69 11

243

-

-

48 heures

72

44

03

77 18

187

69

18

Non-filtreacute 24

heures 63

47

06

66 15

262

-

-

48 heure s

78

49

07

71 19

251

85

16

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

59

44

06

59 10

208

92

14

Non-filtreacute -

62

45

07

61 14

172

100

14

En revanche l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s daluminiu m dan s le s lixiviat s de s boue s

rouges e t des scorie s FA Eacute es t susceptibl e decirctre en partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees d e

conductiviteacute d e ce s troi s solution s selo n Bonenfan t (2008) I l es t inteacuteressan t d e constate r

encore un e foi s qu e l a preacutelixiviation comm e dan s l e cas d u pH a tregraves pe u dincidenc e su r

leacutevolution d e l a conductiviteacute E n fait i l nexist e aucun e diffeacuterenc e significafiv e d e

conductiviteacute entre le s reacutesidus preacutelixivieacutes et non-preacutelixivieacutes comme le deacutemontre l a figure 32

56

21

co18

bull^12

bullB 9 o ^ 6 O O 3

B1 8 2 81 82 8 3 C 1 C 2

Types de reacutesidus

Figure 32 Eacutevolution de la conductiviteacute des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) no n filtreacutes (bull) etnon-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull) no n filtreacutes (0) lors des essais de 48 heures

312 Essai s de 24 heures

Tel quexpliqu eacute preacuteceacutedemment le s essai s d e seacutequestratio n d u CO 2 d e 2 4 heure s on t eacutet eacute

reacutealiseacutes dans le but de deacutecouvrir sil existai t une diffeacuterence significativ e entr e les deux temps

de seacutequestratio n d u d e CO 2 eacutetudieacutes 24 e t 4 8 heures Pou r c e faire le s reacutesidu s qu i on t

obtenus le s meilleurs reacutesultat s de seacutequestration du CO2 lors des essais de 48 heures ont eacuteteacute

soumis agrave des tests de seacutequestration de 24 heures Ces reacutesidus sont le s boues rouges (humides

et segraveches) les scories (FAEacute FP HF) et les CKD St Laurent

La figure 33 illustre les reacutesultats de leacutevolution du pH apregraves 24 heures de barbotage de CO2

On remarque que les valeurs de pH des Bl B2 SI S3 et Cl son t tregraves semblables Ils varient

de 69 (Cl preacutelixivi eacute filtreacute) agrave 82 imiteacutes (SI non - preacutelixivi eacute filtreacute)

57

12 n

m lU

0

4

2

0

i I -i IM i i [ML 1

i I I Lli 1

m 1 i I m 1

i i i ji I

n 1 i Lli -] B1 8 2 8 1 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

Figure 3 3 Eacutevolutio n d u pH de s si x reacutesidu s preacutelixivieacute s filtreacutes (D) no n filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes (bull) no n filtreacutes (s ) lors des essais de 24 heures

Les scories S2 se deacutemarquent par leurs valeurs de pH eacuteleveacutees soient de 93 (preacutelixivieacute filtreacute)

agrave 100 4 (non-preacutelixivieacute non-filtreacute) Ce s reacutesultat s deacutemontren t qu e le s scorie s S 2 relacircchen t

plus difficilemen t le s ion s meacutetalliques qu e l e reste de s reacutesidus alcalins Rappelon s qu e le s

CKD (Cl ) on t obten u le s plu s forte s baisse s d e p H pa r rappor t au x valeur s avan t l a

carbonisation soi t plu s d e 6 uniteacutes Toutefois le s diffeacuterence s d e p H entr e le s eacutechantillon s

preacutelixivieacute e t non-preacutelixivi eacute son t moin s significative s soien t d e 0 1 agrave 1 uniteacute Ce s reacutesultat s

deacutemontrent encore une fois qu e la preacutelixiviation a peu dincidence sur leacutevolution du pH

Quant agrave leacutevolution d e la conductiviteacute l a figure 3 4 permet d e constater qu e le s valeurs de

conductiviteacute obtenues sont tregraves semblables avec celles obtenues lors les essais de 48 heures

car les meacutecanismes qui reacutegissen t la libeacuterafion des ions meacutetalliques sont identiques

58

30

lto25 E S 20

gt 15 o = 10

B1 62 81 8 2

Types de reacutesidus

83 CI

Figure 34 Eacutevolution de la conductiviteacute des six reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull ) non filtreacutes (3) lors des essais de 24 heures

32 Deacuteterminatio n du pouvoir alcalin

Les reacutesultats de s essai s d e titrage reacutealiseacute s avec le s hui t reacutesidu s (voi r le s reacutesultat s complet s

Armexe VI ) son t illustreacute s respectivemen t pa r le s figure s 3 5 agrave 37 Le s reacuteserve s alcaline s

calculeacutees agrave parti r d e ce s figure s son t reacutesumeacute s dan s l e tablea u 33 Ce s reacutesultat s indiquen t

clairement qu e le s quantiteacutes dacide chlorhydriqu e (acide fort ) neacutecessaire s pour atteindre le

pH 8 3 (p H d e saturatio n e n CaC0 3 dun e solutio n agrave leacutequilibr e e t agrave l a pressio n

atmospheacuterique) son t d e 8 agrave 1 1 foi s plu s eacuteleveacutee s dan s l e ca s de s scorie s dacieacuterie s

comparativement au x boues rouges de 2 agrave 27 fois plus eacuteleveacutees que les CKD et jusqu agrave 38

fois plus eacuteleveacutees que les cendres volantes Les cendres volantes ont un pouvoir alcali n tregraves

faible seulement 2 mL de HCl on suffit pou r baisser le pH initial en-dessous de 5 uniteacutes Les

CKD preacutesentent des pouvoirs tampons les plus eacuteleveacutes parmi les reacutesidus alcalins suivis par les

scories HF et FP

59

Tableau 33 Reacuteserves alcalines des huit reacutesidus

Type de reacutesidu

Boues rouges humides ( B 1 ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FAE (SI ) Scories FP (S2 ) Scories HF (S3 ) CKD (Cl ) CKD (C2 ) Cendres volantes (F )

pH

83

Reacuteserve alcaline (mole de HCIkg de reacutesidu)

038 04 31 39 43 14 16

012

En revanche le s boue s rouge s on t u n pouvoi r tampo n beaucou p plu s faibl e compar eacute au x

autres reacutesidus mentionneacutes ci-dessus mais plus eacuteleveacute que les cendres volantes Les particules

solides contribuent pou r 7 6 du pouvoir neutralisant de s boues rouges e t l a phase liquide

pour 24 constate Bonenfant et al (2008)

14 1

12

10 -

8 -

6 -

4 -

2 -

n -u 1

(

icirc-~~-icircraquo^^

1

) 1 0

bull ^

1 1 1

20 3 0 4 0

HCIlNenml

V

I

50

1

60

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FA E (bull) FP (bull) e t HF (0) en fonction du volume dacide ajouteacute

60

Figure 36 Courbes d e titrage des CKD Cl (bull ) e t C2 (bull) e n fonctio n du volume dacide ajouteacute

16-

14 A

pH

00 O

to

1 1 1

r-1

6 -

4 -

2 -n -

4P

^ ^HU

u T 1

0 1 0

Vp-

^9laquo^--f^-^^

20 3 0 4 0

H C I l N e n m l 50

Figure 37 Courbes de titrage des boues rouges segraveches (D ) et humides (bull) en fonction d u volume dacide ajouteacute

61

Ces reacutesultats indiquen t qu e les scories dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute de neutralisation plu s

eacuteleveacutee qu e tou s le s autre s reacutesidus D e plus le s scorie s H F son t le s plu s reacuteactive s ave c un e

reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en solution aqueus e

Cette eacutetap e d e la preacutesent e eacutetud e a consist eacute agrave mesure r le s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 en

solution pa r le s hui t reacutesidu s alcalins Lobjecfi f principa l d e cett e eacutetap e eacutetai t deacutevalue r l a

variation d u potentie l d e seacutequestratio n pa r le s matrice s de s reacutesidu s e t d e leur s lixiviat s

pendant 2 4 e t 4 8 heure s afi n d e seacutelectionne r le s reacutesidu s ayan t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration Cett e eacutetap e visai t eacutegalemen t agrave deacutetermine r si l exist e un e diffeacuterenc e

significative de s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s entr e le s deu x temp s d e

seacutequestration Enfin leacutetud e d e l a cineacutetiqu e d e seacutequestratio n pa r l e reacutesid u alcali n ayan t

obtenu l e meilleur rendemen t dadsorptio n d u CO2 lors les deux seacuterie s dessais a pour bu t de

mieux comprendre c e processus

331 Essai s de 4 8 heures

Les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit reacutesidus sont repreacutesenteacutes agrave la figure 38 Le CO2

injecteacute agrave deacutebi t constan t s e transform e e n phas e aqueuse c e qu i impliqu e un e baiss e d e p H

mais auss i un e adsorptio n d e CO2 Il s deacutemontren t qu e le s scorie s H F e t F P obtiennen t le s

meilleures reacutesultat s (voi r le s reacutesultats complet s Annex e IV ) dadsorpfion d u CO2 suivies pa r

les CKD d e type C l e t C2 Les de boues rouges humides (Bl ) e t segraveche s (B2 ) preacutesentent de s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 beaucoup moin s importante s mais plu s importante s qu e

les cendres volantes (F) La figure 38A indiqu e les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit

reacutesidus non-preacutelixivieacutes O n remarqu e qu e le s eacutechantillon s non-filtreacutee s (matrice s + lixiviats )

des scorie s S 2 e t S 3 obfiennen t le s meilleurs reacutesultat s dadsorpfio n d u CO 2 soien t 008 3 e t

0084 g de C02g de reacutesidu suivies par les Cl qu i preacutesente des capaciteacutes dadsorption d e 008

g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

62

Bl B2 S I 8 2 S 3 C I 0 2

Types de reacutesidus

15 07|

F

81 82 S I S 2 S 3 C I C 2

Types de reacutesidus

1214

Ll F

Figure 38 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 8 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes (D ) e t non- filtreacutes (bull ) lor s des essais de 4 8 heures

63

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s segraveche s e t humide s non-filtreacutee s offren t de s rendement s

infeacuterieurs agrave 60 compareacutes agrave ceux de s scories S 2 et S3 Les cendres volante s offre s le s plus

faibles reacutesultat s dadsorption soi t 0015 g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

Si o n compar e le s graphique s A e t B o n remarqu e qu e l a lixiviatio n a e u de s impact s

diffeacuterents su r le s hui t reacutesidu s testeacutes Le s boue s rouge s humide s e t segraveche s e t le s cendre s

volantes ont eacutet eacute plus sensibles agrave la lixiviation e n deacutemontrant de s reacutesultat s presqu e identique s

dadsorpfion d u CO2 L a figur e 48 B illustr e u n autr e fai t inteacuteressant Le s meacutelange s

(matrices+ lixiviats ) de s scorie s S 2 e t de s poussiegraveres d e fou r de s cimenterie s C 2 offren t de s

meilleurs tau x dadsorptio n d u CO 2 que le s lixiviat s seuls C e reacutesulta t peu t sexplique r pa r

tme preacutesence plus eacuteleveacutee des ions meacutetalliques dans les matrices que dans la solution

Les scorie s F P ont u n pouvoi r d e seacutequestratio n d u CO 2 qui peu t atteindr e 010 7 g de C02 g

de scorie s soi t l e tripl e d u pouvoi r de s boue s rouges C e hau t nivea u dadsorpfio n peu t

sexpliquer pa r l a teneur eacuteleveacute e en CaO jusquagrave 31 7 de Si0 2 (91) e t MgO (6 ) selo n

Huijgen et al (2005) Ce s oxyde s on t l a proprieacutet eacute d e reacuteagi r facilemen t ave c l e CO 2 e t d e

former de s carbonates stables

332 Essai s de 2 4 heure s

La figure 3 9 illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 apregraves 2 4 heure s d e carbonatatio n pa r

les si x reacutesidu s seacutelectionneacute s (voi r le s reacutesultat s complet s Armex e V) Lallur e geacuteneacuteral e de s

graphiques de la figure 39 sapparent e agrave celle de la figure 38 Comme dans l e cas des essai s

de 4 8 heures le s scorie s S2 S 3 e t le s CK D typ e C l no n - preacutelixivieacute s offren t le s meilleur s

reacutesultats dadsorptio n d u CO2 Les boues rouge s segraveche s (non-filtreacutes ) preacutesente s de s capaciteacute s

dadsorption d u CO2 20 supeacuterieures agrave celles humides e t 45 infeacuterieure s au x scorie s S3

La figure 39 A illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 par le s si x eacutechantillon s preacutelixivieacute s

pendant 2 4 heures

64

CM O O agt

O)

O)

O)

o 0)

laquo - s = ltr t

O) I -V)

laquoM O O 0)

bullo o

7 4gt

bull O

O) o o mdash lt1) -gt (A 0) 3

(A

(A 3

bull O

res

h

5 ^

4

3 18

A

29

6

5

4

3

2

1

0

B

35

65

36

81 8 2 S 1 S 2 S 3

Types de reacutesidus

Bl B 2 8 1 8 2 8 3

Types de reacutesidu s

CI

CI

Figure 3 9 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 6 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacute s (B ) filtreacutes (D ) e t non - filtreacutes (bull ) lor s de s essai s d e 24 heures

65

La preacutelixiviatio n sembl e davoi r u n impact e positi f su r ladsorptio n d u CO 2 pa r le s troi s

types de scories et les boues rouges humides non-filtreacutes

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s humide s ont augment eacute respectivemen t leu r pouvoi r

dadsorpfion d e CO 2 d e 5 2 e t d e 27 pa r rappor t au x eacutechantillon s non-preacutelixivieacutes Le s

faibles reacutesultat s dadsorption d u CO2 par les eacutechantillons preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes

deacutemontrent qu e le s carbonates s e trouvent majoritairemen t dan s le s matrices e t non dan s le s

lixiviats

La comparaison de s reacutesultats obtenus de la seacutequestration d u C02 lor s des deux seacuterie s de tests

permet d e constate r qu e le s diffeacuterence s d e gain s son t tregrave s diffeacuterentes Le s plu s grande s

diffeacuterences d e gain s son t enregistreacutee s pa r le s scories S 3 e t S 2 respectivement lor s des essai s

de 2 4 e t 4 8 heures D e plus le s scorie s S 2 obtiennen t le s plu s haut s gain s sou s leu r form e

preacutelixivieacutee contrairemen t au x scorie s S 3 qu i obtiennen t le s meilleur s reacutesultat s sou s leu r

forme non-preacutelixivieacutee D e ce fait o n peut conclur e qu e l a carbonatation peu t ecirctr e influenceacute e

par l e temps d e preacutelixiviation de s oxydes meacutetallique s s i la preacutelixiviation es t supeacuterieur e agrave 24

heures

34 Cineacutetiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP

Leacutetude de s potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 par le s hui t reacutesidu s testeacute s a releveacute qu e le s

scories F P (S2 ) offren t l e meilleu r potentie l d e seacutequestration D e c e fait i l import e don c

deacutetudier l a cineacutefique dadsorpfio n d u CO2 par ce reacutesidu alcalin afi n d e mieux comprendr e c e

processus L e choi x de s scorie s non-preacutelixivieacutee s s e justifi e pa r leur s rendement s d e

seacutequestrafion d u CO 2 qui son t plu s eacuteleveacutes par rappor t agrave celles preacutelixivieacutees Pou r c e faire le s

reacutesultats d e leacutevolutio n d u pH de conducfiviteacute e t de ladsorpfio n d u CO 2 seront preacutesenteacute s e t

analyseacutes

66

Les figures 31 0 e t 311 illustrent leacutevolutio n d u pH et de la conducfiviteacute de s scories F P non-

preacutelixivieacutees apregrave s 8 heures de carbonatation (voi r le s reacutesultats comple t agrave F Armexe VII) Huit

mesures de s valeur s d e pH e t conductiviteacute ont eacutet eacute reacutealiseacutees soi t apregrave s 0 25 5 10 20 60

120 et 480 minutes

1 12 bull

11 -

X ^ 10 -

9-

8-

7 1

^ ^ _

^ ^ ^ N gt N L

1 1

l 1 0 10 0 Temps d e barbotage a u C02 (e n min)

1

1000

Figure 31 0 Eacutevolutio n d u p H de s scorie s F P filtreacutees (bull) no n filtreacutees (D) e n fonction d u temps de barbotage au CO2

Le pH et l a conductiviteacute son t lieacute s par les mecircmes meacutecanismes soi t ceu x d e libeacuteration de s ion s

meacutetalliques d e calciu m e t d e magneacutesiu m dan s l a solufio n pa r le s particule s solide s degrave s l e

deacutebut d e l a reacuteaction Le s baisse s de s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute sexpliquen t pa r l a

reacuteaction de s ion s meacutetallique s ave c l e CO 2 qu i es t transform eacute preacutealablemen t e n acid e

carbonique e t l a formation de s carbonates Le s ions e t le s oxydes amphotegravere s reacuteagissen t pe u

dans l a solufio n e t d e c e fait il s ont pe u dimpac t su r l e p H e t l a conducfiviteacute Ces t

seulement apregrave s les dix premiegraveres minutes quon observ e une baisse significative de s valeur s

de pH et de conductiviteacute

67

Ce consta t es t e n accord ave c le s reacutesultats obtenu s pa r Hujge n et al (2006 ) e t Bonenfan t et

al (2008) Mecircm e s i ces auteur s ont travaill eacute ave c de s scorie s ayan t un e granulomeacutetri e plu s

fine (38-16 0 pm) le s preacutesent s travau x conduisen t agrave l a mecircm e conclusio n queu x le s ion s

meacutetalliques s e libegraveren t de s matrice s degrave s l e deacutebut d u processus d e carbonatatio n soi t entr e l e

deuxiegraveme e t l a dixiegravem e minute Selo n ce s auteurs l a concentratio n d e calciu m augment e

presque lineacuteairemen t agrave laugmentatio n d u temp s d e reacuteaction jusquagrave enviro n 1 0 min Apregrave s

cela l a concentratio n nivegravel e o u diminue L a sursaturatio n a e u lie u parc e qu e l e tau x d e

deacutepocirct d e carbonat e d e calciu m agrave parti r d e l a solutio n eacutetai t beaucou p plu s len t qu e l e tau x

dextraction de s ions calcium agrave partir des deacutechets de ciment (lizuk a et al 2004)

CZ5

3 -a S O

6

5

^ 4

f 3 2

1

0 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee de barbotage d u CO2 (en min) 481

Figure 31 1 Eacutevolutio n d e l a conductivit eacute de s scorie s F P non -preacutelixivieacutees filtreacutees (D ) et no n filtreacutes (bull ) e n fonctio n du temp s d e barbotage a u CO2

Le CO 2 reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates C e reacutesulta t c e confirm e auss i pa r le s figures 31 2 e t 31 3 qu i illustren t

leacutevolution d u potentiel de seacutequestration d u CO2 en fonction d u temps

68

lt3gt bull O

(SX)

C l U agt bull -

S cr

O

8

7

6

5

4

3

2

1

0 D-

1 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee d e barbotag e du CO2 (en min)

481

Figure 31 2 Eacutevolutio n d u pouvoi r d e seacutequestratio n du carbon e de s scories F P non-preacutelixivieacutee s filtreacutees (D) non-filtreacutee s (bull ) e n fonctio n du temps de barbotage au CO2

On remarqu e qu e le s quantiteacute s d e CO 2 adsorbeacutes le s plu s eacuteleveacute s son t attein t apregrave s 8 heure s

soit 7 4 g de CO2100g de scorie s F P mais cest entr e l a deuxiegraveme e t dixiegraveme minut e quo n

observe qu e l a vitess e d e seacutequestrafio n es t plu s eacuteleveacute e (figur e 313) Te l qu e expliqu eacute

preacuteceacutedemment dan s cett e eacutetude c e son t le s matrice s qu i offren t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 A l a diffeacuterenc e de s temp s d e seacutequestratio n d e 2 4 e t 4 8 heures i l

semble que le temps de huit heures est trop court pour que le s solutions filtreacutees reccediloiven t de s

quanfiteacutes suffisante s dion s meacutetallique s pour seacutequestrer l e CO2 agrave des quantiteacutes notables

69

006 bull ] u a M 00 5 -0 - p u E

I 3 E 00 4 bull Tl -v

1 C ^ ^ 9 CL 003 bull

bullJ L L

i 0 iuml 0 0 -XI 0

i Q O i = 0 oo i bull 1 0 1 o i ( A mdash icirc l l

icirc s 0 gt

1 i

^

25 5 10 2 0 6 0

Temps en min

120 48 0

Figure 31 3 L a vitess e dadsorptio n d u CO 2 e n fonctio n d u temp s par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes (n) et non filtreacutes (bull)

Synthegravese

Les capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 ont eacutet eacute eacutetudieacutees pou r hui t reacutesidu s alcalin s soi t le s boue s

rouges humide s e t segraveches le s scorie s FP FOP FAEacute le s CK D ( 2 types ) e t le s cendre s

volantes Le s essai s de carbonatation direct e e t indirecte on t eacutet eacute effectueacutes e n cuveacutee agrave un flux

gazeux d e 1 5 d e CO 2 e t 8 5 d e N 2 pendan t 4 8 heure s e t ont permi s d e tire r le s

conclusions suivantes

Les valeur s d e p H de s scorie s e t de s boue s rouge s e t de s CK D son t tregrave s semblable s soi t

leacutegegraverement au-dessu s d e 7 (preacutelixivieacutees e t non-preacutelixivieacutees) Seulemen t le s cendres volante s

ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7 En ce qui concerne l a conductiviteacute

on peu t firer le s mecircme s conclusion s qu e l a variafio n d u p H agrave lexcepfio n de s CK D qu i

obtiennent de s valeur s d e conductivit eacute quatr e foi s supeacuterieure s qu e le s autre s reacutesidus Cett e

diffeacuterence peu t ecirctr e occasionneacute e pa r un e meilleur e teneu r de s ion s meacutetallique s e n solutio n

dans le cas des CKD

70

Quant au x capaciteacute s de s reacutesidus agrave seacutequestrer l e CO2 trois reacutesidus s e sont deacutemarqueacute s lor s de s

deux seacuterie s d e test s les scorie s HF FP e t le s CKD Lor s le s essai s ce s reacutesidus on t obtenu s

les reacutesultats de seacutequestration d u CO2 suivants

bull Essai s de 24 heures

Scories HF (65 pp) gt scories FP (59 pp) gt CKD St-Lauren t (4 7 pp)

bull Essai s de 48 heures

Scories FP (107 pp) gt scories HF (84 pp) gt CKD St-Lauren t gt (79 pp)

Les tests sur le pouvoir alcalin des scories ont indiqueacute que les scories dacieacuterie possegraveden t un e

capaciteacute de neutralisation plu s eacuteleveacutee que tous les autres reacutesidus De plus les scories HF sont

les plus reacuteactives avec une reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

Enfin le s test s d e l a cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2 par le s scorie s F P ont deacutemontr eacute qu e l a

seacutequestration d u CO 2 s e reacutealis e plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegravere s minute s d e l a

reacuteaction

CHAPITRE 4

DISCUSSION GEacuteNEacuteRAL E

Le preacutesen t chapitr e a pou r objecti f dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s

obtenus dan s l e cadr e d e cett e eacutetude C e chapitr e compar e eacutegalemen t le s reacutesultat s obtenu s

lors de s deu x seacuterie s d e test s (2 4 e t 4 8 heures ) ave c ceu x obtenu s pa r dautre s eacutetude s

semblables De plus limpact enviroimementa l de ce proceacutedeacute sera analyseacute e t preacutesenteacute

41 Inteacutegratio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests

Les essai s reacutealiseacute s on t montr eacute qu e l e potentie l d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s

industriels alcalin s vari e e n fonctio n d e leur s caracteacuteristique s physico-chimique s telle s qu e

la teneu r e n ion s meacutetallique s tel s qu e Ca ^ e t Mg^ l e pH la granulomeacutetri e e t auss i de s

conditions expeacuterimentale s choisies L a tempeacuterature l a pression l e ratio L S e t l a vitesse d e

brassage jouent u n rocircle de premier plan sur les reacutesultats de seacutequestration d u CO2

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lor s des essai s d e 24 et 48 heures

Lobservation de s reacutesultat s d e p H e t d e conducfivit eacute obtenu s lor s de s deu x seacuterie s d e test s

deacutemontre qu e le s diffeacuterence s d e pH son t tregrave s semblable s pou r le s Bl B2 SI S3 et Cl E n

fait le s diffeacuterence s d e p H varien t entr e 0 2 agrave 0 8 uniteacute s (sau f le s CKD) tregrave s pe u s i o n

considegravere qu e l a diffeacuterence d e temps es t des deux foi s supeacuterieure s entr e l a deuxiegraveme seacuteri e de

tests Le s CK D manifestemen t conserven t leu r pouvoi r alcali n presqu e inchangeabl e apregrave s

24 heure s d e carbonatation Seulemen t le s scorie s F P (S2 ) on t subi e baiss e d e p H

significafive d e 2 agrave 25 uniteacutes entre les deux seacuteries dessais

72

Ces reacutesultat s deacutemontren t qu e tous ce s reacutesidus alcalin s ont de s excellente s reacuteserve s alcaline s

et quil s relacircchen t se s ions meacutetalliques tregrave s lentemen t dan s l a solution aqueuse Ce s reacutesultat s

sont semblable s agrave ceu x obtenu s pa r plusieur s chercheur s (Hujge n et al 2006 Bonenfan t

2008 Huntziger 2009)

Dans l e ca s de s boue s rouges le s reacutesultat s obtenu s son t e n accor d ave c ceu x obtenu s pa r

Bonenfant (2006) Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute son t plu s eacuteleveacutee s pou r le s boue s

rouges humide s qu e le s boue s rouge s segraveche s e t peuvent ecirctr e expliqueacutee s pa r un e plus grand e

faciliteacute d e libeacuteratio n de s ion s (cation s e t ion s hydroxyles ) de s boue s rouge s humide s

occasionneacutee pa r leu r dissolutio n preacutealabl e dan s l a soud e caustique comparativemen t au x

boues rouge s segraveche s qu i non t pa s subi t c e traitement Ce s reacutesultat s prouven t qu e l a

lixiviation en geacuteneacuteral joue un rocircle minime su r le pH peu import e le reacutesidu ufiliseacute Toutefois

selon Bonenfant (2008) le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s meacutetallique s

tels que Ca Mg Ap^ Fe Ce sont ces ions et leur s oxydes respectif s qu i assuren t l e pH

et le s conductiviteacutes eacuteleveacute s de s reacutesidus cibleacutes Les grandes quantiteacute s dhydroxyd e d e sodiu m

libeacutereacutees dan s le s lixiviat s de s boues rouge s peuven t eacutegalemen t ecirctr e responsable s de s valeur s

eacuteleveacutees de pH e t de conductiviteacute qu i ont eacuteteacute mesureacutees apregraves 24 et 48 heures de lixiviation E n

effet le s grande s quantiteacute s d e solution s dhydroxyd e d e sodiu m on t de s alcaliniteacute s e t

conductiviteacutes eacutelectriques eacuteleveacutees

Hujgen et al (2006 ) on t deacutemontr eacute qu e le s ion s meacutetalliqu e s e libegraveren t de s matrice s de s l e

deacutebut d u processu s d e carbonatatio n soi t entr e l e deuxiegravem e e t l a dixiegravem e minute L e CO 2

reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates

Les bou s rouge s humide s no n - preacutelixivieacutees filtreacutees e t no n filtreacutees s e deacutemarquen t pa r de s

valeurs de pH e t de conductivit eacute leacutegegraveremen t infeacuterieure s pa r rappor t au x boue s rouges segraveche s

et le s scories E n revanche selo n Bonenfant (2008) l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s

daluminium dan s le s lixiviat s de s boues rouge s e t des scorie s FA Eacute es t suscepfibl e decirctr e e n

partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees de conducfiviteacute d e ces trois solutions

73

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute le s valeurs obtenues lor s des deux seacuterie s de tests son t

tregraves semblables ca r le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t l a libeacuteratio n de s ion s meacutetallique s son t

semblables

Liu et al (2003 ) ont deacutemontr eacute qu e l e p H de s boue s rouge s augment e ave c l e temp s d u

stockage L e Ca^ ^ es t plu s facilemen t eacutechangeabl e dan s de s boue s fraicircche s qu e dan s le s

vieilles boues Ce s demiegravere s son t domineacutee s pa r le s eacutechange s d e Na^ Laluminiu m conten u

dans le s boue s rouge s es t preacutecipit eacute d e l a solutio n sou s form e d e dawsonit e NaAlC03(OH) 2

(Nikraz et al 2007)

Les cendre s volante s mecircm e s i elle s on t de s valeur s initiale s d e p H plu s ba s qu e le s autre s

reacutesidus soi t d e 88 6 agrave 895 deacutemontren t de s capaciteacute s d e carbonatatio n inteacuteressante s s i o n

tient compte d e leur faibl e teneu r de CaO Dailleurs selo n Soon g et al (2006) i l nest pa s

utile davoir u n p H tregraves bas car les carbonates se forment agrave un pH eacutega l ou supeacuterieur agrave 78

De ce fait on peut conclure que

bull i l nest peut-ecirctr e pas utile daugmenter l e temps dadsorption d u CO2 au-delagrave de 24

heures car les valeurs de pH et de conductiviteacutes varient tregraves peu

bull le s reacutesidus alcalins ont des meacutecanismes de carbonatation e t des pouvoirs tampons tregrave s

semblables

il existe un lien direct entre la variation du pH et de la conducfiviteacute

bull c e sont le s ions meacutetalliques tels que Ca ^ Mg Na^ qui deacuteterminent e n grande partie

leacutevolution d u pH et de la conductiviteacute

74

412 Limpac t du pouvoir alcalin e t de la cineacutetique de ladsorption du CO2 sur la seacutequestration d u CO2

Il est inteacuteressan t d e noter que l e pouvoir tampon de s reacutesidus s e manifeste agrave des intervalle s de

pH diffeacuterent s entre 1 0 agrave 8 pou r le s scories 8 agrave 6 pou r le s CK D e t 6 agrave 4 pou r le s boue s

rouges Ces reacutesultats son t en accord avec ceux obtenu s par Bonenfant et al (2008) Huijge n

et Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009) Ce s pouvoir s tampon s important s son t du s

probablement a u fai t qu e le s silicate s ont partiellemen t reacuteag i dan s ce s gamme s d e pH

(Baciocchi et al 2009)

Selon Bonenfant (2006) l a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n

oxydes meacutetalliques plus particuliegraverement de s oxydes meacutetalliques basiques tels que l e CaO et

le Mg O scories F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

Bonenfant et al (2008) Huijgen e t Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009 ) ont eacutetudi eacute le

rapport entr e l e pouvoi r alcali n e t l a lixiviatio n de s meacutetau x pa r ce s reacutesidus Le s test s d e

lixiviation meneacute s pa r Baciocch i e t Bonenfan t ont confirm eacute qu e l a quantit eacute de s ion s Ca^ ^

dans les scories es t plus basse agrave des pH gt 8 en raison de la formation d e calcite

Selon Hujge n et al (2005 ) le s scorie s agrave des pH varian t entr e 5 1 agrave 3 5 libegraveren t le s ion s d e

calcium qu i formen t de s silicate s e t des bicarbonates Quan t au x CKD leu r pouvoi r tampo n

eacuteleveacute empecircch e l a formatio n d e bicarbonates Pou r obteni r l a formatio n d e ce s demiegraveres i l

faut ajoute r davantag e dacide chlorhydriqu e e t augmenter l e temps de reacuteaction au-delagrave de 24

heures

Lorsque l e p H attein t un e valeu r infeacuterieur e agrave pK2 = 10 3 d u systegravem e carbonates Feacutequilibr e

se deacuteplac e dan s l e sen s favorisan t l a consommafion de s ion s bicarbonate s CO3 et l e deacutepocirc t

de l a calcit e (CaCOs ) jusqu agrave latteint e dun e limit e qu i deacutepen d d e l a teneu r d e Ca en

solution Selo n Bonenfant (2008) cette situatio n deacutefini t eacutegalemen t l a capacit eacute dadsorptio n

de CO2

75

Le M g s e mobilis e e n mecircm e temp s qu e l e Ca ^ mais se s composeacute s son t plu s soluble s qu e

ceux d u calcium Le s concentrafions d e Ca^ sont en moyenne 1 0 fois plu s eacuteleveacutees qu e cell e

du M g apregrave s 6 heure s d e lixiviatio n e t cett e libeacuteratio n d e cation s (C a ^ et M g ) s e fai t e n

parallegravele ave c laugmentatio n d u p H e t d e l a conductivit eacute d e l a solutio n (Bonenfan t et al

2006)

Les reacutesultat s de s deux seacuterie s de tests (24 et 48 heures) su r le s capaciteacutes dadsorptio n d u CO2

par ce s reacutesidu s ont deacutemontreacute s qui l es t possibl e d e seacutequestre r l e CO 2 agrave parti r d e reacutesidu s e t

sous-produits industriel s alcalin s (voi r tableau 41) Les matrices d e ces mateacuteriaux sembleacute s agrave

posseacuteder un e grand e capacit eacute d e libeacuteratio n de s cation s e t de s ion s hydroxyle s capable s d e

reacuteagir avec l e CO2 Le s cendres volantes on t enregistreacute le s plus faibles reacutesultat s dadsorptio n

du CO 2 (15 pp) e t ce agrave cause des faible s teneur s e n calcium e t magneacutesium ( lt de 1 0 )

Pourtant le s capaciteacutes theacuteoriques dun e tonn e de cendres volante s contenan t 4 1 de chaux

peuvent seacutequestre r 32 2 k g d e C02tonn e d e cendre s volante s (Montes-Hemande z et al

2009) Quan t au x CKD leur s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestratio n d u CO 2 dan s de s

conditions dexpeacuterimentatio n ambiante s son t d e lordr e d e 11 5 kgtonn e d e reacutesid u

(Huntzinger et al 2009)

Lors l a carbonatation de s CK D e t des cendres volante s lettringit e es t transform eacute e n calcite

en quart z e t e n gypse Aucu n reacutesid u nattein t le s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestrafio n d u

CO2 mecircm e apregrave s 4 8 heure s d e carbonatation Ce s reacutesultat s sexpliquen t pa r l a formatio n

dune couch e d e carbonate su r le s particules qu i colmat e le s pores e t de ce fait l a libeacuterafio n

des ion s meacutetallique s d e C a e t M g dan s l a solufio n es t compromis e (Bonenfan t et al 2008

Hujgen et al 2006)

76

Tableau 41 Reacuteserves alcalines et potentiel de seacutequestration des reacutesidus alcalins

Type de reacutesid u

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FA E

(SI) Scories FP

(S2) Scories HF

(S3) CKD (Cl) CKD (C2)

Cendres volantes

(F)

Seacutequestration d e CO2 en 24 heure s (gdeCO2100gde

reacutesidu alcalin ) 35

36

47

59

65

47

-

Seacutequestration d e CO2 en 48 heures (g de CO2100g de

reacutesidu alcalin ) 34

31

36

107

84

79

6

L5

Reacuteserve alcalin e (mole de HClkg de

reacutesidu)

038

04

31

39

43

14

16

012

Selon lizuka (2004 ) mecircm e s i le s calcul s thermodynamique s indiquen t qui l es t

theacuteoriquement possibl e d e convertir plu s de 67 du calcium conten u dan s le s deacutechets de

ciment en carbonate de calcium le taux de conversion pratique est largement deacutetermineacute e par

les facteur s cineacutetique s d e l a reacuteactio n e t l e degreacute d e l a carbonatatio n es t limit eacute agrave quelque s

millimegravetres deacutepaisseur sur la surface des particules

La formation de s silicate s es t un autr e facteu r qu i baiss e l a libeacuteration de s ion s meacutetallique s

dans la solution aqueuse Ces reacutesultats indiquent que les chutes de pH et de conductiviteacute sont

plus eacuteleveacutees dans la solution de scories FP en solution que celles observeacutee dan s la solution

des scories FAEacute des boues rouges humides et segraveches des CKD et des cendres volantes

77

Toutes le s autre s eacutetude s d e seacutequestratio n d u CO 2 ont utilis eacute soi t de s tempeacuterature s e t de s

pressions eacuteleveacutees soit des granulomeacutetries beaucoup plus petites soit tous ces facteurs reacuteuni s

ensemble (voir tableau 42)

Tableau 42 Reacutesumeacute des reacutesultats seacutequestration du CO2 obtenus par dautres eacutetudes

Type de reacutesidus

Boues rouges

Scories

CKD

Cendres volantes

3 ^ ^

Tem

peacutera

(e

ndegC

22

100

70 200

22

22

25

Conditions opeacuteratoire s

S ^ 0 u

A

19

30 3

A

A

30

^

Rat

io L

S (

10

2

05 04

10

12

10

C G

ranu

lom

(e

n pr

r

I

lt38

lt10 lt

01 38-160

I

I

0 _ T3 4 J V -

Vite

sse

bras

ag

ten

ron

300

1000

--

300

-

-

c

Tem

ps (

heur

es

24

05

2 2

24

816

18

CaO e n

de masse

55

317

48

41

Potentiel d e seacutequestr

theacuteorique du C02en kgkg 006^

025

016

003

Reacutesultat de

seacutequestr du C02e n

kgkg

0043

75 du total de Ca

002 013^

025

012^

003

1) Hujgen et al (2005) 2) Eloneva et al (2008) 3) Baciochi el al (2009) 4) Bonenfant et al (2008) 5) Khaitan (2003) 6) Huntzinger (2009) 7) Montez-Hemandez (2009) A=atmospherique I=industrielle

Les reacutesultats obtenus par ces eacutetudes deacutemontrent que dans les cas des scories dacieacuteries e t des

poussiegraveres d e fou r de s cimenteries loxyd e d e calciu m es t loxyd e meacutetalliqu e qu i leu r

confegravere leu r potentiel de seacutequestration du CO2

Dans le cas des boues rouges agrave part le calcium qui joue un rocircle significafif dan s le potentiel

de seacutequestration d u CO2 le sodium qui est libeacutereacute en quantiteacute preacutedominante peut eacutegalement

jouer un rocircle dans la seacutequestration du CO2 (Bonenfant et al 2006)

78

Il es t importan t d e note r qu e seule s le s scorie s F P on t doubl eacute leu r capacit eacute dadsorptio n d u

CO2 lors des essais de 48 heures par rapport aux essais de 24 heures

Selon l a litteacuterature l a taille de s particule s d e scorie s exerc e leffe t l e plu s significati f su r l a

reacuteaction plu s l a taill e de s particule s es t petite plu s l a reacuteactio n ave c l e CO 2 es t eacuteleveacutee L a

tempeacuterature e t l a ration L S eacuteleveacutee s jouent eacutegalemen t u n rocircle importan t su r l a dissolution d e

silicates (Baciocchi et al 2009)

En conclusion i l exist e u n lie n direc t entr e l e pouvoir alcali n e t la capaciteacute d e seacutequestratio n

du CO 2 pa r le s reacutesidu s alcalins Plu s l e pouvoi r alcali n es t eacuteleveacute plu s l a capacit eacute d e

seacutequestration d u CO2 par ces reacutesidus est eacuteleveacutee

42 Limpac t environnementa l d e la seacutequestration du CO2

Les reacutesidu s alcalin s eacutetudieacute s s e caracteacuterisen t pa r de s p H tregrave s eacuteleveacute s gracircc e agrave leur s teneur s

eacuteleveacutes dion s meacutetalliques Aucu n d e ce s reacutesidus n e deacutepassai t le s norme s environnementale s

traitant le s meacutetaux lourd s tels que le chrome le molybdegravene le mercure l e plomb etc

Bonenfant et al (2006) Huijge n et al (2005 ) e t Huntzinge r et al (2009 ) ont deacutemontr eacute

quaucun eacuteleacutemen t dangereu x n e se libegravere lor s de la lixivitaion de s reacutesidus alcalins carbonate s

tels que le s scories le s boues rouge s e t le s poussiegraveres d e four s d e cimenteries Le s eacuteleacutement s

les plu s lixivieacute s son t l e calcium e t l e sodium preacutesent s dan s le s lixiviat s de s boue s rouge s e t

des scories Laluminiu m es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quantiteacute s dan s ce s solufion s

(Bonenfant ea 2006)

En c e qu i concem e l e tau x d e libeacuterafio n de s eacuteleacutement s reacuteactif s de s scorie s FA Eacute d e

granulomeacutetrie 06 3 - 12 5 mm l a concentration d e Ca est e n moyenn e 1 0 fois plu s eacuteleveacute e

que cell e d u Mg ^ et attein t u n maximu m apregrave s 6 h d e lixiviatio n (Bonenfan t et al 2006)

Les autres meacutetaux eacutetudieacutes ne sont preacutesents quen petite s quantiteacutes agrave leacutetat d e trace ou absents

des lixiviats (Proctor et al 2000)

79

Quant au x cendre s volantes aucun e libeacuteratio n d e substance s toxique s meacutetallique s n a eacutet eacute

observeacutee apregraves 1 8 heures de lixiviafion selo n Montes-Hemandez et al (2009) La lixiviatio n

Cr nest pa s influenceacutee pa r le processus de la carbonatation san s doute agrave cause de la faibl e

solubiliteacute de Cr ^ (Baciocchi et al 2009) Agrave ce stade de leacutetude la carbonatation de s reacutesidus

alcalins n e repreacutesenterai t pa s d e dange r su r l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Quan t au x autre s

composeacutes dangereu x eacutemi s dans latmosphegraver e tel s que l e SO2 lesNOx le s fluomres (gazeus e

et particulaire) les dioxines etc i l nexiste pas de donneacutees significatives su r la question

43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins perspective s de lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e

Les reacutesultat s expeacuterimentau x d e l a seacutequestration mineacuteral e d u CO 2 indiquent qui l es t possibl e

dabaisser le s eacutemission s d e c e ga z pa r le s troi s industrie s concemeacutees Toutefois i l fau t

analyser ce s reacutesultat s dan s un e perspectiv e d e deacuteveloppemen t durabl e afi n d e mieu x

comprendre limpac t d e cett e technologi e su r lenvironnement leacuteconomie le s insfitution s

politiques et la socieacuteteacute

Le tablea u 4 3 es t l a suit e d u tablea u d e l a pag e deu x d u preacutesen t travai l e t i l illustr e le s

eacutemissions d u CO 2 par le s troi s industries le s rendements d e l a seacutequestratio n mineacuteral e e t le s

calculs de s reacuteductions de s eacutemission s d u CO2 si cette technologie serai t appliqueacute e agrave leacutechell e

industrielle Dan s l e tablea u 43 le s reacuteduction s calculeacutee s de s eacutemission s d u CO 2 pa r l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s alcalin s de s troi s industrie s son t asse z modeste s s i o n

considegravere qu e le s eacutemission s d e c e ga z eacutemise s pa r le s activiteacute s humaine s seacutelegraveven t agrave 3 8 G t

(GIEC 2007) Toutefois s i o n considegraver e qu e le s troi s industrie s eacutemetten t 1 6 de s

eacutemissions totale s de s acfiviteacute s industrielles le s reacuteduction s de s eacutemission s d u CO 2 proposeacute s

par cette technologie semblen t non-neacutegligeables

80

Tableau 43 Reacutesumeacute des eacutemissions par les trois industries et les baisses respectives de leurs eacutemissions suit e agrave la seacutequestration d u CO2 par leurs reacutesidus alcalin s

Type dindustrie

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Emissions duC02 (en Gt)

015

17

18

Quantiteacutes d e reacutesidus

alcalins (en Mt)

90

350-420

480

Pouvoir de seacutequestration mineacuteral e des reacutesidus industriel s alcalins ( t de C02t de

reacutesidu)

0032

0073

0016

Reacuteduction de s eacutemissions d e

CO2 (en Gt)

00003

0026-003

008

Limplantation d e cett e technologi e agrave leacutechell e industriell e demand e un e eacutetud e eacuteconomiqu e

approfondie Pou r c e faire i l fau t tou t dabor d deacutetermine r le s paramegravetres optimum s d e cett e

technologie tel s que l a dureacutee d e l a seacutequestration l a pression e t la granulomeacutetri e agrave utiliser I l

faut entr e autres teni r compt e d e lintervall e d e production de s quantiteacutes d u typ e d e

transport (contin u o u discontinu ) e t d u temp s d e seacutejou r dan s le s usine s de s reacutesidu s alcalin s

produits pa r le s troi s industries L e choi x d e ce s paramegravetre s influencer a directemen t l e

rendement d e l a seacutequestratio n d u CO 2 Or d e no s jours limplantatio n dun e nouvell e

technologie n e deacutepen d pa s seulemen t d e so n efficacit eacute eacuteconomique Plusieur s dautre s

aspects rentren t e n lign e d e compte E n fait i l fau t utilise r un e approch e systeacutemiqu e (4R -

VD Reacuteduire Reacuteutiliser Reacuteparer Reacutecupeacuterer Valoriser Disposer ) s i o n veu t teni r compt e

de toute s le s interacfion s e t le s impact s quun e tell e deacutecisio n peu t engendrer L a figur e 4 1

illustre le s interaction s entr e le s quatr e pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e pa r rappor t au x

reacuteductions des eacutemissions du CO2 par les trois industries eacutetudieacutees

La figure 4 1 montr e qu e l e deacuteveloppemen t durabl e e n geacuteneacutera l deacutepen d d e l a quantit eacute e t su r

tout d e l a qualit eacute de s interaction s entr e le s quatr e piliers D e c e fait limplantatio n d e l a

technologie d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 n e deacutepen d pa s qu e d e lefficacit eacute

eacuteconomique mais aussi des lois eacutemises par les institutions politiques

81

^ ^ ^ ^ a ^ J S S Eacute agrave ^ ^ ^

SOCIEacuteT Eacute ^ bull participation agrave la W

pris e des deacutecisions

X^^jpraquo^

ENVIRO gt

^ EacuteCONOMI E bull croissance bull efficacit eacute bull stabiliteacute bull valorisation

DEacuteVELOPPEMENT DURABLE

JNEMENT bull biodiversiteacute

bull ressources naturelles bull pollution

J INSTn rUTIONS bull lois bull regraveglements

bull infiastructure

p

1 II

Figure 41 Deacuteveloppement durable et seacutequestration du CO2

Dune maniegraver e plus simple on peut dire que les institutions politiques on t le pouvoir e t la responsabihteacute dexiger par les entreprises de limiter leurs eacutemissions du CO2 voir agrave supprimer ces demiegraveres agrave la source Mecircme si le processus de la seacutequestration mineacuteral e du CO2 est un pheacutenomegravene nature l exothermique i l faudrai t ufilise r dautre s source s deacutenergi e afi n d e lacceacuteleacuterer et par voie de conseacutequence augmenter le rendement de la seacutequesfi-ation du CO2 I l est preacutefeacuterable de remplacer les combustibles fossiles par des eacutenergies moins polluantes telles que leacutenergie nucleacuteaire et leacutenergie eacutelecfrique etou solaire

La socieacuteteacute peut jouer son rocircle de piher en demandant aux pouvoh-s politiques deacutemettre des lois qui exigent aux entreprises de respecter lenvironnement e t dameacuteliorer l a qualiteacute de vie de la socieacuteteacute Dans le mecircme ordre dideacutees l a socieacuteteacute peut exercer un e pression important e sur les entreprises en utilisant leur pouvoir dachat comme moyen de pression

82

Les reacutesultat s obtenu s lor s d e cett e eacutetud e ont deacutemontr eacute qu e limpac t su r lenvironnemen t es t

positif su r tou t a u nivea u d e l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Dautre s eacutetude s son t neacutecessaire s

pour eacutetudie r leffe t de s autre s composant s gazeu x su r lenvironnemen t e t l a sant eacute humaine

Le fai t dutilise r le s reacutesidus e t les sous-produit s industriel s alcalin s afi n d e seacutequestre r l e CO2

et l a revalorisation d e ces derniers dans plusieurs nouveaux domaine s pourrai t provoque r de s

changements neacutegatif s a u nivau x d e leacuteconomi e (changemen t d e prix augmentatio n d e l a

concurrence entr e le s entreprises ) e t d e l a socieacutet eacute (changemen t d e l a qualit eacute d e vie) D e c e

fait i l import e qu e tou s le s acteur s repreacutesentan t le s quatre pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e

travaillent e n eacutetroit e collaboratio n pou r qu e cett e technologi e soi t viabl e e t e n tota l respec t

avec lenvironnement

CONCLUSIONS

La preacutesente eacutetude avai t pour objecti f d e deacuteterminer le s reacutesidus et le s sous-produits industriel s

alcalins offrant le s meilleurs potenfiels d e seacutequestration d u CO2

Pour c e faire troi s type s d e scories (HF FP FAEacute) de s acieacuteries deux type s d e boues rouge s

(humides e t segraveches ) de s aluminerie s e t deu x type s d e reacutesidu s de s cimenterie s (CK D e t

cendres volantes ) ont eacutet eacute testeacute s e n cuveacutee Afi n d e mieu x eacutevalue r leur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 des seacuterie s d e test s d e 2 4 e t 4 8 heure s on t eacutet eacute reacutealiseacutes Le s condition s

opeacuteratoires eacutetaien t le s suivantes tempeacuterature = 20-22degC pression atmospheacuterique ratio SL =

10 kgkg vitesse de brassage = 200 rpm granulomeacutetrie industrielle eau deacutemineacuteraliseacutee

Les reacutesultat s obtenu s lor s le s essai s d e 2 4 heures on t deacutemontr eacute qu e troi s reacutesidu s alcalin s s e

sont deacutemarqueacutes pa r leurs hauts potentiels de seacutequestration d u CO2

bull le s scories HF 65 kg de C02t de scories

bull le s scories FP 59 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours de cimenteries (CKD) 47 kg de C02t de CKD

En revanche le s reacutesultat s obtenu s lor s le s essais d e 48 heure s ont deacutemontr eacute qu e le s mecircme s

reacutesidus alcalin s permettaien t dobtiermen t d e meilleur s reacutesultat s d e seacutequestratio n d u CO2

mais cette fois ci ce sont le s scories FP qui se trouvent en tecircte

bull le s scories FP 107 kg de C02t de scories

bull le s scories HF 84 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours d e cimenteries (CKD) 79 kg de C02t de CKD

84

Ces reacutesultat s sexpliquen t pa r de s teneur s plu s eacuteleveacutee s doxyde s meacutetallique s tel s qu e le s

CaO MgO AI2O3 Cr203 Ti02 FeO Mn O Si02 dan s ce s troi s reacutesidu s pa r rappor t au x

autres reacutesidu s testeacutes Ce s oxyde s e t leur s hydroxyde s respecfif s reacuteagissen t ave c l e CO 2

dissout dan s lea u e t formen t de s bicarbonate s thermodynamiquemen t stables

Theacuteoriquement l a teneu r eacuteleveacute e e n ion s meacutetallique s s e tradui t pa r u n potentie l d e

seacutequestration d e CO 2 eacuteleveacute Toutefois l a diffeacuterenc e d e reacutesultat s d e seacutequestratio n entr e le s

scories lor s de s deu x essai s a deacutemontreacute qu e mecircm e s i le s meacutecanisme s d e carbonatatio n son t

semblables pour tous le s types de reacutesidus alcalins l a nature e t l a mod e de fabricatio n d e ces

derniers influencen t sensiblemen t leur s potentiel s d e seacutequestration C e consta t es t valabl e

aussi bie n pou r le s reacutesidu s preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes Dailleurs le s test s su r l a

carbonatation de s reacutesidu s filtreacutes (preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes ) on t indiqu eacute qu e le s reacutesidu s

alcalins libegraveren t facilemen t leur s ion s meacutetallique s dan s l a solufio n aqueus e e t qu e le s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 de ce s derniegravere s son t inteacuteressantes Toutefois c e son t le s

reacutesidus non-preacutelixivieacute s e t non-filtreacute s qu i on t enregistreacute s le s meilleur s reacutesultat s d e

seacutequestration

Les autres objectif s d e ce travai l consistaien t agrave eacutetudier leacutevolutio n d e pH de l a conductiviteacute

et du pouvoir alcalin de s reacutesidus testeacutes

Premiegraverement le s valeurs de pH des scories des boues rouges e t des CKD obtenues apregraves l a

carbonatation son t tregrave s semblable s soi t leacutegegraveremen t au-dessu s d e 7 Seulemen t le s cendre s

volantes ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7

Deuxiegravemement le s test s su r l e pouvoi r alcali n de s scorie s ont indiqu eacute qu e le s scorie s

dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute d e neutralisation plu s eacuteleveacutee qu e tous le s autres reacutesidus D e

plus le s scories H F son t le s plus reacuteactives avec une reacuteserve alcalin e de 43 moles de HClk g

de scories L a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n oxyde s

meacutetalliques plu s particuliegraveremen t de s oxyde s meacutetallique s basique s tel s qu e l e Ca O e t l e

MgO scorie s F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

85

Troisiegravemement le s tests de la cineacutetique dadsorption d u CO2 par le s scories FP ont deacutemontr eacute

que l a seacutequestratio n d u CO 2 se reacutealise plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegraveres minute s d e la

reacuteacfion C e reacutesulta t sexpliqu e pa r l e fai t qu e l a formation dun e couch e d e carbonate su r l a

surface de s particule s de s reacutesidu s empecircch e l a libeacuteratio n dan s l a solufio n aqueus e de s ion s

meacutetalliques ayan t pou r conseacutequence l a baisse du taux de carbonatation

Enfin laugmentatio n pa r deux d e la dureacutee de carbonatation (d e 24 agrave 48 heures) ne se tradui t

pas par des doublement s de s potentiels d e seacutequestrafion d u CO 2 par le s reacutesidus alcalin s pou r

les raisons mentionneacutes ci-dessus

Perspectives

Cette eacutetud e sinscri t dan s loptiqu e d e deacuteveloppe r u n proceacuted eacute simpl e e t eacuteconomiqu e d e

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s industriel s alcalins D e c e fait

plusieurs perspective s son t identifieacutee s suite au x reacutesultat s obtenu s pa r cett e eacutetude E n voic i

quelques unes

bull eacutelargi r leacutetud e su r la seacutequestrafion d u CO2 avec dautres reacutesidu s industriel s tels les boues

de deacutesencrage de s papeteries le s reacutesidus d e constmctions e t d e deacutemolitions le s deacutechet s

municipaux le s deacutechet s d e lindustri e de s plastiques le s deacutechet s de s hocircpitau x etc

Plusieurs eacutetude s indiquen t qu e ces reacutesidus son t riche s e n oxyde s meacutetallique s e t peuven t

ecirctre utiliseacutes eacuteventuellement agrave la seacutequestration du CO2

bull puisqu e le s source s dea u douce s son t e n diminutio n constant e a u nivea u planeacutetaire i l

serait inteacuteressan t agrave envisage r l a reacutealisatio n d e cett e mecircm e eacutetud e ave c d e lea u d e mer

Cette perspectiv e pren d un e importanc e particuliegraver e s i o n considegraver e qu e plusieur s pay s

de Moye n Orient o ugrave son t deacutej agrave installeacutee s plusieur s aluminerie s e t cimenteries ont tregrave s

peu de sources deau douce

86

bull reacutealise r de s essai s pilotes e n colonnes afi n d e veacuterifie r l e transfer t d e ce s reacutesultat s dan s

des conditions expeacuterimentales semblables agrave celles industrielles

bull effectue r un e eacutetude eacuteconomique afin de savoir si ce proceacutedeacute est eacuteconomiquement viable

bull effectue r un e eacutetud e d e cycl e d e vi e afi n d e deacuteterminer entr e autres limpac t

environnemental de ce proceacutedeacute

ANNEXES

ANNEXE I

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LALUMINIUM

Bauxite ^

CaO bull

NaOH bull

bull

Raw Material s

1 Digestion

Liquor Heatin g

Liquor Surge

T Evaporation

Removal

1

Steam

Liquor Flashing

Heating

N Impunties

lt

Fuel ^

Steam

Sand Seacuteparation

1 Fuial residue

Cooling

i

Preacutecipitation

seedT ^ Classification

1 Washing

1 Calcination

^

-^^^

SandResidue Wa-shing

JL Solids Liquo r

Solids Disposa i

^ Wate r

^ Alumin a

Figure All Proceacuted eacute Bayer Tireacute de Hind ea (1999)

ANNEXE II

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LACIER

AnninmeacuteratJon

J ^=2=vBB Minefo i d e fe r Chofbon

Haut-Fourneau

o Eacutebauche de formes solide s (demi-produi t ) pa r moulag e de lacie r liquide

Acier liquide mi s

^lanuoncey statio n datfinage

Machine de couleacutee

continue

e Transformation de s eacutebauches e n produits finis par laminage

okerie

Eacutelaboration d e lacie r liquide agrave part ir d e minerai de fer

AciefS plats

Train de laminage

agrave chau d

obinojx

Produit fin i

Figure A21 Proceacutedeacute de fabrication de lacier Tireacute de Arcelor Meacutediterraneacutee

tli(ipwwwarcelormediteiTanee coindecouvertefabricationschemahtm)

REMERCIEMENTS

Je tiens tout dabor d agrave remercier le s socieacuteteacutes Alcan Inc Mitta l Canad a Inc St-Lauren t Inc

et Ciment Queacutebe c Inc qui nous ont fournie s respectivemen t le s boues rouges les scories les

cendres volantes et les poussiegraveres des fours des cimenteries

Un gran d merc i a u professeu r e t directeu r d e recherch e Rober t Hausle r pou r so n

encadrement se s conseils et ses encouragements

Des remerciement s particulier s sadressen t agrave Madam e Daniell e Bonenfan t e t agrave Monsieu r

Mourad Kharoun e pou r leu r expertis e dan s l e domain e d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s

reacutesidus industriel s e t toute leacutequip e d e la STEPPE-EacuteTS (Statio n Expeacuterimental e de s Proceacutedeacute s

Pilotes en Environnement) pour toute laide fournie

Enfin j e deacutedi e c e meacutemoir e agrave ma famille agrave mes deu x filles Fabienn e e t Oceacuteann e qu i mon t

supporteacute tou t a u lon g d e ce s derniegravere s anneacutee s e t agrave mo n eacutepous e Aid a qu i agrave s u s i bie n

soccuper d e ces trois enfants mo i inclus

EacuteVALUATION D U POTENTIEL D E LA SEacuteQUESTRATION MINEacuteRAL E D U CO2 PAR DES REacuteSIDUS E T SOUS-PRODUITS INDUSTRIEL S Agrave POUVOIR ALCALIN S

Shkelzen BEQIR I

REacuteSUMEacute

De no s jours le s activiteacute s industrielle s de s alumineries de s acieacuteries e t de s cimenterie s produisent de s quantiteacute s tregrave s importante s d e reacutesidu s e t de sous-produit s alcalins Un e parti e de ce s sous-produit s es t utiliseacute e dan s dautre s domaine s tel s qu e la constructio n e t lhydromeacutetallurgie mai s de s million s d e tonne s son t stockeacutee s su r de s terrains preacutesentan t ainsi u n risque pour lenvironnement Ce s reacutesidus peuvent ecirctr e utiliseacutes par ces industries afi n de seacutequestre r l e CO2 I l exist e plusieur s technique s d e seacutequestratio n d u CO2 C e meacutemoir e aura pour but deacutetudie r le s possibiliteacutes de seacutequestration d u CO2 par des reacutesidus alcalins issu s dun larg e spectre dactiviteacutes industrielles

Des essai s dadsorptio n d u CO 2 d e 2 4 e t 4 8 heure s e n cuveacute e on t eacutet eacute reacutealiseacute s su r de s eacutechantillons d e boue s rouge s humide s e t segraveches de s scorie s FP FAEacute H F e t des poussiegravere s de fou r e t cendre s volante s d e cimenteries Tou s le s essai s ont eacutet eacute reacutealiseacute s dan s de s conditions opeacuteratoires ambiantes (tempeacuterature 20-22degC pression atmospheacuterique ambiante)

Des test s d e p H e t conductivit eacute on t eacutet eacute effectueacute su r tous le s eacutechantillons afi n deacutetudie r leur s eacutevolutions lor s les deux seacuteries dessais

Les reacutesultat s obtenu s lor s le s essai s d e 2 4 heures on t deacutemontr eacute qu e troi s reacutesidu s alcalin s s e sont deacutemarqueacutes pa r leur s hauts potentiels de seacutequestration d u CO2 bull le s scories HF 65 kg de C02t de scories bull le s scories FP 59 kg de C02t de scories bull le s poussiegraveres de fours d e cimenteries (CKD) 47 kg de C02t de CKD

En revanche le s reacutesultat s obtenu s lor s le s essais d e 48 heure s ont deacutemontr eacute qu e le s mecircme s reacutesidus alcalin s permettraien t un e seacutequestratio n plu s important e d u CO 2 selo n le s performances suivante s bull le s scories FP 107 kg de C02t de scories bull le s scories HF 84 kg de C02t de scories bull le s poussiegraveres de fours de cimenteries (CKD) 79 kg de C02t de CKD

Mots-cleacutes seacutequestration CO2 boue s rouges scories CKD cendre s volante s de s cimenteries

EVALUATION O F TECHNICAL POTENTIA L O F THE CO2 MINERAL SEQUESTRATION B Y ALCALINE INDUSTRIA L WASTE S

Shkelzen BEQIR I

ABSTRACT

Nowadays th e industria l activitie s ofaluminum steel an d ceacutemen t produc e large quantifie s o f alkali s residues A par t o f thegraves e residue s ar e use d i n othe r area s suc h a s construction an d hydrometallurgy bu t million s o f ton s ar e stored i n area s posin g a risk t o environment Thegraves e residue s ca n b e use d b y thegraves e industrie s t o sequeste r th e CO2 Severa l techniques o f CO 2 seacutequestratio n exist The purpos e o f thi s master s thesi s i s t o explor e th e possibilities o f CO 2 seacutequestratio n b y alkalis residue s fro m a wid e spectru m o f industrial activities

The batch absorptio n o f CO2 of 24 and 48 hours CO2 absorption batc h test s were performe d on sample s of we t an d dr y re d niud electri c ar c fumac e (EAF) Poch e fumac e (PF) blas t fumace (BF ) slags cernen t kil n dus t an d fly ash Ail test s ar e performe d i n environment operating condition s (tempeacuteratur e 20-22deg C ambient atmospheri c pressure) Tests o f p H and conductivity wer e performe d o n ai l sample s to stud y thei r eacutevolutio n i n the tw o set s o f tests

The results obtained durin g testing were 24 hours demonstrated tha t three residues alkal i ar e separated by high potential fo r CO2 seacutequestration bull Sla g BF 65 kg CO2 1 slag bull Sla g PF 59 kg CO2 1 slag bull Th e ceacutement kiln dus t (CKD) 47 kg of CO2 per tonne of CKD

However th e result s obtaine d durin g testin g o f 4 8 hours showe d tha t th e sam e alkali s residues allow a greater seacutequestration of CO2 by following performances bull Sla g PF 10 7 kg C 0 2 t slag bull S lagBF84kgC02 t s lag bull Th e dust ceacutements kiln dus t (CKD) 79 kg of CO2 per tonne of CKD

Keywords seacutequestration CO2 red mud stee l slags CKD fly ash

TABLE DES MATIEgraveRE S

Page

INTRODUCTION 1

CHAPITRE 1 REVU E D E LA LITTEacuteRATURE 7 11 Probleacutematiqu e d u CO2 7

111 L a chimie du CO2 8 112 Cycl e du carbone 9

12 Technologie s de capture et de seacutequestrafion d u CO2 1 3 121 Technologie s de capture du CO2 1 3 122 Technologie s de seacutequestration d u CO2 1 4

13 Seacutequestratio n d u C02par de s mateacuteriaux alcalin s 2 0 131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriau x alcalin s les fondements 2 0 132 Effe t de s variables sur la carbonatation 3 1 133 Cineacutetiqu e dadsorption d u CO2 3 3 134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s 3 8

CHAPITRE 2 MATEacuteRIE L E T MEacuteTHODES 4 1 21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacutes 4 1

211 Boue s rouges des aluminerie s 4 1 212 Scorie s des acieacuteries 4 3 213 Poussiegravere s de four de s cimenteries 4 6 214 Cendre s volantes 4 6

22 Meacutethode s expeacuterimentales 4 7 221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacutes 4 7 222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductiviteacute 4 7 223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin 4 8 224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestratio n

du CO2 en cuveacutee 4 9 225 Meacutethode s analytiques 5 1

CHAPITRE 3 REacuteSULTAT S E T DISCUSSIONS 5 2 31 Eacutevolufio n d u pH et de la conductiviteacute 5 2

311 Essai s de 48 heures 5 2 312 Essai s de 24 heures 5 9

32 Deacuteterminafio n d u pouvoir alcalin 6 0 33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorpfion e t de seacutequestratio n

du CO2 en solution aqueuse 6 1 331 Essai s de 48 heures 6 1 332 Essai s de 24 heures 6 3

34 Cineacutefiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP 6 5

VII

CHAPITRE 4 DISCUSSIO N GEacuteNEacuteRAL E 7 1 41 Inteacutegrafio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests 7 1

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lors des essais de 24 et 48 heures 7 1

412 Impac t du pouvoir alcalin et de la cineacutefique d e ladsorpfio n du CO2 sur la seacutequestration d u CO2 7 3

42 Impac t environnemental d e la seacutequestrafion d u CO2 7 8 43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins

perspectives d e lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e 7 9

CONCLUSIONS 8 3

ANNEXE I SCHEacuteM A D E FABRICATION D E LALUMINIUM 8 8

ANNEXE I I SCHEacuteM A D E FABRICATION D E LACIER 8 9

ANNEXE II I SCHEacuteM A D E FABRICATION D U CIMENT 9 0

ANNEXE I V REacuteSULTAT S COMPLET S DE S ESSAIS DE 48 HEURES EN CUVEacuteE 9 1

ANNEXE V REacuteSULTAT S COMPLET S DE S ESSAIS DE

24 HEURES EN CUVEacuteE 9 7

ANNEXE V I REacuteSULTAT S DE S TITRAGES DE S REacuteSIDUS ALCALINS 10 2

ANNEXE VII RESULTAT S D E LEacuteTUDE D E LA CINEacuteTIQU E DE LADSORPTION D U CO2 EN SOLUTION PA R

SCORIES FP NON-PREacuteLIXIVIEacuteES 10 6

ANNEXE Vll l MONTAG E DE S ESSAIS EN CUVEacuteE 10 7

LISTE DE REacuteFEacuteRENCES BIBLIOGRAPHIQUE S 10 8

LISTE DES TABLEAU X

Page

Tableau 1 1 Proprieacuteteacute s physico-chimiques d u CO2 9

Tableau 1 2 Teneu r en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins 2 2

Tableau 1 3 Compositio n chimique moyenne des boues rouges 2 5

Tableau 1 4 Composifio n chimiqu e moyenne des scories 2 6

Tableau 1 5 Composifio n chimiqu e moyenne des CKD 2 7

Tableau 1 6 Compositio n chimique des cendres volantes 2 8

Tableau 21 Compositio n chimiqu e moyenne des boues rouges humides et segraveches 4 2

Tableau 2 2 Paramegravetre s dexpeacuterimentation 4 8

Tableau 23 Meacutethode s analytiques appliqueacutees 5 1

Tableau 3 1 Valeur s des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacutes 5 3

Tableau 3 2 Le s valeurs des conducfiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacutes 5 5

Tableau 33 Reacuteserve s alcalines des huit reacutesidus 5 9

Tableau 41 Reacuteserve s alcalines et potentiel d e seacutequestratio n des reacutesidus alcalins 7 6

Tableau 42 Reacutesum eacute des reacutesultats seacutequestration d u CO2 obtenus par dautres eacutetude s 7 7

Tableau 43 Reacutesum eacute des eacutemissions par les trois industries e t les baisses respectives de leurs eacutemissions suite agrave la seacutequestration du CO2 par leurs reacutesidus alcalins 7 9

LISTE DES FIGURE S

Page

Figure 1 1 Reacutepartitio n pa r activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004 7

Figure 1 2 Cycl e du carbone organique 1 2

Figure 1 3 Cycl e du carbone inorganique 1 2

Figure 1 4 Seacutequestratio n d u CO2 par carbonatafion mineacuteral e 2 3

Figure 21 Photo s des boues rouges humides et segraveches 4 2

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP 4 3

Figure 23 Phot o des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD) 4 5

Figure 24 Phot o des cendres volantes 4 6

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee 5 0

Figure 3 1 Eacutevolufio n d u pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) etnon-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 48 heures 5 4

Figure 32 Eacutevolufio n d e la conducfiviteacute de s huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 6

Figure 33 Eacutevolutio n du pH des six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) et non-preacutelixivieacute s (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 7

Figure 34 Eacutevolutio n de la conducfiviteacute de s six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 8

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FAE FP et HF en fonction d u volume dacide ajout eacute 5 9

X

Figure 3 6 Courbe s de titrage des CKD Cl e t C2 en foncfio n du volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 3 7 Courbe s de titrage des boues rouges segraveches et humides en foncfion d u volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 38 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 8 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (A) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 48 heures 6 2

Figure 39 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 6 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (C) et preacutelixivieacutes (D) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 24 heures 6 4

Figure 310 Eacutevolufio n d u pH des scories FP filtreacutees e t non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 6

Figure 311 Eacutevolutio n de la conductiviteacute des scories FP filtreacutees et non filtreacutes en fonction d u temps de barbotag e au CO2 6 7

Figure 312 Eacutevolutio n du pouvoir de seacutequestration d u carbone de scories FP filtreacutees et non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 8

Figure 313 Vitess e dadsorption d u CO2 en foncfion d u temps par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes et non filtreacutes 6 9

Figure 41 Deacuteveloppemen t durabl e et la seacutequestration d u CO2 8 1

LISTE DE S ABREacuteVIATIONS SIGLES ET ACRONYME S

AIE

AMPERE

CKD

EacuteTS

FAEacute

FHWA

FP

Agence internationale d e leacutenergi e

Commission pou r lAnalyse de s Modi Redeacuteploiement de s Eacutenergies

Cernent kiln dus t

Ecole de technologie supeacuterieur e

Four agrave arc eacutelectriqu e

The Feacutedeacuteral Highway Administratio n

Four Poch e

GES Ga z agrave effet d e serre

GIEC Group e dexpert s intergouvemementau x su r leacutevolution d u climat

HF Hau t fournea u

ICP-AES Inductivel y Couple d Plasma-Atomi c Emissio n Spectrometr y

MEA Mon o eacutethylamin e

PSA Pressur e Swin g Adsorptio n

STEPPE Statio n Expeacuterimental e des Proceacutedeacutes Pilotes en Environnemen t

TSA Therma l Swin g Adsorptio n

LISTE DES SYMBOLES ET UNITEacuteS DE MESURES

m

kg Mt

Gt

t

degC

Pa

atm

S

min

ppm

gmol

L

Ka

Ma

kJ

pH

rpm

trmin

IN

megravetre

kilogramme

Million de tonnes

Milliard d e tonnes

tonne

degreacute Celsiu s

pascal

atmosphegravere

Siemens

minute

parties par million par volume

grammes par mol

Litre

milliers danneacutees

millions danneacutees

kilo joules

potentiel hydrogegraven e

rotations par minute

tours par minute

1 X Normale

INTRODUCTION

Probleacutematique impact de s activiteacutes industrielle s

Lactiviteacute industriell e mondial e augment e san s cess e anneacute e apregrave s anneacutee L e bie n ecirctr e de s

millions d e personne s partou t dan s l e mond e e n deacutepend Toutefois lindustri e n a pa s creacute eacute

seulement d e l a richesse ell e a engendr eacute auss i plusieur s problegraveme s environnementaux U n

des problegraveme s environnementau x es t leacutemissio n de s ga z agrave effe t d e serr e (GES) I l exist e

plusieurs GES L e dioxyd e d e carbon e (CO2) l e meacutethan e (CH4) l e protoxyd e dazot e o u

loxyde nitreu x (N2O) lozon e (O3) le s chlorofluorocarbone s (CFC) le s hydrocarbure s

halogegravenes (HFC PFC) lhexafluomr e d e soufr e (SFOcirc ) son t le s principau x GE S (GIEC

2007)

Ces gaz don t l e dioxyd e d e carbon e (CO2) jouent u n rocircl e majeu r dan s l a reacutegulatio n d e l a

tempeacuterature terrestre ca r il s laissen t passe r le s radiafion s solaires mai s absorben t certaine s

radiations infrarouge s (chaleur ) eacutemise s pa r l a surfac e chaud e d e l a Terr e c e qu i fa h

augmenter l a tempeacuteratur e d e latmosphegravere L e dioxyd e d e carbone avec un e dureacute e d e vi e

exceacutedant 12 0 an s e t un e contributio n pou r enviro n 5 5 d u reacutechauffemen t planeacutetaire s e

trouve e n tecirct e de s ga z agrave effe t d e serr e (Coolin g et al 2006) Entr e 197 0 e t 2004 le s rejet s

annuels d e CO2 l e principa l ga z agrave effe t d e serr e anthropique son t passeacute s d e 2 1 agrave 3 8

gigatonnes (Gt) soi t un e augmentatio n denviro n 8 0 Ce s rejet s repreacutesentaien t 7 7 de s

eacutemissions totale s d e GE S anthropique s e n 200 4 (GIEC 2007) L e Group e dexpert s

intergouvemementaux su r leacutevolution d u climat (GIEC 2007) estime que l a teneur moyenn e

en CO 2 dan s latmosphegraver e a augment eacute plu s d e 30 depui s l e deacutebu t d e legraver e industrielle

passant d e 28 0 ppm v agrave 37 9 ppmv D e plus lAgenc e intemational e d e leacutenergi e (AIE )

constate qu e le s eacutemission s d e dioxyd e d e carbon e lieacutee s au x activiteacute s humaine s devraien t

atteindre 4 3 G t pa r a n dic i 2030 soi t un e augmentatio n d e 6 0 (Gielen 2008) Ce s

augmentations pourraien t provoque r l a hausse de l a tempeacuterature d e l a surface d e la Terre e n

moyenne entr e 14deg C a u minimu m e t 4deg C a u maximu m su r l a peacuteriod e d e 199 0 agrave 210 0

(GEIC 2007)

Selon Environnemen t Canad a (2007) ce s augmentation s d e tempeacuterature s peuven t ecirctr e agrave

lorigine de s fonte s de s glaces d e laugmentatio n de s catastrophe s naturelle s e t d e l a

disparition d e plusieurs espegraveces animales et veacutegeacutetales

Contexte eacuteconomico-politiqu e

Les activiteacute s de s alumineries de s acieacuterie s e t de s cimenterie s produisen t chaqu e anneacute e de s

millions d e tonne s d e reacutesidu s alcalin s e t eacutemetten t dan s latmosphegraver e de s quantiteacute s

consideacuterables d e CO 2 L e tablea u ci-dessou s lillustr e le s eacutemission s d u CO 2 par le s troi s

industries

Type dindustri e

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Eacutemissions du CO2 (en Gt)

015

L7

18

Quantiteacutes de reacutesidus alcalins (en Mt)

90

350-420

480 (30 MT de CKD + 450MT de cendres

volantes de tout genre )

Sources

Institut Intemafional d e

laluminium (2008) Kumar eacutetal (2006 )

Miclos (2000) Gielen (2008)

Eloneva (2008) Konsta-Gdoutos et Shah (2003) Kumar et al

(2005)

Illustration de s eacutemissions d e CO2 et les quantiteacutes des reacutesidus alcalins produit s au niveau mondia l pa r les trois industries

Les eacutemission s d e CO 2 augmentent danneacute e e n anneacute e malgr eacute le s effort s de s entreprise s agrave le s

reacuteduire Pourtant l e protocole du Kyoto (1997) a fixeacute des objectifs d e reacuteduction d e GES pour

tous le s pay s signataires L e protocol e d u Kyot o a fixeacute a u Canad a agrave reacuteduir e d e 6 se s

eacutemissions d e GE S entr e 200 8 e t 201 2 pa r rappor t agrave lanneacute e 199 0 (Environnemen t Canada

2007)

Les quinz e pay s signataire s d e lUnio n Europeacuteenn e on t deacutej agrave attein t lobjecfi f d e 8

reacuteduction d e GES fixeacute pa r Kyoto (AEacuteE 2009) Des pays tels que la France LAllemagne l a

Gregravece l a Suegraved e l e Royaume Un i ont mecircme deacutejagrave attein t u n niveau infeacuterieu r agrave leur objectif d e

Kyoto Le s projection s reacutealiseacutee s pa r lAgenc e Europeacuteenn e pou r lEnvironnemen t (AEacuteE )

deacutemontrent qu e le s politique s climatique s e n vigueu r agrave lheur e actuell e permettron t d e fair e

une reacuteductio n suppleacutementair e d e 3 5 dic i 201 2 gracircc e agrave lacha t d e creacutedit s issu s d e projet s

de reacuteductio n de s eacutemission s meneacute s dan s le s pays tier s (AEacuteE 2009) L e Canad a e t le s Eacutetat s

Unis au contraire ont augmenteacute plus du double leurs eacutemissions de GES

Lameacutelioration d e lefficacit eacute leacutenergeacutetiqu e e t lutilisafio n d e source s alternative s deacutenergi e

pourraient reacuteduir e le s eacutemissions d e CO2 mais ces mesures seron t insuffisante s pou r atteindr e

les objectifs d e Kyoto ca r l a demande mondial e e n matiegravere premiegraver e augment e agrave un rythm e

soutenu Le s besoin s e n acie r e t e n aluminiu m connaicirctron t un e croissanc e d e 3 0 e t 60

par deacutecennie e t lInde estimen t Kuma r et al (2006) Kharoune (2006) ce qui rend neacutecessair e

la recherche d e nouvelle s technologie s d e seacutequestration d u CO2 De plus l a Chine e t lInd e

connaicirctront de s croissance s d e 8 0 agrave 100 pa r deacutecenni e dan s le s mecircme s domaines

Lindustrie d e lacier d e la Chine rejette 5 0 des eacutemissions mondiales du CO2 Dailleurs il

est agrave noter qu e le s eacutemissions d u CO2 par lindustri e d e production d e laluminiu m eacutetaien t d e

96 Mt en 199 0 au niveau mondia l e t elles ont eacuteteacute reacuteduites agrave moins de 25 Mt de CO2 en 2007

une reacuteductio n d e 7 4 alor s qu e l a productio n daluminiu m a doubl eacute pendan t l a mecircm e

peacuteriode d e 19 5 agrave 38 M t (GEIC 2006) Entre 199 0 et 2002 le secteur canadie n d u ciment a

ameacutelioreacute l e rendemen t d e se s four s d e 1 2 e t diminueacute se s eacutemission s d e GE S pa r tonne d e

produits cimentaire s d e 71 En chiffres absolus l a production total e nett e deacutemission s d e

CO2 a augmenteacute d e 23 de 199 0 agrave 2004 Toutefois l a production d e ciment a augmenteacute de

25 a u cour s d e cett e peacuteriode c e qu i expliqu e e n grand e parti e laccroissemen t de s

eacutemissions (Environnemen t Canada 2007) Dan s le s anneacutee s 1950 l a productio n mondial e

dacier eacutetai t denviro n 20 0 millio n d e tormes meacutetriques E n 2006 l e chiffr e seacutelevai t agrave 124 0

Mt dacier

Le Japo n fai t un e bonn e figure dan s l e cadr e d e reacuteduction s d e GES So n industri e dacie r a

reacuteduit d e 6 s a consommatio n deacutenergi e e n 200 5 pa r rappor t a u nivea u d e 199 0 (GEIC

2006) Le s entreprise s eacutemettrice s d e CO 2 doiven t fair e preuv e d e plu s dinnovation s e t d e

recherches technologique s dan s c e sens Louvertur e d e l a bours e d e carbon e depui s ma i

2008 agrave Montreacutea l leu r perme t deacutechange r leur s creacutedit s deacutemissio n d e GE S e t d e s e voi r

reacutecompenseacutees pour leurs efforts

Technique d e reacuteduction de s eacutemissions d e CO2 proposeacutee

Plusieurs proceacutedeacute s son t utiliseacute s pou r limite r le s eacutemission s atmospheacuterique s d e CO 2 qu i

agissent principalemen t su r l a captur e e t l a seacutequestrafio n d e c e gaz Alor s qu e le s proceacutedeacute s

membranaires e t dabsorption son t utiliseacutes pour l e captage d u CO2 le stockage e n reacuteservoir s

geacuteologiques o u miniers e n aquifegravere s salin s o u encor e pa r enfouissemen t oceacuteaniqu e son t

utiliseacutes pour l a seacutequestration (Bonenfan t et al 2006)

Lutilisation de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s issu s de s activiteacute s industrielle s telle s qu e

les alumineries le s acieacuterie s e t le s cimenterie s offren t d e nouvelle s possibihteacute s s e

seacutequestrafion d u CO2 Cett e technologi e es t baseacute e su r u n pheacutenomegraven e chimiqu e simpl e la

formation d e carbonate s stable s suite agrave labsorptio n d u CO 2 par de s composeacute s alcalin s tel s

que le s oxydes de calcium (CaO ) e t de magneacutesium (MgO) Lideacutee dutilise r le s reacutesidus e t les

sous-produits alcalin s afin d e seacutequestrer l e CO2 a eacuteteacute lanceacutee pour l a premiegravere foi s par Seifrit z

(1990) et a eacuteteacute eacutetudieacute en en profondeur pa r Lackner (1995)

La reacuteductio n de s eacutemission s d e CO 2 agrave l a sourc e sinscri t dan s l e cadr e du n processu s d e

gestion durabl e de s matiegravere s reacutesiduelle s e t preacutesent e u n inteacuterecirc t eacuteconomiqu e manifeste Agrave cet

effet l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuteral e e n milieu x aqueu x preacutesent e un e

alternative tregrave s inteacuteressant e (Huijge n et al 200 5 Bonenfan t et al 2006) 1 1 sagit du n

processus nature l menan t agrave l a formatio n de s carbonates produit s thermodynamiquemen t

stables et sans effet neacutefast e su r lenvironnement (Boenfan t et al 2006)

Les mateacuteriau x employeacute s dan s ce s eacutetude s son t de s sou s produit s e t reacutesidu s industriel s agrave

pouvoir alcali n tel s qu e le s scorie s de s acieacuteries le s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s

cendres volante s e t poussiegravere s de s four s de s cimenteries Cett e technologi e pren d un e

importance particuliegraver e s i o n parl e e n terme s d e quantiteacute s de s reacutesidu s produit s pa r ce s troi s

industries (voi r tableau 11 page 6) et qui peuvent ecirctr e utiliseacutes afin d e seacutequestrer l e CO2

En fait le s technologie s existante s d e seacutequestratio n d u CO2 agrave l a diffeacuterenc e d e l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s industriel s alcalins preacutesenten t de s coucirct s eacuteleveacute s d e 5 0 agrave

100 $ par tonn e d e CO 2 seacutequestreacute (Bonenfan t et al 2006 Eloneva 2008) Ces coucirct s eacuteleveacute s

empecircchent leu r application agrave grande eacutechelle

Objectifs d e leacutetud e

Le bu t d u preacutesen t travai l consist e agrave deacuteterminer expeacuterimentalemen t le s meilleurs pouvoirs d e

seacutequestration d u CO 2 pa r le s reacutesidu s e t le s sous-produit s industriel s alcalin s dan s de s

conditions ambiante s dutilisatio n tempeacuterature t = 20degC temps T= 2 4 et 48 heures pression

atmospheacuterique ambiante granulomeacutetrie industrielle)

De cet objectif deacutecoulen t le s sous-objectifs speacutecifique s suivant s

bull deacutetermine r le s critegraveres dutilisation de s mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r leffe t d u pH de la conducfiviteacute e t du pouvoir alcalin des reacutesidus en milieux

aqueux su r la capaciteacute de seacutequestration d u CO2 par les mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r F effet d e la preacutelixiviation de s reacutesidus sur leurs capaciteacutes de seacutequestratio n

du CO2

Pour c e faire de s essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute meneacute s su r troi s type s d e scorie s (HF FP FAEacute)

deux type s d e boue s rouge s (humide s e t segraveches) deu x type s d e reacutesidu s d e cimenterie s

(poussiegraveres de fours e t cendres volantes)

Le preacutesent meacutemoire es t organiseacute comme sui t

Le Chapitr e 1 preacutesent e le s notion s fondamentale s d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO2

Apregraves avoi r list eacute le s plu s grand s eacutemetteur s de s ga z agrave effet s d e serr e nou s feron s l a lumiegraver e

sur le s caracteacuteristique s chimique s d u CO 2 e t le s technologie s existante s d e l a seacutequestratio n

mineacuterale d u CO 2 par le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalins L e Chapitre 2 aborde l a

meacutethodologie de caracteacuterisation de s reacutesidus alcalins Dans cette partie nous nous pencheron t

sur le s critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacutes l a faccedilo n don t le s

paramegravetres e t le s condition s dexpeacuterimentation s son t eacutetabli s e t su r l a meacutethod e danalys e

choisie L e Chapitr e 3 preacutesent e le s reacutesultat s obtenu s lor s de s essais L e Chapitr e 4 a pou r

objectif dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s obtenu s dan s l e cadr e d e cett e

eacutetude Enfin un e conclusion complegravete l e meacutemoire

CHAPITRE 1

REVUE DE LA LITTEacuteRATURE

11 Probleacutematiqu e du CO2

Les activiteacute s humaine s eacutemetten t de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e GE S don t l e CO 2 L a deacuteforestation e t lindustrie de leacutenergie sont les principaux responsables (voir figure 11) Les rejets mondiaux en 2007 suite agrave la deacuteforestafion son t denviron 8 4 Gt de CO2 sur une totale de 38 Gt de CO2 eacutemis dans latmosphegravere La Terre absorbait environ 1 1 Gt de CO2 en 2007 On retrouve un suppleacutement dans latmosphegravere de 27 Gt selon le GIEC (2007)

Les eacutetude s qu i traiten t l e reacutechauffemen t globa l d ucirc au x eacutemission s d e CO 2 pa r lactivit eacute humaine sont tregraves nombreuses Leffet d e serre est un pheacutenomegravene normal et neacutecessaire agrave la vie su r terre C e pheacutenomegraven e s e produi t pa r laccumulatio n de s ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere 1 1 perme t d e mainteni r un e tempeacuterature moyerm e agrave la surface d e l a terre de +18degC (GIEC 2001) San s leffe t d e serr e l a tempeacuterature moyenn e d e l a terre serai t d e -15degC

Deacutef 0 r estatio n et suite s

Proceacutedeacutes industriels

2sltyo ^

r 7 Bacirctiments

reacutesidentiels e t comnterciaux

9ltyo

Industr ies d e leacutenergie

27lty o

) ~ Transpor t

1 7

Figure 11 Reacutepartition par activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004

Tireacute de GIEC (2007)

Pour mieu x comprendr e l a probleacutematiqu e d u reacutechauffemen t planeacutetaire i l import e d e bie n

connaicirctre le s caracteacuteristique s chimique s e t l e cycl e d u CO2 Le s page s qu i suiven t s e

proposent d e faire l a lumiegravere sur le sujet

111 L a chimi e du CO 2

Le dioxyd e d e carbon e a eacutet eacute identifi eacute pou r l a premiegraver e foi s dan s le s anneacutee s 175 0 pa r l e

physicien e t chimist e eacutecossai s Josep h Blac k (Villiers 2009) A tempeacuteratur e ambiant e (20 -

25C) l e dioxyd e d e carbon e es t u n ga z san s couleu r n i odeur qu i es t faiblemen t acid e e t

inflammable I l es t preacutesen t dan s latmosphegraver e dan s un e proportio n approximativemen t eacutegal e

agrave 00375 en volume soi t 375 ppmv (Bourque 2009)

La formul e moleacuteculair e d u dioxyd e d e carbon e es t l e CO2 Cett e moleacutecul e lineacuteair e es t

triatomique composeacute e du n atom e d e carbon e qu i es t reli eacute pa r doubl e liaiso n agrave deux atome s

doxygegravene 0=C=0 Le s atomes doxygegravenes dan s cett e formul e son t seacutepareacute s agrave des angles de

180 deg et son t lieacute s agrave latom e d e carbon e pa r de s liaison s covalente s qu i l a ren d no n polair e

selon Sienk o (1965) Dissou t dan s leau i l form e d e lacid e carboniqu e qu i peu t interagi r

avec de s composeacute s alcalin s tel s le s oxyde s meacutetallique s d e calciu m e t d e magneacutesiu m e t le s

zeacuteolites (Sienko 1965 Auroux et Gervasini 1990)

CO2 + H2 O - ^ H2CO 3 (11 )

Dans leau d e maniegravere reacuteversible lacid e carboniqu e reacuteagi t ave c lea u pou r forme r l e catio n

hydronium HsO^ et lion bicarbonate HCO suivant l a reacuteaction suivant e

H2CO3 + H2 O - ^ HCOs + HsO ^ (12 )

Il peu t seulemen t ecirctr e solid e agrave une tempeacuteratur e infeacuterieur e agrave -78degC L e dioxyd e d e carbon e

liquide existe principalement quan d i l est dissout dans leau

Le dioxyd e d e carbon e es t seulemen t solubl e dan s lea u lorsqu e la pressio n dinjectio n es t

maintenue Les proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2 sont deacutecrites au Tableau 11

Tableaull Le s proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2

Tireacute de Goj et al (2002) Tardat-Hemy e t Beaudry (1984 )

Proprieacuteteacute Masse molair e

Graviteacute speacutecifiqu e agrave 21C Densiteacute critiqu e

Concentration dan s lai r Stabiliteacute Liquide Solide

Constante dHenry d e solubilit eacute Solubiliteacute dans leau agrave agrave 20 degC

Valeur 4401

153 agrave21 468

3703 10 Eleveacutee

Pression lt 4158 Tempeacuterature

29815 09

Uniteacute gmol

-kgm ppm

-kPa

lt -78 degC mol kg bar

volvol

Ces proprieacuteteacutes permetten t a u CO2 de capter le s rayons infr a rouge s provenan t d e la Terre de

lemmagasiner e t passe r agrave u n nivea u deacutenergi e supeacuterieur Lexceacuteden t deacutenergi e es t libeacuter eacute

apregraves dans latmosphegravere causan t ains i leffe t d e serre (GIEC 1990)

112 Cycl e du carbon e

Le carbone es t un eacuteleacutement essenfie l agrave la vie Le carbone sui t u n certain itineacuterair e su r la terre

qui es t appeleacute cycl e du carbone L e cycle du carbone se compose en deux parties le cycle du

carbone organiqu e e t celui d u carbon e inorganique Cett e seacuteparatio n (Bourque 2009 ) es t

artificielle car en reacutealiteacute ces deux cycles se reacutealisent en mecircme temps

Le cycle du carbone es t baseacute sur le dioxyde de carbone (CO2) qui peut ecirctre foumi agrave lair sou s

forme d e ga z e t agrave lea u sou s form e dissoute Le s plante s terrestre s utilisen t l e dioxyd e d e

carbone d e latmosphegraver e pou r creacutee r leur s propre s source s deacutenergi e e t pou r assure r leu r

croissance

10

Lors le processus naturel appeleacute l a photosynthegravese le s plantes libegraveren t de loxygegravene essentie l

agrave l a vie animale Ces t gracircc e agrave l a chlorophyll e qu e le s plantes e t certaine s bacteacuterie s peuven t

effectuer la photosynthegravese

La reacuteaction totale de la photosynthegravese est

6CO2 + 6H2O + Eacutenergie solaire -gt COcircH^O Ocirc + 6O2 (13 )

Les animau x qu i consommen t loxygegraven e libeacuter eacute pa r le s plante s sappellen t de s

consommateurs Ce s dernier s relacircchen t l e dioxyd e d e carbon e dan s latmosphegraver e duran t l e

processus d e l a respirafion L a respiratio n es t linvers e d e la photosynthegravese Agrave parti r d e

loxygegravene libr e O2 elle transforme tout e mafiegravere organiqu e en CO2 selon leacutequatio n chimiqu e

suivante

C6H12O6 + 6 O2 gt 6 CO2 + 6 H2O (14 )

La deacutecompositio n aeacuterobi e e t l a fermentatio n permetten t au x microorganisme s d e libeacutere r l e

CO2 dans latmosphegravere Toutefois l e carbone peu t auss i ecirctr e stock eacute sou s forme d e biomass e

dans le s racine s de s arbre s e t dautre s matiegravere s organique s duran t de s anneacutees Lorsqu e le s

couches d e seacutediment s compressen t cett e matiegravere de s combustible s fossile s seron t formeacutes

apregraves plusieur s siegravecles De s proceacutedeacute s geacuteologique s agrave long term e pourron t expose r l e carbon e

de ce s combustible s agrave lai r apregrave s un e longu e peacuteriode mai s habituellemen t l e carbon e de s

combustibles fossile s es t relacircch eacute lor s d e proceacuted eacute d e combustio n reacutealis eacute pa r lhomm e

(Bourque 2009) Bie n qu e l a combustio n de s combustible s fossile s ajout e d u dioxyd e d e

carbone agrave lair certai n dentr e eu x son t auss i relacircch eacute lor s d e proceacutedeacute s naturels te l qu e le s

eacuteruptions volcaniques Dan s leacutecosystegravem e aquatique l e dioxyde d e carbon e peu t ecirctr e stock eacute

dans le s roche s e t le s seacutediments I l prendra u n lon g temp s avan t qu e l e dioxyd e d e carbon e

soit relacircch eacute pa r l a deacutesagreacutegatio n de s roche s o u de s processu s geacuteologique s qu i apporten t le s

seacutediments agrave la surface d e leau (Bourque 2009)

11

Le dioxyd e d e carbon e stock eacute dan s lea u ser a preacutesen t agrave l a foi s comm e ion s carbonate s o u

bicarbonates Ce s ions fomient un e partie importante des tampons naturel s qui empecircche lea u

de deveni r tro p acid e o u tro p basique Lorsqu e l e solei l chauff e leau le s ion s carbonate s e t

bicarbonates retourneron t dan s latmosphegravere sou s forme d e dioxyde de carbone (Falkowsk i et

al 1998 Huntzinger 2009)

En 2003 Yamasak i estimai t agrave 1 4 G t l a quantiteacute d e carbone captur eacute d e latmosphegraver e pa r le s

systegravemes terrestre s agrave laid e d e l a photosynthegravese Selo n ce t auteur loceacutea n emmagasin e plu s

de carbon e qu e l a veacutegeacutetafio n terrestre soi t 3 8 000 Gt L e phytoplancto n emmagasin e 5 0 agrave

100 G t d e carbon e qu i soi t un e quantit eacute beaucou p plu s important e qu e cell e emmagasineacute e

par la veacutegeacutetation terrestre

Les figure s 1 2 e t 1 3 montren t qu e l e gran d reacuteservoi r d e carbon e es t constitu eacute

principalement pa r le s roche s seacutedimentaires Loceacutea n repreacutesent e auss i u n autr e grand

reacuteservoir surtou t agrave de s profondeur s supeacuterieure s agrave 10 0 m L e seacutejou r d u carbon e dan s le s

reacuteservoirs deacutepend du type de reacuteservoir ougrave il se trouve

Le seacutejou r d u CO 2 est d e quatr e an s dan s latmosphegravere d e 1 1 ans dan s l a biosphegravere d e 38 5

ans dan s lhydrosphegraver e superficiell e (oceacutean d e 0 agrave 10 0 m) d e plu s d e 10 0 K a (millier s

danneacutees) dan s loceacutean profon d e t de quelques 200 Ma (millions danneacutees) dan s la lithosphegraver e

(Bourque 2009) Le cycl e d u carbone es t composeacute d e plusieurs sous-cycle s qu i duren t d e l a

deacutecennie (l e recyclag e d u CO 2 pa r le s plantes ) au x centaine s d e million s danneacutee s (l e

recyclage d u carbon e organiqu e pa r lintermeacutediair e de s roche s seacutedimentaire s o u de s

hydrocarbures pa r exemple)

12

C y c l e y c o u r t gt v

C y c l e 1 o n g

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C Y C L E O U C A R B O N E O R G A N I Q U E

A T M O S P H Egrave R E

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O S If ^ o 5 p f icirc o i o s y n i h e s e 1

6 0 1

r ^ H - | 1 3 0

L = J a l i o n I

f laquo r m e n t a t i o n

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t e r r e s t r e -o- S d ^ m a rraquo n = Q

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1 ^ r -

S O L S T E R R E S T R E S e l

S e O I M E M T S M A R I M S

l e o o 1 S e d 1 m e n 1 a 1 p o n

A l t e r a t l o n O O 5

( e t e n f o u i s s e m e m

R O C H E S S Eacute D I M E N T A I R E S i n c l u a n t k ^ r o g ^ n e s p eacute t r o l e s c h a r b o n s

1 O O O O O O O

bull V o i o u - s C n Ccediljs ^ g g a i 3 T - raquo r gt t s d t c a t o o ^ s o - t o n K u m o K a s t i n p o l C a r i ^ ^ l O ^ D P O O Icirc V C O M

)

N

gt a 1 1

Figure 12 L e cycle du carbone organique Tireacute de Bourque (2009)

Figure 13 L e cycle du carbone inorganique Tireacute de Bourque (2009)

13

12 Technologie s d e captage et de seacutequestration du CO2

121 Technologie s d e captage du CO2

Afin d e contre r le s effet s neacutefaste s d u reacutechauffemen t climatiqu e plusieurs technologie s d e

captage e t de seacutequestration d u CO2 on t eacuteteacute deacuteveloppeacutees ce s derniegraveres anneacutees L a majoriteacute d e

ces technologie s n e son t pa s encor e implanteacute e agrave leacutechell e industrielle ca r leur s faible s

efficaciteacutes e t leur s coijt s eacuteconomique s eacuteleveacute s ont empecirccheacute s leu r implantatio n (Herzo g et al

1997 Herzog 2001 Yang et al 2008) Dan s cett e partie nou s deacutecrieron s briegravevemen t le s

technologies d e captag e d u CO 2 et nou s nou s attarderon s plu s e n deacutetai l su r le s technologie s

de seacutequestration d u C02par des mateacuteriaux alcalins

Proceacutedeacutes dadsorption pa r les amineacutes

Les technologie s baseacutee s su r labsorptio n d u CO 2 par le s amineacute s son t le s plu s freacutequemmen t

ufiliseacutees dan s le s industrie s peacutetroliegraveres dextractio n d u ga z nature l e t d e l a productio n

dammoniaque (Lia o et al 2002 Ra o et al 2002) L a mon o eacutethylamin e (MEA ) pa r

exemple reacuteagi e ave c l e CO 2 e t form e l e carbamat e d e MEA O n utilis e l a solutio n d e ce t

composeacute afin dextrair e d u CO2 tregraves pur (Stewart e t Hessami 2005)

Ces technologie s offren t de s rendement s d e captag e d u CO 2 varian t d e 7 5 agrave 9 0 e t de s

grades d e puret eacute d u CO 2 supeacuterieur s agrave 9 9 Malgr eacute de s rendement s satisfaisants ce s

technologies ont de s inconveacutenient s majeur s le s coiit s dinvesfissemen t e t dexploitatio n

sont eacuteleveacutes lufilisatio n dinhibiteur s d e corrosio n e t doxydafio n e t leur s rendement s

deacutependent de s condifion s dutilisafio n (Jo u et al 1995) L a consommatio n deacutenergi e es t

eacutegalement tregrave s eacuteleveacutee (Fauth et al 2005)

Proceacutedeacutes dadsorptio n pa r les zeacuteolites e t les charbons actif s

Les mateacuteriaux tel s que le s zeacuteolites e t les charbons actif s ont de s surfaces speacutecifique s eacuteleveacutee s

(gt 150 0 m^g ) e t adsorben t seacutelectivemen t diffeacuterent s ga z e n fonctio n d e leu r superficie l a

taille des pores et les volumes de pores (Rege et Yang 2001)

14

Ce processu s repos e su r la neutralisatio n du n ga z acid e for t (CO2 ) pa r un e bas e faibl e

(absorbant) Il s opegraverent agrave des cycles dites de pression PSA (Pressure-Swing-Adsorption) o u agrave

des cycles thermiques TSA (Thermal-Swing-Adsorption)

Ce typ e dadsorpfio n peu t atteindr e u n rendemen t denlegravevemen t d u CO 2 denviro n 9 2

Toutefois le s zeacuteolithe s n e son t pa s efficace s pou r capte r l e CO 2 eacutemi s pa r le s centrale s agrave

charbon car la consommation deacutenergi e es t tregraves eacuteleveacutee (Maroto-Valer 2005)

Proceacutedeacutes membranaire s

Ces technologie s utilisen t de s membrane s constitueacutee s du n polymegraver e deacutepos eacute su r u n suppor t

microporeux o u meacutetalliqu e o u du n film liquid e absorban t immobilis eacute su r u n suppor t d e

polymegravere (Fero n et al 1992 Herzog et a1997 Herzog 2001) L e CO2 est mis en contac t

avec l a membran e e t l e polymegraver e o u l e film liquid e qu i facilit e so n transpor t agrave traver s l a

membrane a u deacutetrimen t de s autre s polluants Ce s proceacutedeacute s offren t plusieur s avantage s pa r

rapport au x autre s proceacutedeacute s pa r leur s simpliciteacute s e t leur s stabiliteacutes Toutefois ce s

technologies preacutesenten t d e seacuterieu x deacutesavantage s don t de s coucirct s dutilisatio n eacuteleveacutes de s

rendements d e captag e d u CO 2 infeacuterieur s agrave 8 0 un e faibl e seacutelectiviteacute e n plu s d e n e

pouvoir traiter que des effluents ayan t de faibles concentration s en CO2 (Yang et al 2008)

122 Technologie s d e seacutequestration d u CO 2

Laugmentation constant e de s activiteacute s industrielle s de s acieacuteries de s cimenterie s e t de s

alumineries a pour conseacutequenc e no n seulemen t laccroissemen t de s eacutemission s d u CO 2 mais

aussi laccumulatio n d e millions de toimes de reacutesidus alcalins partout dan s l e monde Le deacutef i

pour ce s entreprise s e t pou r l e mond e d e l a recherch e es t d e taill e utilise r ce s reacutesidu s

industriels afi n d e limite r (seacutequestrer ) un e parti e d u CO 2 eacutemi s dan s latmosphegravere E n fait

cest depui s le s quinz e demiegravere s anneacutee s qu e l a recherch e essay e agrave reacutepondr e agrave cett e

probleacutemafique

15

Les effort s le s plus consistant s reposen t su r l e deacuteveloppement dun e technologi e utilisan t le s

scories de s acieacuterie s e t le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s comm e matrice s afi n d e

seacutequestrer l e CO 2 (Hujge n e t al 2005 Kharoune 2006) Quan t agrave lutilisatio n de s boue s

rouges de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e cimenterie s son t dan s leur s

premiegraveres phases dessais

Les technologie s d e seacutequestratio n d u CO 2 o n peu t le s classifie r e n quatr e cateacutegorie s l a

seacutequestration oceacuteanique l a seacutequestratio n biologiques l a seacutequestratio n geacuteologiqu e e t l a

seacutequestration mineacuterale s des mateacuteriaux alcalins Il importe de mentionner qu e la deacutefinition d e

technologie es t peut-ecirctr e inexacte ca r l e pheacutenomegraven e d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r de s

matiegraveres alcaline s es t u n pheacutenomegraven e naturel Toute s ce s laquotechnologies raquo permetten t l a

seacutequestration d u CO2 agrave tregraves long s termes (plusieur s millier s agrave plusieurs million s danneacutees ) agrave

lexception d e l a seacutequestration d u CO2 par l a biomasse de s veacutegeacutetaux qu i n e l e seacutequestre qu e

pour une cinquantaine danneacute e (Santos 2006)

La seacutequestration oceacuteaniqu e

Les oceacuteans ont u n potentie l d e seacutequestration d u CO2 tregraves eacuteleveacute plus de 100 0 Gt (AMPERE

2006) mai s l a dureacute e d e reacutetentio n d u CO 2 est beaucou p plu s court e qu e le s autre s type s d e

seacutequestration L e CO2 injecteacute agrave 1500 m de profondeur libegraver e 1 8 de la quantiteacute seacutequestr eacute du

CO2 apregraves 200 ans de stockage (Hanish 1999) Ceci sexpliqu e pa r l e fai t qu e le CO2 dissout

dans lea u s e transforme e n acid e carboniqu e H2CO 3 qui baiss e l e p H d e lea u marine De s

ions bicarbonates HCO3 et des ion s carbonates COs^ sont libeacutereacute s dans lea u qu i agrave leu r tou r

vont reacuteagi r ave c le s ions meacutetallique s qu i s e trouvent dans lea u pou r former de s sel s tels que

la calcit e CaCO s (carbonat e d e calcium ) e t l a dolomit e CaMg(C03)2 L a formatio n d u

carbonate d e calciu m CaCO j produi t deu x pheacutenomegravenes l e premie r es t celu i d e

laugmentation d e la concentration e n acide carbonique qu i peut auss i seacutecrir e CO 2 + HO et

par voi e d e conseacutequence d e cell e d u CO 2 et l e deuxiegravem e es t celu i d e l a reacuteductio n d e l a

concentration e n ions bicarbonates ce qui va provoquer une baisse du pH

C02(g) + CaC03(s) + H2O -^ Ca-(aq ) + 2 HCO3 (aq) (15 )

16

Les concentration s eacuteleveacutee s d e CO 2 suites agrave l a productio n d e CaCO s provoquen t l a creacuteatio n

dun gradien t entr e loceacutea n e t latmosphegravere qu i favoris e un e diffusio n d u CO 2 de loceacutea n ver s

latmosphegravere (Bourque 2009)

Un autr e inconveacutenien t d e cett e meacutethod e es t l a distanc e su r laquell e l e CO 2 reacutecupeacuter eacute de s

usines doi t ecirctr e transporteacute pou r atteindre loceacutean L e coiagravet de cette meacutethod e d e stockage a eacuteteacute

estimeacute entre 1 8 et 12 8 $ par tonne de CO2 seacutequestreacute (AMPERE 2006)

La seacutequestration geacuteologiqu e

Le stockag e geacuteologiqu e d u CO 2 preacutesente un e autr e alternativ e inteacuteressant e pou r limite r le s

eacutemissions d e ga z dan s latmosphegravere LOues t canadie n pa r so n relie f e t se s caracteacuterisfique s

geacuteologiques sembl e lendroi t ideacuteal car les reacuteservoirs geacuteologique s peuvent recevoi r toute s le s

eacutemissions de CO2 qui seront produites au Canada dans les prochaines anneacutees

Toutefois plusieur s chercheur s sinquiegraveten t d e limpact d e ce gaz stockeacute agrave des pressions tregrave s

eacuteleveacutees su r le s paroi s rocheuse s (Reeve 200 0 His 2003 Thoma s e t Kerr 2005 Montes -

Hemandez 2009) L a dissolutio n d u CO 2 peu t cause r l a formatio n de s carbonates de s

oxydes meacutetallique s e t de s hydroxyde s qu i agrave longues terme s peuven t affecte r l a solidit eacute de s

reacuteservoirs (Montes-Hemande z 2009) L a seacutequestrafio n geacuteologiqu e d u CO 2 s e deacuteroul e e n

trois eacutetape s l e captage l e transpor t e t linjectio n d u gaz L e captag e es t leacutetap e l a plu s

coucircteuse du processus (GIEC 2005)

De plus plus des deu x tier s du coucirc t du captage e t du stockage d u CO2 provenant de s ga z de

combustion y sont accapareacute s pa r sa seacuteparation e t so n traitement Ce s coucircts eacuteleveacutes preacutesenten t

(40 agrave 7 0 $ ustonne d e CO2 ) l e principal obstacl e agrave l a commercialisatio n de s technologie s

de stockage du CO2 au Canada (Reeve 2000)

17

Stockage dans les gisements de gaz ou de peacutetrole

Cette technologie es t en cours de deacuteveloppement Le s gisements de gaz et de peacutetrole peuven t

servir d e reacuteservoir s naturel s d u CO2 Ce s reacuteservoir s offren t de s potentiel s d e seacutequestratio n

supeacuterieurs agrave 18 0 Gt de CO2 (Reeve 2000)

De nombreuse s expeacuterimentation s son t e n cour s a u Japon au x Eacutetats-Uni s e t e n Europe L e

CO2 capt eacute peu t ecirctr e inject eacute e t emprisonn eacute dan s de s structure s geacuteologique s telle s qu e de s

veines d e charbo n inexploitables de s gisement s eacutepuiseacute s d e ga z o u d e peacutetrol e o u de s roche s

poreuses Un e foi s aboutie cett e technologi e permettrai t d e reacuteduir e massivemen t le s

eacutemissions d e c e ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere U n aspec t inteacuteressan t d e cett e

technologie es t le transport direc t du CO2 des usines vers les sites de stockage

Les grand s eacutemetteur s d e CO 2 tel s qu e le s alumineries le s acieacuteries le s cimenterie s e t le s

raffineries d e peacutetrol e peuven t utilise r facilemen t cett e technologi e (Montes-Hemandez

2009)

Stockage dans le s formations houillegravere s

Une autr e possibilit eacute d e seacutequestrafio n d u CO 2 es t linjecfio n dan s le s formafion s houillegravere s

(Mastalerz et al 2004) Le meacutethane (CH4) a la proprieacuteteacute de saccrocher au x paroi s rocheuse s

mais l e CO2 une foi s injecteacute deacuteplac e l e meacutethan e pou r prendr e s a place Cett e technologi e

preacutesente u n avantage consideacuterable l a vente du meacutethane ains i produi t peu t aide r agrave compenser

le coucirc t d e l a seacutequestratio n d u CO2 Deacutependan t d u typ e d e charbo n utilis eacute le s eacutetude s d e

laboratoire indiquen t quentr e deu x e t di x moleacutecule s d e CO 2 son t absorbeacutee s pou r chaqu e

moleacutecule d e meacutethan e libeacuter eacute (Stanto n et al 2001 Pa n e t Connell 2009) Linconveacutenien t

majeur d e cett e technologi e es t l a faible porosit eacute d e l a surface d u charbo n qu i s e tradui t pa r

un mauvais contac t du CO2 avec lensemble de la surface d u charbon

18

Stockage dans le s aquifegraveres salin s

Les reacuteserves planeacutetaires en eau saline deacutepassent largemen t celle s du peacutetrole e t de gaz naturel

Leurs potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 sont consideacuterables plu s 700 0 milliard s d e tonne s

de CO2 (Yang 2008)

Les aquifegraveres son t de s formation s geacuteologique s constitueacutes d e roches permeacuteable s contenan t d e

leau mobiliseacute e quelle s son t capable s d e restitue r naturellemen t (Herzo g et al 1997

Herzog 2001) Une telle technologie es t deacutejagrave utiliseacute e en Norvegravege o ugrave l a plate-forme offshor e

de ga z nature l d e Sleipne r inject e u n millio n d e tonne s d e CO 2 par anneacute e agrave 100 0 megravetr e d e

profondeur dan s la mer du Nord (Santos 2005)

Stockage dans la biomass e

Tel qu e expliqu eacute agrave l a sectio n 11 2 lor s d u processus d e l a photosynthegravese le s plantes verte s

absorbent d u CO 2 de latmosphegraver e afi n d e l e converti r e n glucos e e t e n dautre s substance s

indispensable agrave leu r survie Lor s d e l a respirafio n cellulair e l e glucos e es t laquobmleacute raquo pou r

produire d e leacutenergi e qu i ser t agrave mainteni r le s foncfion s vitale s de s veacutegeacutetau x (Campagna

1996) Les forecircts e t les algues marines sont les principaux reacuteservoir s vert s du CO2

Les forecirct s

Les arbre s duran t leu r croissance absorben t e t stocken t l e CO 2 de lai r jusquagrave c e qu e leu r

bois soi t brucircl eacute o u deacutecompos eacute naturellement Le s forecirct s contiennen t 8 0 d e l a biomass e

continentale (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s fonctionnen t donc duran t u n certai n temp s

comme de s puit s d e CO 2 e t contribuen t agrave reacuteduir e leffe t d e serre Un e forecirc t es t consideacutereacute e

comme pui s d e carbon e quan d ell e absorb e e t stock e l e CO 2 d e maniegraver e durabl e dan s l a

biomasse faisan t d e sort e qu e l a teneu r e n CO 2 d e latmosphegraver e diminue L a biomass e

aeacuterienne de s jeunes forecirct s agrave croissance rapid e fixe plus de gaz carbonique quell e nen rejett e

(Campagna 1996) Toutefois le s arbres mures des forecircts seacutequestren t tregrave s peu de CO2 Apregraves

une peacuteriode de 50 ans la forecirct es t consideacutereacutee mature

19

Ce nest pa s l e taux de fixation d u carbone qu i es t deacuteterminant mai s l e temps pendant leque l

il es t stock eacute dan s l a biomass e (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s e t le s autre s type s d e

veacutegeacutetation peuven t capte r e t transforme r entr e 2 0 e t 30 de s eacutemission s causeacutee s pa r la

combustion deacutenergie s fossiles e t cett e valeu r pourrai t encor e ecirctr e augmenteacute e pa r de s

reboisements Cependant o n admet que tous les puits de CO2 du monde seron t satureacute s dici agrave

2050 Pa r ailleurs le s puit s actuel s pourraien t auss i deveni r de s source s d e CO 2 s i

latmosphegravere devai t s e reacutechauffer Fischli n et al (2006 ) considegraver e que n ca s d e

reacutechauffement climatiqu e selo n le s modegraveles preacutevisionnels actuels le s peacuteriodes de seacutecheress e

(entraicircnant u n risqu e acc m dincendi e e t u n affaiblissemen t de s arbres) voir e le s tempecirctes

pourraient s e muhiplie r globalemen t e t localement dougrave entr e autres un e possibl e

augmentation de s attaque s pa r de s insectes Tou s ce s facteur s pourraien t fair e mouri r le s

arbres qui agrave leur tour une fois deacutecomposeacutes libeacutereront du CO2 dans latmosphegravere

Algues marine s

Les algue s marine s agrave l a surfac e de s oceacutean s jouen t u n rocircl e importan t dan s leacutecosystegravem e

marin Le s micros-algue s utilisen t le s rayon s d u solei l pou r leu r croissanc e eacutetan t donn eacute

quelles son t source s deacutenergi e e t permetten t d e transforme r l e CO 2 e n composant s

organiques (Herzo g et al 1997 Herzog 2001) Elle s repreacutesenten t l a base nutrifionnell e d e

la vi e marin e e t terrest e car elle s produisen t plu s d e 9 0 d e lactivit eacute photosyntheacutetiqu e

repreacutesentant pa r l e fai t mecircm e l a premiegravere sourc e doxygegravene su r la Terre Les expeacuteriences ont

deacutemontreacute qu e le s rendement s d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s algue s marines l e

zooplancton e t les bacteacuteries ont quadmpleacute suite agrave la fertilisation de s algues en ajoutant 800k g

de fe r su r un e surfac e d e 4 9 k m dan s loceacutea n Atlantiqu e Su d mai s ell e peu t repreacutesente r

certains dangers comme l e deacuteseacutequilibre de la flore marine (Herzog 2001)

La manipulatio n geacuteneacutetiqu e es t un e autr e voi e qu i permettr a au x algue s agrave augmente r leu r

pouvoir de seacutequestration d u CO2

20

Cette voie a eacuteteacute envisageacutee pour creacuteer des algues reacutesistantes agrave un environnement pauvr e en fe r

et ains i augmente r l a prolifeacuteratio n de s algue s marines mai s de s plante s marine s pouvan t

prolifeacuterer abondammen t dan s u n milie u carenc e e n fe r pourraien t induir e de s reacuteaction s e n

chaicircnes impreacutevisible s dan s le s eacutecosystegravemes marin s (Herzog 2001) Le s eacutetudes portant su r l a

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s son t beaucou p moin s

nombreuses

13 Seacutequestratio n d u CO2 par des mateacuteriaux alcalin s

Puisque l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s es t lobjecti f

principal d e l a preacutesent e eacutetude l a revu e deacutetailleacute e d e l a litteacuteratur e su r l e suje t es t preacutesenteacute e

dans cette section

Plusieurs recherche s (Lackne r et al 199 5 Stolarof f et al 200 5 Huijge n et al 2005 -

2006 Soong et al 200 6 Bonenfant et al 200 8 Montes-Hemandez et al 2008-2009 ) ont

proposeacute l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 comme un e altemativ e afi n reacuteduir e le s eacutemission s

de CO2 dans latmosphegravere e n ufilisant le s reacutesidus alcalins tels que les deacutechets municipaux le s

cendres volante s de s fours d e l a saumure le s deacutechet s d e beacuteto n e t d e ciment le s scorie s

dacier e t les boues de deacutesencrage des papeteries

131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriaux alcalins les fondement s

Lideacutee d e la seacutequestration mineacuteral e du CO2 a eacuteteacute lanceacutee par Seifritz e n 199 0 et a eacuteteacute eacutetudieacute en

en profondeur pa r Lackne r dan s les deacutebuts des anneacutees 90 Cette technologi e es t baseacutee su r un

pheacutenomegravene chimiqu e simpl e la formation d e carbonates stable s suit e agrave ladsorption d u CO2

par de s composeacute s alcalin s tel s qu e le s oxyde s d e calciu m (CaO ) e t d e magneacutesiu m (MgO )

(Lackner 1995) Les efforts le s plus consistants son t poseacutes su r linvention dun e technologi e

utilisant le s scorie s de s acieacuteries le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s e t le s mineacuterau x

alcalins tels que lolivine l a serpenfine l e wollostonite comm e matrice s afi n d e seacutequestrer l e

CO2

21

Quant agrave lutilisatio n de s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e

cimenteries son t dan s leur s premiegravere s phase s dessais E n fait i l exist e deu x type s d e

seacutequestration mineacuterale du CO2 ex-situ et in-situ

La seacutequestration ex-situ

Cette technologie es t appeleacutee ex-situ car on utilise les mineacuteraux alcalin s qui se trouvent dan s

la nature tel s que la serpentine lolivine l e wallostonite l e talc et c pou r l a seacutequestratio n d u

CO2 Linteacuterecirc t dutilise r le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalin s pou r l a seacutequestratio n

du CO 2 consiste dan s l e fai t qu e c e processus es t exothermiqu e e t qui l perme t l a formatio n

de carbonate s stable s (Lackner 199 5 Khoo e t Tan 2006 ) gracircc e agrave leur s teneur s eacuteleveacutee s e n

oxydes de magneacutesium (MgO ) et de calcium (CaO ) (Proctor et al 2000 ) comme l e deacutemontre

le tableau 12

La serpenfin e e t lolivin e ont eacutet eacute identifieacutee s pa r plusieur s (Beara t et al 2006 Kho o e t Tan

2006 Checircne al 2006 Huijge n et al 200 6 Krevor e t Lackner 200 9 Prigiobbe et al

2009) comme les mineacuteraux le s plus prometteurs agrave utiliser pour l a seacutequestration d u CO2 gracircce

agrave leurs pouvoirs alcalins et les quantiteacutes eacuteleveacutees quon trouve dans l a nature

Ces mineacuterau x doiven t ecirctr e transporteacute s pregrave s de s usine s eacutemettrice s d e CO 2 et broyeacute s avan t

decirctre utiliseacute s pour l a seacutequestration d u CO2 Le concept es t baseacute su r l e pheacutenomegravene nature l d e

lalteacuteration de s mineacuterau x alcalin s pa r l e CO 2 dan s leque l le s silicate s d e calciu m o u d e

magneacutesium son t transformeacute s e n carbonates L a carbonatatio n mineacuteral e engloban t tou s le s

mineacuteraux alcalin s es t preacutesenteacutee par les reacuteactions ci-dessous (Kho o et Tan 2006)

(Ca Mg)Si03(s) + C02(g) -gt (Ca Mg)C03(s) + Si02(s) + 90 kJmole (16 )

La reacuteactio n 1 6 deacutemontr e l e potentie l d e transforme r naturellemen t de s mineacuterau x riche s e n

silicates de magneacutesium e t de calcium en carbonates e t en silice

22

Tableau 12 La teneur en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Mateacuteriaux (mineacuterau x

alcalins)

Peridotite Dunit e (olivine )

Hazburgite

Lhezhorlite

Serpentine

Gabro

Basait

Talc

Wallastonite

Teneur en Mg O

masse

495

454

281

400

100

62

440

-

Teneur en CaO

masse

03

07

73

0

130

94

-

350

De tout e eacutevidence l a capacit eacute d e seacutequestre r l e CO 2 pou r le s reacutesidu s alcalin s deacutepen d

directement de la proportion des oxydes meacutetalliques de calcium et de magneacutesium (CaO et de

MgO) e t leur s hydroxyde s respectif s Ca(0H) 2 e t Mg(0H 2 contenue s dan s l a matric e de s

deacutechets (Montes-Hemandez et al 2009)

Dans de s condition s ideacuteale s e n suivan t l a reacuteacfio n 16 un e tonn e d e serpentin e peu t

seacutequestrer enviro n une demi-tonne de CO2 et une tonne de lolivine peu t seacutequestrer enviro n

deux fiers dune tonn e d e CO 2 (Khoo e t Tan 2006) L a reacuteaction es t exothermiqu e e t ell e

libegravere 90 kJmole de CO2 Le s eacutetudes deacutemontrent que le processus de carbonatation aqueuse

suit deu x eacutetapes a ) l a dissolutio n de s cafion s e n solutio n suiv i pa r b ) l a nucleacuteatio n e t l a

croissance des preacutecipiteacutes de carbonate (Park et Fan 2004 Maroto-Valer et al 200 5 Krevor

et Lackner 2009)L a raiso n principal e d e lutilisatio n d e ce s mineacuterau x es t labondanc e d e

ces derniers dans la nature

23

Les quanfiteacutes de serpentine en particulier son t largement disponibles dans le monde entier de te l poin t quo n peu t seacutequestre r tou t l e CO 2 qui peu t ecirctr e geacuteneacuter eacute agrave parti r d e toute s le s reacuteserves planeacutetaires en charbon Leur faible coucirct combineacute avec le caractegravere exothermique du processus d e carbonatation (reacuteacfio n 16 ) son t le s deu x principaux argument s qu i peuven t justifier l e deacuteveloppement d e ce proceacutedeacute au niveau industrie l (voi r figur e 14) Malgr eacute le s avantages deacutecrit s ci-dessus l a seacutequestratio n d u CO2 par l a carbonatatio n mineacuteral e es t un processus qu i est limiteacutee par l a lenteur de la reacuteaction de carbonatation e t notamment d e la lenteur d u taux d e dissolution de s silicate s dans des conditions faiblement acide s (Chen et al 2008)

^bulliltNr- -gtv v

Serpentine

r-^BoMWraquo iuml ^ Olivine

Pipeline

Vision 21 Power Plant bullwr

ww-

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1

te Minerai Carbonation Plant

AfSOk^KP^

^agnesItB amp Sillca Constructio n Mateacuteriel Industiial Reagents Mine Reacuteclamation

Figure 14 L a seacutequestration du CO2 par carbonatation mineacuterale Tireacute de Goldberg (2001 )

Le renforcement d e la vitesse de la dissolution a eacuteteacute identifieacute comm e lune des principales opportiiniteacutes pour la reacuteduction des coucircts directs de ce processus (Krevor et Lackner 2009) Les coucircts dutilisation d e ces mineacuteraux sont faibles mais les coucircts de transports eacuteleveacutes Ils peuvent donc limiter leur utilisation en grande eacutechelle pour la seacutequesti-ation du CO2 La consommation deacutenergi e associeacute e a u broyage de s mineacuteraux repreacutesenten t 7 5 du coucirct total de leacutenergie demandeacutee de tout le processus de seacutequestration du CO2

24

Ces coucirct s peuvent augmente r jusqu agrave 90 s i on vise agrave obtenir un e granulomeacutetri e d e moin s

de 75 mm (Krevo r e t Lackner 2009) De plus les mineacuteraux alcalin s ne se comportent pa s de

la mecircm e faccedilo n lor s l e processu s d e l a carbonatafion Le s serpentine s reacuteagissen t plu s

facilement tandi s qu e l a peridotit e es t l a plu s difficil e agrave carbonater Pou r avoi r de s

rendements satisfaisant s (4 0 agrave 8 0 ) d e carbonatation i l fau t augmente r l a tempeacuterature au -

dessus d e 150deg C et ajoute r de s solutions tampons telle s qu e l e chlorure d e sodium (NaCI ) et

bicarbonate d e sodiu m (NaHCOs ) o u ajoute r de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e acid e

chlorhydrique (HCl ) afi n dacceacuteleacutere r l a reacuteactio n d e formatio n de s carbonate s (Che n et al

2008)

La seacutequestration in-situ

Lutilisation de s reacutesidu s e t de s sous-produit s alcalin s issu s d e lactivit eacute industriell e de s

alumineries des acieacuteries e t des cimenteries est une autre altemative d e seacutequestration d u CO2

Ces mateacuteriau x alcalin s (boue s rouges scories poussiegravere s d e fou r e t cendre s volantes ) son t

produits pa r ce s usine s e t gracircc e agrave leur haute teneur e n Mg O e t CaO il s peuvent ecirctr e utiliseacute s

sur place (in-situ) pou r seacutequestrer l e CO2 eacutevitant ainsi le s coucircts de transport

Les boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouge s son t de s reacutesidus industriel s issu s du processus dextractio n daluminiu m agrave

partir d e l a bauxit e (proceacuted eacute Bayer) Ce s reacutesidu s (Doy e e t Duchesne 2003 ) on t u n p H

supeacuterieur agrave 1 2 et sont produit s agrave un taux de 2 tt daluminium commercialis eacute (Vacho n et al

1994) Le s boue s rouge s son t stockeacutee s soi t a u fon d de s oceacutean s (France Allemagne) soi t

preacutes des usines comme au Canada (Vachon et al 1994)

La production de s boues rouges en 2006 ses t chiffreacutee agrave 90 Mt dan s l e monde dont 3 Mt au

Canada e t o n preacutevoi t un e augmentatio n d e productio n d e 6 0 pa r deacutecenni e (Kharoun e et

al 2006) Le s grande s aluminerie s peuven t e n geacuteneacutere r jusqu agrave 67 5 00 0 tonne s pa r anneacute e

(Doye et Duchesne 2003)

25

Le tablea u 1 3 deacutemontr e qu e le s boue s rouge s on t un e teneu r eacuteleveacute e doxyd e d e calciu m

(CaO) et elles peuvent donc ecirctre ufiliseacutees afi n d e seacutequestrer l e CO2

Tableau 1 3 L a composition chimiqu e moyenne des boue s rouge s

Tireacute de Cabeza e t al (2003)

Composition en masse

AI2O3

10-20

CaO

2-8

FejOj

30-60

NazO

2-10

SiOz

3-50

TiOj

trace-10

Les scories des acieacuterie s

Lindustrie canadienn e d e lacieacuterag e constitu e l e secteu r l e plu s importan t d e l a meacutetallurgi e

du pay s (Mikhai l e t Aota 2006) Dix-sep t acieacuterie s exploiten t 2 1 usine s dan s hui t province s

canadiennes Dan s le s usine s inteacutegreacutees toute s situeacutee s e n Ontario de s haut s foumeau x

produisent d u fe r primair e agrave partir d e matiegraveres brute s comm e d u minera i d e fer d u charbo n

et de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006)

Les quatr e cateacutegorie s de s scorie s (Kharoun e et al 2006 ) deacutesigneacutee s selo n leu r proceacuted eacute d e

fabrication son t le s scorie s FO P (fou r agrave oxygegraven e pur) le s scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c

eacutelectrique) le s scorie s H F (hau t foumeau ) e t le s scorie s F P (fou r poche) Lutilisatio n de s

scories dan s l e bu t d e seacutequestre r l e CO 2 es t important e s i o n considegraver e qui l s e produi t

actuellement 1 4 Mt a u Canada 2 1 M t au x Eacutetat s Uni s e t 35 0 M t d e scorie s dan s l e mond e

dont 19 0 M t d e typ e H F (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e tonn e dacie r produit 02 8 agrave 1

tonne CO2 sont eacutemis dans latmosphegravere

Ce son t le s pH eacuteleveacute s (1 2 agrave 13 ) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxyde s meacutetallique s (Huijge n et

al 2005 ) le s raisons principale s d e lutilisatio n de s scories comm e substra t d e seacutequestratio n

du CO2 comme l e deacutemontre l e tableau 14

26

Tableau 1 4 La composition chimiqu e moyenne de s scorie s

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Composants (Vo en masse )

CaO Si02

A1203 MgO FeO MnO

Types de scorie s

FAEacute 30-40 10-20 lt10 lt10

15-35 lt10

FOP 42-52 9-13 05-3

1-8 15-35 3-10

FP 48-52 8-10 15-25 8-10 2-4 lt4

HF 39-42 33-39 9-13 6-9

0-01 01-05

Les scories FOP et FP sont plus riches en calcium qu e celle FAEacute tandis que les scories FP

sont plus riches on oxyde daluminium Le s teneurs en meacutetaux lourd s sont faibles pou r les

trois types de scories eacutetudieacutees

Les poussiegraveres de four des cimenterie s

Les poussiegravere s d e fou r d e cimenterie connue s auss i sou s l e no m d e laquo ceacutemen t kil n dus t raquo

(CKD) son t de s reacutesidu s industriel s reacutecupeacutereacute s pa r le s filtres eacutelectrostatique s lor s d e l a

fabrication d u clinke r (Doy e e t Duchesne 2003) Geacuteneacuteralement 1-1 5 tonne s d e calcair e e t

de 0 5 tonne s d e charbo n son t utiliseacute s pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e clinker L a

consommation deacutenergi e pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e cimen t seacutelegravev e agrave 4000 M J dont

pregraves de 80 est dorigine thermiqu e e t le reste de leacutenergie eacutelectrique E n outre 08-1 tonn e

de CO 2 est eacutemis e dan s latmosphegraver e pa r tonn e d e clinke r produit e (Kuma r et al 2006) L a

production mondial e des CKD seacutelegraveve agrave 30 millions de tonnes Une tregraves faible proportio n (15

) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x dan s le s industrie s agricole s e t d e l a

construction (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003)

Il fau t note r qu e jusque agrave l a fin des anneacutees 9 0 pregraves d e 4 millions d e CK D s e retrouvaient e n

tas ou dans des eacutetangs agrave cocircteacute des usines en Ameacuterique du Nord (Doy e e t Duchesne 2003) De

nos jours presqu e toute s le s CK D son t recycle s dan s l e processu s d e fabricatio n d u cimen t

(Huntzinger 2009)

27

Le tableau 1 5 deacutemontr e qu e le s CK D son t rich e e n oxyde s d e calcium Elle s possegraveden t u n

potentiel ne t d e neutralisatio n tregrave s eacutelev eacute (42 6 k g CaC03t) u n p H d e 126 un e reacuteserv e

importante e n sulfate s (10 3 SO4 ) ains i qu e de s concentration s e n meacutetau x lourd s plu s o u

moins importantes de lordre d e ppm tels que Cr Pb et Zn (Doye e t Duchesne 2003)

Tableau 1 5 La composifion chimiqu e moyenne des CK D

Tireacute de Corish et Coleman (1995)

Composition en mass e

Poussiegraveres d e four (CKD )

AI2O3

3-6

CaO

38-50

FczO

1-4

MgO

0-2

NaO

0-2

SiOj

11-16

Les cendres volante s

Les cendres volante s repreacutesenten t de s reacutesidus tregraves fins issus entre autre s de la combustion d u

charbon pulveacuteris eacute e t pouss eacute dan s l a chambr e d e combustio n du n fou r pa r de s ga z

deacutechappement Le s cendre s volante s son t classifieacutee s selo n leur s teneur s e n Ca O e t d u typ e

du charbon brucircl eacute (voi r tableau 16) e n deux classes F et C (Biemacki et al 2007)

Les cendres volantes de classe F confiennent moin s de 1 0 de CaO et sont utiliseacutees pou r la

fertilisation de s sols Le s cendres volante s d e classe C contiennent plu s d e 1 0 de CaO e t

elles son t plu s communeacutemen t utiliseacutee s pou r l a fabricatio n d u beacuteto n (Montes-Hernande z et

al 2009)

La production de s cendres volantes seacutelevait agrave 4800000 tonnes a travers l e Canada en 2001

dont 450000 tonnes on t eacuteteacute utiliseacutees pour la fabrication d u ciment (Bouzouba a e t Foumier

2003)

28

Tableau 1 6 La composition chimiqu e des cendres volante s

Tireacute de Soong et al (2006 )

Composition masse

Sulfur

0-002

C

0-15

AI2O3

59-187

CaO

18-29

Fe203

5-85

K2O

03-24

MgO

14-64

NazO

06-55

Si02

14-516

En Europe e t selo n le s anneacutees de 2 agrave 3 Mt de cendres volantes su r une production total e d e

43 M t son t utiliseacutee s dan s l a constructio n d e route s soi t u n tau x dutilisatio n globa l dan s c e

secteur dactiviteacute d e 8

On enregistre actuellemen t 7 Mt en Australie 70 8 M t (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003 ) au x

Eacutetats Unis de s centaine s de s meacutegatonne s e n Chin e e t 10 0 M t dan s de s deacutecharge s e n Inde s

(Kumar et al 2005) Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestre r jusquagrave 2 6 kg de CO2

(Montes-Hemandez ea 2009)

Il exist e deu x type s d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s industriel s alcalin s l a

carbonatation direct e e t la carbonatation indirect e des oxydes meacutetalliques

A) L a carbonatation direct e

Ce proceacuted eacute perme t dinjecte r d u CO 2 gazeu x directemen t su r de s reacutesidu s alcalin s agrave leacuteta t

solides L e CO2 reacuteagit ave c le s oxydes meacutetalliques d e CaO e t MgO et formes de s carbonate s

stables selon les eacutequations suivante s (Lackner et al 1995)

CaO + CO2 -^ CaC0 3 + 17 9 kJmole

MgO + CO2 -gt MgC0 3 + 11 8 kJmole

(17)

(18)

Pour c e typ e d e seacutequestratio n le s quantiteacute s d e Ca O e t d e Mg O neacutecessaire s pou r lie r l e CO2

produit par la combustion dun e tonn e de carbone son t respectivement d e 47 et 34 tonnes

29

B) Carbonatatio n de s oxydes meacutetalliques en milieux aqueu x acide s

La seacutequestratio n indirect e d u CO2 soit l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s

alcalins e n milieu x aqueu x basiques es t l a meacutethod e l a plu s eacutetudieacutee Mecircm e s i leacutetud e de s

meacutecanismes qu i reacutegissen t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s n e fai t pa s parti e de s

objectifs d e ce meacutemoire i l importe de deacutecrire briegravevement le s principaux meacutecanisme s afi n d e

mieux comprendr e c e processus Dun e faccedilo n plu s deacutetailleacutee l a carbonatatio n s e deacuteroule e n

cinq eacutetapes 1) La diffusion d u Ca sur la surface de s particules de l a scorie 2) l a dissolutio n

du C a dan s l a solution 3 ) l a dissolufio n d u CO2 4 ) l a conversio n d u CO 2 dissou t e n ion s

bicarbonate e t 5) la preacutecipitation du CaC03 (Huijgen et al 2005)

Le CO 2 reacuteagi t ave c d e lea u e t form e d e lacid e carboniqu e (H2CO3 ) selo n le s eacutequation s

suivantes (lizuka et al 2004 )

CO2 + H2O ^ H2CO 3 (19 )

H2CO3 ^ H ^ + HCO3 (110 )

H C 0 3 ^ H ^ + C03^ (111 )

Le CaO peut eacutegalemen t reacuteagi r avec lea u pou r produire des cations calcium selo n l a reacuteaction

suivante (Huijgen e t Comans 2003)

CaO + H2O ^ Ca^ ^ + 2 OH (111 )

Tous le s produit s de s reacuteaction s 1 9 agrave 11 2 peuven t reacuteagi r ave c l e CO 2 pou r forme r de s

carbonates L a reacuteactio n entr e ce s oxydes l e CO 2 e t lea u a pou r reacutesulta t l a formatio n de s

monocarbonates e t bicarbonates (Bonenfan t et al1006 Soon g et al 2006)

Hujgen et al (2006 ) on t deacutetermin eacute le s meacutecanisme s reacuteacfionnel s d e Ca-carbonatatio n

(modegravele geacuteothermique ) comm e sui t

Ca(0H)2 + CO 2 - ^ CaC0 3 + H2 O (113 ) portlandite calcit e

30

Ca6(Al)2(OH)2(S04)326 H2O + 6H2O -gt 6CaC03 + 2A1^^ +3S04^- + 32H2O (114 ) ettringite calcit e

Ca-silicate (CSH) + CO2 CaC0 3 (calcite) +Si02 (partiel ) (L15 )

Reacuteactions 1 9 agrave 11 1 repreacutesenten t l a dissociatio n d e l a dissolutio n CO 2 dan s leau le s

reacuteactions d e 11 2 et 11 3 repreacutesentent lextracfio n de s ions calciu m de s reacutesidu s alcalins Le s

reacuteactions 11 4 e t 11 5 repreacutesentent l a preacutecipitation d u carbonate d e calcium

Le meacutecanisme reacuteactionne l d u CO2 avec le MgO en milieu aqueux es t semblable agrave celui de

CaO (Femacircndezera 1999)

C02(g) + H20(l) ^ C02(aq ) (L16 )

MgO(s) + H20(l) - Mg(0H)2(s ) (117 )

C02(aq)--C02(i) (118 )

CO2 + Mg(0H)2(s) + (n-1 ) H20(aq) ^ MgC0 3 nH20(s) (119 )

MgC03 nH20(s) + CO2 ^ Mg^ ^ (i)+ 2 HCO^Xi) + (n-1) H2O (120 )

Mg^^i) + 2 HC03- (i) -^ M g q ) + 2 HCO^(aq) (1-21 )

ougrave le C02(i) le Mg^(i) et le HCO(i) son t les produits formeacutes eto u adsorbeacutes agrave linterface

La reacuteaction 12 0 ougrave l e carbonate d e magneacutesium form eacute agrave la surfac e de s particules reacuteagi t ave c

le CO2 pour forme r d u bicarbonate d e magneacutesium repreacutesent e leacutetap e l a plus importante d e ce

meacutecanisme

Toutefois lorsqu e l a concentration d e Mg O e n solutio n excegraved e 05 5 gL l a preacutecipitation d u

carbonate de magneacutesium peu t devenir l a reacuteaction dominante (Evan s et St-Clair 1949)

Les reacuteaction s 1 9 agrave 12 1 deacutemontren t qu e c e processu s s e produi t spontaneacutement san s

neacutecessiter de la chaleur

31

Dun poin t d e vu e thermodynamique l e maximu m d e conversio n d e calciu m conten u dan s

les reacutesidu s alcalin s deacutepen d d e deu x facteurs l a solubilit eacute de s ion s d u calciu m dan s l e

processus dextractio n e t d e l a solubilit eacute de s ion s calciu m dan s l a preacutecipitation L e produi t

net d e l a productio n d e CaC03 deacutepen d d e l a diffeacuterenc e d e solubilit eacute entr e l e processu s

dextraction e t celui de la preacutecipitation (lizuk a et al 2004)

132 Leffe t de s variables sur la carbonatatio n

Plusieurs variable s affecten t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s e t sous -

produits alcalins Nombreux chercheur s ont eacutetudieacute leffe t de s variable s su r l e processus de la

carbonatation (Stolarof f e al 2003 Druckenmille r e t Maroto-Valera 2005 Maroto-Valer a

et al 2005 Stolarof f e r al 2003 Hujge n et al 2003-2006 Bonenfan t 2008) Leffe t de s

variables su r l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s basique s e n solutio n peu t ecirctr e seacutepar eacute

en deux cateacutegories

Variables affectan t l a solubiliteacute du C02dans lea u

Le pH la tempeacuterature e t la saliniteacute de leau ains i que la pression partielle du CO2 ont un effe t

direct su r l a solubiliteacute du CO2 dans leau Plu s le pH est basique plus l a solubiliteacute du CO2 est

eacuteleveacutee L a solubilit eacute d u CO 2 se fai t selo n l a lo i dHenr y pou r de s pression s supeacuterieure s agrave 5

atm (Vas Bhat 2000)

[C02]aq=KHpC02= 0032 pC02 (122 )

KH es t l e coefficien t d e solubilit eacute o u constant e dHem y d u CO 2 qu i es t deacutependant e d e l a

tempeacuterature e t de la saliniteacute et pC02 est la pression partielle du CO2

32

Lapproche d e Setcheno w qu i illustr e linfluenc e de s sel s su r l a solubilit eacute d u CO 2 peu t

sappliquer agrave diffeacuterents sel s mineacuterales comme sui t

X = xO exp(-Acirc) (123 )

ougrave X e t xO sont le s fracfions molaire s d u gaz acide dans lea u pur e e t dans l a solution saline

K es t la constante de Setchenow e t I est la force ioniqu e du sel

Variables affectan t directemen t l a carbonatation de s oxydes meacutetallique s basique s en solution

La granulomeacutetri e de s particules l a concentratio n (rati o solideliquide ) doxyd e meacutetalliqu e

dans l a solution l e temps la tempeacuterature d e reacuteaction l a pression partiell e e t le deacutebit du CO2

ainsi qu e l a vitesse d e brassag e d e l a solutio n son t le s variables qu i influencen t directemen t

la carbonatation de s oxydes meacutetalliques basiques en solution

Il fau t note r qu e l a vitess e d e brassag e nes t pa s influenceacute e e t ninfluenc e pa s le s autre s

variables lors le processus de carbonatation

Granulomeacutetrie de s particule s

La granulomeacutetri e de s particule s joue u n rocircl e tregrave s importan t su r l a carbonatatio n de s oxyde s

meacutetalliques Le s eacutetude s d e Hujge n et al (2006) Bonenfan t et al (2008) Baciocch i et al

(2009) on t deacutemontreacute s qu e le s quantiteacutes de s carbonate s e t des silicate s d e magneacutesium eacutetaien t

plus eacuteleveacute s agrave de s granulomeacutetrie s d e scorie s e t d e wallastonit e lt 38pm L a conversio n d u

CaO d e scorie s dacieacuterie s e n carbonate s pass e d e 2 4 agrave 74 lorsqu e l a granulomeacutetri e de s

particules diminu e d e lt 2 mm agrave lt 38 pm Reacuteduire la granulomeacutetrie pa r deux peu t augmente r

la conversion d e 32 agrave 62 (Hujgen 2005)

Vitesse de brassage

La conversio n d e CO 2 e n carbonate s nes t pa s influenceacute e pa r l a vitess e d e brassag e gt 50 0

rpm (Hujge n et al 2006 ) mais peu t empecircche r l a preacutecipitatio n d u Mg O (Femacircnde z et al

1999) E n revanche baisse r l a vitess e d e brassag e d e 50 0 agrave 10 0 rp m reacutesult e e n un e

diminution marqueacute e de la conversion de CO2 en carbonates (Hujge n et al 2006)

33

Ratio solideliquide (LS )

Plus l a solution es t dilueacutee plus l a conversion d u CO2 en carbonates es t eacuteleveacutee (Hujgen et al

2006 Bonenfan t et al 2008) Autremen t dh plu s l e rafi o L S es t eacutelev eacute plus l e degr eacute d e

carbonatation es t eacuteleveacutee Toutefois leffe t d e c e paramegravetr e su r l a carbonatatio n deacutepen d de s

autres paramegravetre s tel s qu e l a tempeacuteratur e e t l a pressio n d e lexpeacuterimentatio n (Baciocch i et

al 2009)

La tempeacuterature e t la pression du CO

Ces deu x variable s son t tregrave s lieacutee s lun e agrave lautre L a tempeacuteratur e peu t avoi r de s effet s

contradictoires su r l a carbonatation Agrave haute tempeacuterature l a lixiviatio n d u C a d e l a matric e

peut ecirctr e tregraves rapide mais l a solubiliteacute d u CO2 dans l a solution peu t diminue r (Hujge n et al

2005) Agrave un e pressio n d e 2 0 bar s d e CO 2 l a carbonatafio n augment e s i l a tempeacuteratur e n e

deacutepasse pa s le s 15O C e t attein t so n maximu m agrave 200C L a conversio n diminu e abruptemen t

au-dessus d e 200C C e reacutesulta t es t d ucirc au x effet s contradictoire s d e l a tempeacuteratur e

laugmentation d e l a tempeacuterature augment e l a vitesse de reacuteaction e t l e transfert d e masse de s

ions d e calciu m (lixiviation ) mais d e lautr e coteacute ell e provoqu e l a baiss e de s ion s

bicarbonate dan s lea u (Montes-Hemande z et al 2009) L a formatio n de s carbonate s es t

plus eacuteleveacutee aux basses pressions et agrave de hautes tempeacuteratures (Och s et al 1998)

133 Cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2

La cineacutetique dadsorptio n d u CO 2 deacutepend comm e o n vien t d e voir d e plusieur s paramegravetres

La vitesse d e reacuteaction deacutepen d grandemen t d e la tempeacuterature e t de l a pression (Huijge n et al

2006) Alor s qu e l a premiegraver e eacutetap e es t rapid e e t caracteacuteriseacute e pa r la formatio n d e CaCO j e n

quantiteacute relativement importante l a seconde eacutetape est plus lente (Gmpta e t Fan 2002)

En effet l e CaC0 3 form eacute preacutealablemen t dan s l a premiegraver e eacutetape constitu e un e barriegraver e qu i

gecircne la reacuteactio n d u Ca O disponibl e ave c l e CO 2 D e c e fait ladsorptio n d u CO 2 se trouv e

limiteacutee

34

Par conseacutequent l e pheacutenomegravene d e diffusion de s composants chimique s agrave travers l a couche d e

CaC03 form eacute constitu e u n paramegravetr e cl eacute qu i gouvern e l a cineacutetiqu e d e l a second e eacutetape L e

processus de lixiviation influenc e don c le degreacute de carbonatation L e transfert d e masse dans

les pores d u solid e es t difficil e agrave eacutevaluer selo n Ochsenkuhn-Petroloulo u et al (2002) car i l

est impossibl e d e deacutefini r l a form e de s canau x empmnteacute s pa r l a mafiegravere O n peu t toutefois

selon ce s auteurs obteni r un e esfimatio n approximativ e d u transfer t de s particule s dan s l a

solution agrave laide d e leacutequation suivant e

Dnidt=kA(Cs-c)b (124 )

ou

A est Faire de linterface solide-liquid e

b est leacutepaisseur d u film entourant le s particules

c est la concentration (mv ) du soluteacute

t est le temps

Cs est la concentration d e la solution satureacutee en contacte avec les particules

m est l a masse des particules transfeacutereacutees dan s le temps t

k es t le coefficient d e diffusion

Lair d e linterfac e solide-liquid e es t proportionne l au x nombre s de s particule s solide s dan s

la solution e t l e ratio L S es t l a fraction d e lair e speacutecifiqu e de s particule s d u reacutesid u alcali n

qui participent dan s l e processus de lixiviafion (Ochsenkuhn-Petroloulo u et al 2002) Ainsi

la taille de s pore s d e Ca O e t leu r distributio n deviennen t de s facteur s important s quan t agrave l a

conversion d e Ca O e n CaC03 A ce propos des performance s d e conversio n d e 7 0 e t 8 2

ont eacutet eacute reacutealiseacutees pa r Bhati a an d Perlmutte r (1983 ) e t Mess et al (1999 ) respecfivement pou r

des granulomeacutetries de 81-173pm et 15-2 0 pm

35

Pour exprime r d e faccedilo n apparent e l a cineacutetiqu e d e cett e conversio n d e Ca O e n CaC03 u n

modegravele matheacutematique a eacuteteacute proposeacute par Lee (2004)

X = k b t(b+t) e t dXdt - k (1-XXu)^ (125 )

ougrave X e t X u son t l a conversio n e t l a conversio n ultim e d e CaO k es t un e constant e d e l a

vitesse de cineacutetique b est le temp s neacutecessaire atteindre Xu2 e t t est l e temps

Pour deacutecrir e l a vhess e d e conversio n d e Mg O e n MgC03 u n modegravel e matheacutematiqu e a eacutet eacute

proposeacute par Femacircndez et al (1999 )

kt= l-(l-XMgO)^ ^ (126 )

ougrave XMgO repreacutesente l a conversion d e MgO k est une constante de la vitesse d e cineacutetique

t est le temps

Lors de ces reacuteactions l e CO2 sattache chimiquemen t agrave l a surface de s oxydes meacutetalliques d e

MgO CaO Ti0 2 pou r forme r de s unidentate s dan s l e ca s d e Ca O (Aurou x e t Gervasini

1990) e t d e unidentates (u n seu l atom e es t donneur deacutelectrons ) e t bidentate s (deu x atome s

sont des donneurs deacutelectrons) dan s le cas de MgO et de Ti02 (Udovic e t Dumestic 1984)

Laluminium es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quanfiteacute s dan s le s solution s de s boue s rouges

mais i l form e beaucou p moin s d e carbonate s compareacute s au x Ca O e t MgO Coolin g et al

(2002) ont deacutemontr eacute qu e l a soude caustiqu e e t l e TCA-6 ( 3 Ca(0H)2 2 A1(0H)3) adsorben t

respectivement 29 0 e t 469 du CO2 adsorbeacute par le s boues rouges L e Si02 ne forment pa s

de carbonates mecircm e si l adsorb e un e bonne quantit eacute d e CO 2 (Ueno e t Bennet t 1978 Bal et

al 2001) E n revanche le s bicarbonates s e formen t suit e agrave ladsorption d u CO 2 sur les site s

acides fort s de s oxyde s selo n u n meacutecanism e d u typ e Langmuir-Hinshellwood Ce s

meacutecanismes impliquen t lisotherm e d e Langmuir (cas I et III)

36

Cette isotherm e peu t ecirctr e deacutecrite en termes de taux d e reacuteaction agrave la surface d e ladsorban t O

(Erzeng 2006)

0 = nombre de sites dadsorption occupeacute s (L27 ) nombre de sites dadsorpfion disponible s

O = 0 ~ l

Ce meacutecanism e (Langmuir-Hinshellwood ) sappliqu e dan s l e ca s d e ladsorpfio n d e deu x

reacuteactifs su r une surface san s dissociation

A(g) + B(g) ^ A(ads ) + B(ads) -^ Produi t (128 )

La vitesse de cette reacuteaction est donneacutee par

ri = k [A] [B] = k copyAO B (129 )

Lisotherme d e Langmuir sapplique comm e sui t

copyA = BOAPA +BOAPA+BOBPB (130 )

copyB=BOBPB1+BOAP)+BOBP5 (131 )

ougrave B est le coefficient dadsorptio n ( A et B) et PA et PB le s pressions partielles de A et B

La vitesse deacuteriveacutee de lisotherme d e Langmuir cas III sillustr e comm e sui t

r = kBoABoB^sl +BOAPA + BOBPB (132 )

De no s jours aucun e eacutetud e n a eacutelucid eacute complegravetemen t le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t

ladsorption d u CO 2 en milieu x aqueu x de s oxyde s meacutetallique s basique s preacutesent s dan s le s

scories dacieacuterie s (Bonenfant 2008) U n nombr e importan t d e variable s peu t ralenti r o u

acceacuteleacuterer l a vitesse de la reacuteaction de ladsorption d u CO2

37

Plusieurs meacutethode s on t eacutet eacute examineacutee s jusqu agrave preacutesen t pa r le s chercheur s y compri s

laugmentation d e la surfac e de s particule s d e roch e pa r pulveacuterisation lutilisatio n d e

catalyseurs d e reacuteactio n tel s qu e lacid e chlorhydrique lacid e aceacutetiqu e o u hydroxyd e d e

lithium de s solution s tampon s telle s qu e bicarbonat e d e sodiu m e t l e carbonat e d e fe r

(Krevor e t Lackner 2009 ) e t des tempeacuteratures e t de s pressions eacuteleveacutee s o ugrave l e CO2 est en eacuteta t

supercritique (lizuk a et al 2004) Prigiobb e et al (2009 ) on t remarqu eacute qu e le s sel s

inorganiques tels que NaCl NaHCOs et KHCO3 ont ameacutelioreacute l a carbonatafion de s silicates

Ils ont concl u qu e l a variation d u pH peu t influence r l a dissolution d u CO 2 dans l a solufion

En revanche l a variafio n de s tau x d e HCl d e LiO H o u d e l a salinit eacute a produi t u n

changement dan s l a valeu r d u p H c e qu i agrave so n tou r condui t agrave un changemen t d u tau x d e l a

dissolution d u CO 2 mais i l n y avai t pa s d e preuve s du n effe t direc t e t indeacutependan t d e ce s

paramegravetres su r le taux de dissolution d u CO2

La variatio n d e p H n a pa s l a mecircm e influenc e su r toute s le s matrice s alcalines Lolivin e

semble decirctre l e mineacuteral alcali n l e plus influenceacute pa r l a variation d u pH s i on parle en termes

de dissolutio n d u CO2 I l n y a pa s deffe t dinhibitio n su r l a dissolutio n d u CO 2 agrave u n p H

supeacuterieur agrave 5 Ce constat es t important car agrave ces valeurs de pH e t agrave des tempeacuteratures d e 25 agrave

150 C le s preacutecipitations d e carbonates son t les plus eacuteleveacutees (Prigiobbe et al 2009) Lorsque

le pH de ce systegraveme es t presque neutre la dissolution d u CO2 est lente e t donc la dissolutio n

des mineacuteraux dans ces conditions es t moindre (Krevor e t Lackner 2009)

Liu et al (2005 ) ont deacutevelopp eacute un e meacutethode biomeacutetrique dan s laquell e lenzym e anhydras e

carbonique jou e l e rocircl e d e catalyseu r biologique Le s reacutesultat s obtenu s on t deacutemontr eacute qu e

lenzyme a acceacuteleacutereacute l a carbonatation de s oxydes meacutetalliques dans le milieu aqueux

En conclusion plusieur s paramegravetre s influence s l a cineacutefiqu e dadsorptio n d u CO 2 e t l a

formation de s carbonates C e son t donc laugmentatio n d e l a tempeacuterature d u rappor t LS

du temps de reacuteaction e t de l a pression partiell e d u CO2 les principaux facteur s qu i favorisen t

la conversion d u Ca en carbonates

38

134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s

Les boues rouge s des aluminerie s

La production de s boues rouges en 2006 sest chiffreacutee agrave 90 millions de tonnes dans le monde

dont troi s million s d e tonnes au Canada e t on preacutevoit un e augmentatio n d e production d e 6 0

par deacutecennie (Kumar et al 2006)

Le stockag e de s boue s rouge s repreacutesent e no n seulemen t u n problegravem e eacuteconomique agrave caus e

des coucirct s d e preacuteparatio n e t d e maintenanc e de s sites mai s auss i u n problegravem e

environnemental d ucirc agrave leur nature caustique

Les boues rouges son t ufiliseacutees dan s les domaines de (Sglavo et al 2000 Gupta et al 2001

Brunori et al 2005 Li et al 2006 )

constmction de s routes agrave cause de leur soliditeacute et de leur durabiliteacute

production d u ciment agrave cause de leur reacutesistance au gel et leur bas prix

fertilisation de s sols gracircce agrave leur teneur eacuteleveacutee en potassium e t en phosphate

extraction des oxydes de fer de scandium de plomb et de titan

fabrication d e ceacuteramique

neutralisation de s eaux des mines et des sites contamineacutes

Les scories des acieacuterie s

Lutilisation de s scorie s dans l e but de seacutequestrer l e CO2 est important e s i on considegravere qui l

se produi t actuellemen t 1 4 million s d e tonne s a u Canada 2 1 million s d e tonne s au x Eacutetat s

Unis e t 35 0 million s d e tonnes de scorie s dans l e monde (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e

tonne dacie r produit 02 8 agrave 1 tonne CO 2 son t eacutemi s dan s latmosphegravere Le s scorie s son t

utiliseacutees dan s plusieurs domaine s de leacuteconomie Le s principales ufilisation s de s scories son t

dans l e domain e d e l a constructio n (bitume ) e t comm e mateacuteriau x d e rembla i (Kharoune

2006) Des technique s reacutecente s permetten t l a reacutecupeacuteratio n d u phosphor e de s eau x useacutee s

(Soulard 2001)

39

Les scorie s d e typ e F P (Fou r Poche ) son t certifi eacute pou r u n usag e comm e amendemen t

calcique de s sol s (Procto r et al 2000) Dautre s utilisation s connue s de s scorie s son t dan s

les domaine s d e neutralisatio n de s eau x d e drainag e de s mines contr e leacuterosio n de s sols

comme mateacuterie l d e drainag e e t dadsorptio n de s meacutetau x lourds Mecircm e s i plusieur s

utilisations de s scorie s son t reacutepertorieacutees actuellemen t plusieur s dizaine s d e million s d e

tonnes de scories se trouvent accumuleacutee s su r des terrains partout dans l e monde

Les poussiegraveres de four des cimenteries (CKD )

La production mondial e de s CKD seacutelegravev e agrave 30 millions d e tonnes (Konsta-Gdouto s e t Shah

2003) Un e tregrave s faibl e proportio n (1 5 ) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x

dans le s industrie s agricole s e t d e l a construction Un e bonn e parti e (jusqu agrave 6 7 ) es t

reacuteutiliseacutee dan s le s fours d e production d u ciment e t le reste des CKD s e retrouvent e n pile ou

dans de s eacutetangs agrave proximiteacute de s usines On esfime agrave quatre million s d e tonnes d e poussiegravere s

accumuleacutees en Ameacuterique du Nord (Van Hoss et Padovani 2003)

Gracircce agrave leu r teneu r eacuteleveacute e e n calciu m e t potassiu m le s CK D son t tregrave s utiliseacutee s dan s l a

fertilisation de s sol s e t l a stabilisafio n de s eau x useacutee s e t de s boue s de s station s deacutepuration

Les CK D son t eacutegalemen t ufiliseacutee s avec succegrave s comm e remplissan t bitumineu x dan s l e

pavage e t l a toitur e dasphalte E n outre le s CK D e t le s cendre s volante s carbonate s

(utiliseacutees pour la seacutequestration du CO2) sont riches en carbonate d e calcium (CaC03 ) et de ce

fait elle s peuven t ecirctr e reacuteutiliseacutee s comm e mafiegravere s premiegravere s dan s l a fabricatio n d u ciment

Dans c e cas l e processu s d e carbonatatio n peu t ecirctr e consideacuter eacute comm e u n processu s d e

recyclage du ciment (lizuka et al 2004)

Les cendres volantes de s cimenterie s

Aux Eacutetat s Unies 708 millions de tonnes de cendres volante s d e tout genr e ont eacuteteacute produite s

en 2004 Preacutes de 40 de ces reacutesidus son t utiliseacutes comme additi f de ciment (Biemack i et al

2007) dan s de s bloc s d e maccedilonnerie comm e mateacuterie l e n alliage s leacutegers comm e matiegravere s

dagreacutegation fluides dan s l a chausseacuteeconstruction d e piste et comm e granule s de toiture

40

La plu s grand e applicafio n de s cendre s volante s es t dan s l e ciment bie n que d e nouvelle s

ufilisations creacuteatrice s pou r le s cendre s volante s soien t activemen t chercheacutee s (Konsta -

Gdoutos et Shah 2003 Kim 2004)

Pour l a peacuteriod e 200 3 agrave 2005 les centrales alimenteacutee s a u charbo n a u Canad a on t produi t e n

moyenne 45 2 M t de cendres volante s pa r anneacutee (Panagapko 2005) Dans lensemble 2 8

des cendre s volante s ont eacutet eacute reacuteutiliseacutes L e gyps e syntheacutetiqu e entr e dan s l a fabricatio n d e

panneaux d e placoplacirctre e t est utiliseacute agrave titre dadditif agrave ciment (Panagapko 2005) En Inde la

production d e cendre s volante s es t supeacuterieur e agrave 11 0 millions d e tonne s pa r a n e t seulemen t

20-25 de ces reacutesidus sont utiliseacutes agrave la fabrication d u ciment (Kumar et al 2005)

Reacutecemment Soon g et al (2006 ) on t propos eacute lutilisatio n de s cendre s volante s e t de s

solutions d e saumur e afi n d e seacutequestre r l e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuterale E n Europ e e t

selon le s anneacutees de 2 agrave 3 millions d e tonnes d e cendres volantes su r un e productio n total e

de 43 millions son t utiliseacutees en constructions d e routes soi t un taux dutilisatio n globa l dan s

ce secteur dactiviteacute d e 8

CHAPITRE 2

MATEacuteRIEL E T MEacuteTHODE S

Ce chapitr e preacutesent e l a meacutethodologie suivi e e t le s critegravere s d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacute s

lors d u projet boue s rouge s de s alumineries scorie s de s acieacuteries poussiegravere s d e fou r e t le s

cendres volantes des cimenteries

21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacute s

Des critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n on t eacutet eacute appliqueacute s pou r chacu n de s mateacuteriau x

cibleacutes Pa r critegravere s d e preacuteseacutelection o n sous-enten d tout e proprieacutet eacute physiqu e d e reacutesidu s

susceptible agrave preacutesente r de s danger s pou r l a sant eacute humain e telle s qu e de s odeur s

nauseacuteabondes deacutegagemen t d e ga z toxiques etc Le s reacutesidu s industriel s demandan t de s

proceacutedeacutes suppleacutementaire s afi n d e le s rendre non-toxique s o u ufilisable s avan t d e le s ufilise r

au laboratoir e on t eacutet eacute eacutecarteacute s d e l a preacutesent e eacutetude L a teneu r e n oxyde s meacutetallique s (CaO

MgO Si2 0 etc) l a teneu r e n meacutetau x lourd s (lixiviation) l e pH l a conductiviteacute l a

granulomeacutetrie son t le s principau x critegravere s d e seacutelectio n de s reacutesidus Huit reacutesidu s e t sous -

produits alcalin s ont eacuteteacute choisis pour reacutealiser leacutetud e su r l a seacutequestration d u CO2 deux type s

de boue s rouge s (humide s e t segraveches) trois types d e scorie s (FAEacute HF FP ) e t deu x type s d e

reacutesidus des cimenteries (poussiegraveres de four cendre s volantes)

211 Le s boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouges on t eacuteteacute foumies pa r Alcan Inc (Vaudreuil Queacutebec Canada) stockeacutee s dan s

des conteneur s hermeacutetiquemen t fermeacute s agrave 2 2 C L a couleu r roug e (Figur e 21 ) es t du e agrave l a

forte teneu r e n fe r e t so n p H eacutelev eacute es t l a conseacutequenc e d u traitemen t d e l a bauxit e agrave

lhydroxyde d e sodium (NaOH)

42

Boues rouge s humides

Boues rouge s segraveches

Figure 21 Photos des boues rouges humides et segraveches

Les boues rouges ont une granulomeacutetrie tregraves fine comprise entre 01 agrave 1000 pm une surface speacutecifique d e 1 0 agrave 4 0 m g e t un e mass e volum e trique qu i vari e d e 3 0 agrave 3 5 gcm ^ (Bonenfant et al 2006) Les boues rouges humides ont une sicciteacute de 50

Tableau 21 La composition chimique moyenne des boue s rouges Tireacute de Bonenfant (2006)

Composition en masse

Boues rouges

humides Boues rouges segraveches

AI2O3

193

19

CaO

58

77

FczOj

352

335

MgO

07

08

Na20

143

8

S1O2

53

96

43

Les oxydes preacutesenteacute s au tableau 21 font parti e des principales phases ( Hind et al 1999 Coolmg et al 2002 Cabeza et al 2003 ) comm e la portlandite (Ca (0H)2) le carbonate de sodium (Na2C03) le naal (0H)4 Na6[AlSi04]6 la cristalline dheacutematite (Fe203) la goethite (a-FeOOH) la gibbsite (Al (0H)3) la boehmite (y-AlOOH) la sodalite (Na4Al3Si30i2Cl) la anastase (Ti02) la mtile (Ti02) la katoite (Ca3Al2Si04(OH)i2) le gypse (CaS04 2H2O) et le quartz (Si02)

212 Le s scories des acieacuteries

Les scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c eacutelectrique) H F (hau t foumeau ) e t F P (fou r Poche ) on t eacutet eacute

foumies par la compagnie Mittal Canada Inc (Contrecoetu Queacutebec Canada)

Dans les usines inteacutegreacutees toutes situeacutees en Ontario des hauts fourneaux (voi r le scheacutema de production d e lacier Annex e II ) produisen t d u fe r primair e agrave parti r d e matiegravere s bmte s comme du minerai d e fer d u charbon e t de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006) Les scories sont inodore s e t ont une granulomeacutetrie fm e d e 0 agrave 5mm mais elles son t commercialiseacutee s aussi agrave une granulomeacutetrie de 5 agrave 14 mm (voir figure 22)

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP

Sont les pH eacuteleveacutes (12 agrave 13) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxydes meacutetalhques (Huijgen et al 2005) Les raisons principales de lutilisation des scories comme substrat de seacutequestration du

CO2

44

Les scorie s FO P et FP sont plus riches en calcium qu e cell e FAEacute tandis qu e le s scorie s F P

sont plu s riche s o n oxyd e daluminium Le s teneur s e n meacutetau x lourd s son t faible s pou r le s

trois types d e scorie s eacutetudieacutees Les scories d e type FO P et FA Eacute son t diffeacuterente s de s scorie s

HF (Figur e 22) Elle s son t plu s leacutegegravere s e t plu s riches e n fe r (Bonenfan t et al 2006) Le s

scories H F ayan t un e mass e volumiqu e d e 200 0 kgm ^ sont le s plu s leacutegegraveres tandi s qu e le s

scories FOP et FAEacute ont une masse volumique de 3000 kgm

Plusieurs phase s mineacuteralogique s composen t le s scorie s don t le s principale s son t l a

portlandite (Ca(0H)2 ) qu i es t geacuteneacuteralement l a phase dominante l a calcite l a magneacutesite le s

silicates e t diver s oxyde s tel s qu e de s oxyde s d e calcium d e magneacutesium d e fer d e

manganegravese e t de silicium (voi r tableau 14)Selo n Huijgen et al (2005) les conditions dan s

lesquelles le s scorie s son t geacuteneacutereacutee s deacuteterminen t le s proportion s d e ce s phase s dan s le s

scories (Huijgen et al 2005)

213 Le s poussiegraveres de four des cimenteries

Les poussiegravere s d e fou r on t eacutet eacute fourni e pa r le s cimenterie s St-Lauren t Inc (Longueuil

Queacutebec Canada) et Ciment Queacutebec Inc (St-Basil Queacutebec Canada)

Les poussiegraveres de four de cimenterie (voir figure 23) connues aussi sous le nom de laquocernen t

kiln dustraquo (CKD) sont des reacutesidus industriel s reacutecupeacutereacutes pa r les filtres eacutelectrostatiques (Doy e

et Duchesne 2003 ) lor s d e l a fabricatio n d u clinke r (voi r l e scheacutem a d e l a fabricatio n d u

ciment Annexe III) Les CKD ont une granulomeacutetri e tregrave s fine variant de 01 agrave 10 0 pm une

surface speacutecifiqu e d e 46 agrave 14 0 m g Les CKD ont une masse volumique de 480 kgm mai s

compacteacutees leur masse volumique peut atteindre 135 0 agrave 150 0 kgm^ (The Feacutedeacutera l Highway

Administration 2006) L a compositio n chimiqu e moyenn e de s CK D es t repreacutesenteacute e a u

tableau 15

45

Figure 23 Photo des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD)

Tireacute de Doye et Duchesne (2003)

Les CKD hbegraveren t tregrave s rapidemen t d e fortes concentration s e n potassium e n sulfat e e t en alcaliniteacute (Doye et Duchesne 2003) La quantiteacute doxyde de CKD deacutepend du type de four la source des matiegraveres du type de carburant utiliseacute et la maniegravere dont les CKD ont eacuteteacute reacutecupeacutereacute par le systegraveme

Lanalyse mineacuteralogiqu e de s CKD montre quelles sont composeacutees de calcite (CaC03) de dolomie (CaMg(C03)2 d u quart z (Si02) l e portlandit e (Ca(0H)2 de s sel s darkanit e (K2SO4) d e gyps e (CaS04) d e sylvit e (KCl) dhalit e (NaCl ) e t dettrengit e (Ca6(Al)2(OH)i 2(804)326 H2O + 6 H2O)

214 Le s cendres volantes

Les cendres volante s (voi r figure 24) on t eacutet eacute fournie s pa r le s cimenteries St-Lauren t Inc (Longueuil Queacutebec Canada)

46

Figure 24 Phot o des cendres volantes

Les particule s d e cendre s volante s son t l a plupar t d u temp s spheacuterique s avec un e surfac e

speacutecifique d e 25 0 agrave 60 0 m kg Les cendre s volante s d e class e C on t u n p H d e 1 2 e t un e

masse volumiqu e d e 234 0 kgm ^ (Biemack i et al 2007) L a compositio n chimiqu e de s

cendres volantes es t deacutecrite au tableau 16

Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestrer jusquagrave 2 6 kg de CO2 (Montes-Hemandez

2009)

En geacuteneacuteral le s phase s mineacuterale s preacutesentes (Biemack i et al 2007 ) dan s cendre s volante s

sont l e quartz (Si02) l a mullite (3AI2O 3 JE 2Si02) l a plagioclase (Na Ca (Si Al) 40raquo) l a

gehlenite (Ca2A l [AlSiO]) lanhydrit e (CaS04) lheacutematit e (Fe203) Fhalit e (NaCl) l a

sylvinite (KCl) et la calcite (CaC03)

47

22 Meacutethode s expeacuterimentale s

221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacute s

La compositio n chimiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s (scorie s e t boue s rouges ) a eacutet eacute eacutevalueacute e pa r

fluorescence agrave rayon X agrave laid e du n spectromegravetr e Philip s PW2400 Ell e a permis lanalys e

quantitative de s principaux composant s tels que 1 e CaO le FeO et le MgO Ces mesures ont

eacuteteacute reacutealiseacutee s e n triplicat a su r de s eacutechantillon s d e diffeacuterent s lot s de s mateacuteriau x cibleacute s e t

utiliseacutees pour lensemble de s expeacuterimentations

222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductivit eacute

Le p H e t l a conductivit eacute de s meacutelange s lixivieacute s on t eacutet eacute mesureacute s selo n le s meacutethode s

respectives normaliseacutee s 4500-H^- B e t 2510- B (APHA 1989 ) ave c l e pH-megravetr e numeacuteriqu e

PHM 250 ION Analyser ains i que le conductimegravetre numeacuteriqu e CD M Conductivit y Mete r de

la compagni e MaterLab^^ Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute on t eacutet eacute mesureacutee s pou r

chacun des mateacuteriaux cibleacutes avant et apregraves la carbonatation ains i que sur tous les eacutechantillon s

preacutelixivieacutes e t non preacutelixivieacutes filtreacutes e t non-filtreacutes L a filtration a eacuteteacute reacutealiseacute agrave laide d e filtres

Filtropur steacuterile s en aceacutetates de cellulose ayant un diamegravetre de 045 pm

223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin

Lalcaliniteacute de s mateacuteriau x a eacutet eacute mesureacute e agrave laid e d u fitreur automatiqu e TIM86 5 Titrafio n

manager e t d u logicie l Titramaste r 85V130 L e titrag e a eacutet eacute effectu eacute ave c d e lacid e

chlorhydrique (HCl ) 1 N Afi n deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestrafio n de s hui t mateacuteriau x

testeacutes le s reacuteserve s alcaline s de s matrice s on t eacutet eacute mesureacutee s dan s de s eacutechantillon s ayan t de s

granulomeacutetries industrielles Le s eacutechantillons contenaien t 1 0 g de mateacuteriaux cibleacute s e t 20 mL

deau deacuteioniseacute e e t ont eacuteteacute agiteacutes agrave 20degC et 200 rpm et titreacutes par titrage automatique ave c HCl

IN L e bu t d e lactivit eacute eacutetai t deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestratio n de s mateacuteriau x cibleacute s e n

partant de leurs pH naturel jusqu agrave pH 8 3 soi t le pH limite de formafion de s carbonates

48

224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en cuveacutee

Des essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute reacutealiseacute s ave c le s hui t reacutesidu s alcalin s cibleacutes Le s capaciteacute s

dabsorption de s mateacuteriau x choisi s on t eacutet eacute deacutetermineacutee s pa r l e barbotag e d u CO 2 (15 e n

volume CO2N2 ) e n fonctio n d e temp s donneacute s d e reacuteactio n 24 e t 4 8 heures L e choi x d u

meacutelange 1 5 e n volume CO2N 2 a eacutet eacute fai t e n tenan t compt e de s eacutemission s reacuteel s e n CO 2

quune chemin eacute dusine rejett e dan s latmosphegravere ( 8 agrave 1 5 ) Cette opeacuteration a eacuteteacute effectueacute e

dans des Erleinmeyer d e 250 mL qui contenaient 2 0 g de reacutesidu e t 200 mL deau deacuteioniseacute e agrave

20 C avec u n deacutebi t d e 5 mlmin duran t 2 4 e t 4 8 heures sou s un e agitatio n d e 20 0 rpm L e

tableau ci-dessous illustr e le s paramegravetres dexpeacuterimentation

Tableau 22 Paramegravetre s dexpeacuterimentatio n

Paramegravetres Temps

Tempeacuterature Pression

Granulomeacutetrie Volume deau distilleacute e Rapport liquidesolid e

(LS) Vitesse de rotation

Mesures 2448

Constante Atmospheacuterique

Industrielle 200 10

200

Uniteacutes Heures 20degC atm pm mL

kgkg

rpm

Le pH e t l a conductivit eacute ont eacutet eacute mesureacute s selo n le s technique s deacutecrite s preacuteceacutedemment Le s

quantiteacutes d e carbon e absorbeacutee s ont eacutet eacute mesureacutee s agrave laid e danalyseu r DC-85 A TO C d e l a

compagnie Dohrman n Divisio n C o muni dun fou r agrave combustion (800degC) dun flux conten u

doxygegravene e t du n tub e agrave catalyse contenan t d e loxyd e d e cobal t su r alumine Lanalyseu r

est eacutetalonn eacute ave c un e solutio n d e biphtalat e d e potassiu m agrave un e concentratio n e n carbon e

organique d e 200 0 mg-CL Le s concentration s e n carbon e organiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s

lixivieacutees non-lixivieacutees filtreacutees e t non-filtreacutees on t eacutet eacute mesureacutees apregrave s linjectio n d e 20-40 p L

dans le four d u TOC-megravetre

Avant linjectio n dan s l e fou r d u TOC-megravetr e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute agiteacute s ave c u n

baveau magneacutetiqu e agrave environ 50 0 trmin

49

Les concentration s e n carbon e organiqu e d e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute eacutevalueacutee s pa r l a

soustraction de s quantiteacute s d e carbon e mesureacutee s avan t e t apregrave s l a carbonatatio n d e ce s

eacutechantillons

La seacutequestratio n d u CO 2 a eacuteteacute fait e e n bouteille s d e Pyre x d e 25 0 mL Ce s dernier s eacutetaien t

ouverts agrave latmosphegravere L e CO 2 a eacuteteacute inject eacute agrave partir du n meacutelang e d e ga z de reacuteservoir e t l e

deacutebit d e ga z a eacutet eacute controcircl eacute agrave laid e du n deacutebitmegravetr e agrave flotteur e n acie r inoxydabl e d e Cole -

Pamier Instmment Co La reacutepartition uniform e d u gaz dans la boue rouge en milieu aqueux a

eacuteteacute reacutealiseacute e agrave laid e du n diffuseu r poreu x situ eacute agrave linteacuterieu r d e chaqu e fiole coniqu e (voi r

figure 2 5 et photo Annexe VIII) Les eacutechantillons ont eacuteteacute jeteacutes apregraves chaque analyse

Deux types dessais on t eacuteteacute conduits

bull essai s de barbotage preacutelixivieacute s pour lesquels le s eacutechantillons ont eacuteteacute lixivieacutes pendant 24 h

et 48h puis barbotes avec le meacutelange enrich i en CO2 pour une mecircme dureacutee

bull essai s de barbotage non preacutelixivieacutes pour lesquels leacutetape d e lixiviation a eacuteteacute supprimeacutee

Il fau t note r qu e pou r le s deu x temp s dadsorptio n d u CO 2 le s eacutechanfillon s utiliseacute s pou r l a

seacuterie de 24 heures sont diffeacuterents d e ceux utiliseacutes pour la seacuterie de 48 heures

50

Vent to atmosphegravere

Suspension of red mud or leachate

Diffuser mdash

Ecirc3

izzi nz o o o o Shaker

^ H = ^

Flowmeter

Gas mixture reacuteservoir

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee Adopteacute de Bonenfant et al (2008 )

Capaciteacute dadsorption du CO2

La capaciteacute dadsorption (Kco2 ) du C02^ par les reacutesidus alcalins a eacuteteacute deacutetermineacutee en fonction

du rapport liquide solide (LS) agrave la fois pour des essais preacutelixivieacutes et non preacutelixivieacutes

Celle-ci est donneacutee par la formule suivante

^ TOGeacuteiunJ(ppmQ - TOQireacuteppmQ) M(CCh)I MQ KC02 (g COicirclOOg de reacutesidu) = a bull

1000 (21)

ougrave M(C02) et M(C) sont respectivement les masses molaires (gmol) de CO2 et de C

Et a es t un facteur de conversion qui se calcule comme suit

a 100

ms(g) ms( 2)

( ^ ^ +200mL)000mLL) ps(glmL)

ms masse de reacutesidus utiliseacute dans lessai en g

ps masse volumique du reacutesidu alcalin en gcm^

51

225 Meacutethode s e t appareillages analytique s

Le tableau 2 3 reacutesum e le s meacutethodes e t les appareillages utiliseacute s pour le s diffeacuterentes analyse s

qui ont eacuteteacute reacutealiseacutees au cours de la preacutesente eacutetude

Tableau 23 Meacutethodes et appareillages analytique s appliqueacutee s

Type danalyse

pH

Conductiviteacute

Alcaliniteacute

Ca Na K Mg Fe

Carbone organiqu e

Meacutethodes danalys e

4500-H+-B PHM APHA 198 9

2510-B APHA 198 9

2320B APHA 198 9

3500 APHA 198 9

APHA 198 9

Appareillage

pH-megravetre 250 Ion Analyser

(MeterLabiM) Conductimegravetres numeacuteriqu e CDM Conductivity Mete r

(MeterLabiumlM) TIM865 Titration manage r + logiciel Titramaste r 8 5

V130 ICP-AES-IRIS ADVANTAGE

THERMOELECTRIQUE 2000

Analyseur DC-85 A TO C Dohrmann Divisio n Co

Apollo 9000 TOC Combustion Analyze r de

la compagnie Dohrmann Divisio n Co

CHAPITRE 3

RESULTATS ET DISCUSSION S

Les reacutesultat s obtenu s suite s au x essai s reacutealiseacute s seron t preacutesenteacute s e t discuteacute s dan s c e chapitre

Afin d e seacutelectionne r le s troi s reacutesidu s alcalin s ayan t le s meilleur s potentiel s d e seacutequestratio n

du CO2 des essais de seacutequestration d u CO2 de 24 et 48 heures ont eacutet eacute reacutealiseacutes Pour ce faire

les reacutesultats de leacutevolution d u pH de la conductiviteacute du potentie l d e seacutequestration d u CO2 et

du pouvoi r alcali n seron t preacutesenteacutes Enfin le s reacutesultat s de s essai s d e l a cineacutetiqu e d e

ladsorpfion d u CO 2 reacutealiseacute s ave c l e mateacuteria u ayan t deacutemontr eacute l e meilleu r potentie l d e

seacutequestration seron t discuteacutes

31 Evolutio n du pH et de la conductivit eacute

311 Essai s d e 4 8 heures

La figur e 3 1 illustr e l a variation d u pH des huit reacutesidu s apregrave s 48 heures d e seacutequestratio n d e

CO2 L e graphiqu e deacutemontr e clairemen t qu e tou s le s reacutesidu s on t sub i de s baisse s

remarquables d e p H apregrave s 4 8 heure s dadsorptio n d e CO2 Le s p H initiau x (voi r tablea u

31) de s troi s scorie s varien t d e 11 2 agrave 11 9 e t il s on t baisseacute s d e preacute s d e 6 uniteacute s pou r

atteindre l a valeu r d e 7 2 pou r le s scorie s S3 La figur e 3 1 deacutemontr e qui l y a tregraves pe u d e

variation d e p H entr e le s deu x valeur s extrecircme s d u p H conceman t le s deu x type s d e boue s

testeacutees En effet l a variation du pH concemant le s boues rouges humides preacutelixivieacutee s e t non

preacutelixivieacutes ne deacutepasse pas les deux uniteacutes Dans le cas des boues rouges segraveches (preacutelixivieacutes e t

non preacutelixivieacutes) la diffeacuterenc e es t moindr e soi t 1 5 uniteacutes E n revanche l a diminufio n de s

valeurs d u p H pa r rappor t agrave l a valeu r d u p H initia l es t remarquabl e du 12 6 agrave 72 Le s

poussiegraveres d e fours C l e t C2 ont obtenu le s plus fortes baisse s de pH dan s leur s formes non -

filtreacutees Toutefois seulemen t l e C 2 preacutelixivieacutee s e t non-filtr eacute a subi e un e baiss e d e p H

infeacuterieur agrave 70 soi t pregraves de 68 uniteacutes

53

Il fau t souligne r qu e le s diffeacuterence s d e p H entr e le s quatr e eacutechantillon s d e C l son t minime s

soit 0 1 unit eacute contrairemen t agrave celle s d e C 2 qu i son t di x foi s plu s grande s soi t un e uniteacute E n

revanche tous le s eacutechantillons de s cendres volantes F subis des baisse s remarquable s d e pH

variant de 66 agrave 68 uniteacutes

Ces reacutesultat s prouven t qu e l a lixiviation e n geacuteneacuteral jou e u n rocircl e minim e su r l e p H pe u

importe l e reacutesid u utiliseacute Toutefois le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s

meacutetallique tell s qu e Ca Mg Al Fe ^ selon Bonenfan t (2008) Ce son t ce s ions e t leur s

oxydes respectifs qu i assurent le pH et les conductiviteacutes eacuteleveacute s des reacutesidus cibleacutes

Tableau 31 Le s valeurs des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouge s humides (Bl )

Boues rouges segraveche s (B2)

Scories SAE (SI ) Scories FP (S2) Scories HF (S3)

CKD St-Lauren t C l CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

pH

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

115

115

115 116 118 126

-

-

48 heures

126

121

116 118 116 127 125

95

Non-filtreacute 24

heures 117

116

119 116 119 130

-

-

48 heures

126

121

119 119 117 127 127

92

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

121

120

112 114 115 128 125

88

Non-filtreacute -

124

122

115 124 117 128 126

89

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute (figur e 32) s i on compare ce s reacutesultats avec ceux d u

pH on peut constate r qui l exist e un lie u direct entr e leacutevolutio n d u pH e t leacutevolutio n d e la

conductiviteacute plu s le s valeur s d e p H augmentent plu s le s valeur s d e l a conductivit eacute

augmentent aussi Cett e relatio n peu t sexplique r pa r un e teneur plu s eacutelev eacute de s meacutetau x dan s

la solution surtou t dans les solutions de CKD

54

B1 B 2 S I 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

C2

Figure 31 Eacutevolution du pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutees ( bull ) non filtreacutes (o ) lors des essais de 48 heures

Il est coimu quen geacuteneacuteral les ions meacutetalliques en solution tels que Ca Mg Na^ forment

des eacutelectrolyte s beaucou p plu s puissant s qu e ceu x de s non-meacutetau x dougrave le s valeur s plu s

eacuteleveacutees de conductiviteacute des CKD (Cl) Toutefois s i on compare les valeurs de conductiviteacutes

initiales reacutesumeacutees au tableau 32 des scories FAEacute HF et les cendres volantes F on remarque

que contrairemen t au x autre s reacutesidus leur s valeur s d e conductivit eacute apregrave s 4 8 heure s d e

carbonatation ont augmenteacutes Ces reacutesultats corroborent ceux obtenus par Bonenfan t (2008)

Bonenfant expliqu e cet eacutecart par la preacutesence des oxydes amphotegraveres dans la solution tels que

lAl203 qu i diminuen t substanfiellemen t leur s influence s su r l e p H de s mateacuteriau x cibleacute s

comparafivement agrave ceux des oxydes fortement basique s tels que les oxydes de calcium et de

sodium

55

Tableau 3 2 Les valeurs des conductiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories SA E

(SI) Scories FP (S2) Scories HF (S3 ) CKD St-Lauren t

Cl CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

Conductiviteacute e n mS

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

58

43

05

69 11

243

-

-

48 heures

72

44

03

77 18

187

69

18

Non-filtreacute 24

heures 63

47

06

66 15

262

-

-

48 heure s

78

49

07

71 19

251

85

16

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

59

44

06

59 10

208

92

14

Non-filtreacute -

62

45

07

61 14

172

100

14

En revanche l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s daluminiu m dan s le s lixiviat s de s boue s

rouges e t des scorie s FA Eacute es t susceptibl e decirctre en partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees d e

conductiviteacute d e ce s troi s solution s selo n Bonenfan t (2008) I l es t inteacuteressan t d e constate r

encore un e foi s qu e l a preacutelixiviation comm e dan s l e cas d u pH a tregraves pe u dincidenc e su r

leacutevolution d e l a conductiviteacute E n fait i l nexist e aucun e diffeacuterenc e significafiv e d e

conductiviteacute entre le s reacutesidus preacutelixivieacutes et non-preacutelixivieacutes comme le deacutemontre l a figure 32

56

21

co18

bull^12

bullB 9 o ^ 6 O O 3

B1 8 2 81 82 8 3 C 1 C 2

Types de reacutesidus

Figure 32 Eacutevolution de la conductiviteacute des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) no n filtreacutes (bull) etnon-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull) no n filtreacutes (0) lors des essais de 48 heures

312 Essai s de 24 heures

Tel quexpliqu eacute preacuteceacutedemment le s essai s d e seacutequestratio n d u CO 2 d e 2 4 heure s on t eacutet eacute

reacutealiseacutes dans le but de deacutecouvrir sil existai t une diffeacuterence significativ e entr e les deux temps

de seacutequestratio n d u d e CO 2 eacutetudieacutes 24 e t 4 8 heures Pou r c e faire le s reacutesidu s qu i on t

obtenus le s meilleurs reacutesultat s de seacutequestration du CO2 lors des essais de 48 heures ont eacuteteacute

soumis agrave des tests de seacutequestration de 24 heures Ces reacutesidus sont le s boues rouges (humides

et segraveches) les scories (FAEacute FP HF) et les CKD St Laurent

La figure 33 illustre les reacutesultats de leacutevolution du pH apregraves 24 heures de barbotage de CO2

On remarque que les valeurs de pH des Bl B2 SI S3 et Cl son t tregraves semblables Ils varient

de 69 (Cl preacutelixivi eacute filtreacute) agrave 82 imiteacutes (SI non - preacutelixivi eacute filtreacute)

57

12 n

m lU

0

4

2

0

i I -i IM i i [ML 1

i I I Lli 1

m 1 i I m 1

i i i ji I

n 1 i Lli -] B1 8 2 8 1 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

Figure 3 3 Eacutevolutio n d u pH de s si x reacutesidu s preacutelixivieacute s filtreacutes (D) no n filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes (bull) no n filtreacutes (s ) lors des essais de 24 heures

Les scories S2 se deacutemarquent par leurs valeurs de pH eacuteleveacutees soient de 93 (preacutelixivieacute filtreacute)

agrave 100 4 (non-preacutelixivieacute non-filtreacute) Ce s reacutesultat s deacutemontren t qu e le s scorie s S 2 relacircchen t

plus difficilemen t le s ion s meacutetalliques qu e l e reste de s reacutesidus alcalins Rappelon s qu e le s

CKD (Cl ) on t obten u le s plu s forte s baisse s d e p H pa r rappor t au x valeur s avan t l a

carbonisation soi t plu s d e 6 uniteacutes Toutefois le s diffeacuterence s d e p H entr e le s eacutechantillon s

preacutelixivieacute e t non-preacutelixivi eacute son t moin s significative s soien t d e 0 1 agrave 1 uniteacute Ce s reacutesultat s

deacutemontrent encore une fois qu e la preacutelixiviation a peu dincidence sur leacutevolution du pH

Quant agrave leacutevolution d e la conductiviteacute l a figure 3 4 permet d e constater qu e le s valeurs de

conductiviteacute obtenues sont tregraves semblables avec celles obtenues lors les essais de 48 heures

car les meacutecanismes qui reacutegissen t la libeacuterafion des ions meacutetalliques sont identiques

58

30

lto25 E S 20

gt 15 o = 10

B1 62 81 8 2

Types de reacutesidus

83 CI

Figure 34 Eacutevolution de la conductiviteacute des six reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull ) non filtreacutes (3) lors des essais de 24 heures

32 Deacuteterminatio n du pouvoir alcalin

Les reacutesultats de s essai s d e titrage reacutealiseacute s avec le s hui t reacutesidu s (voi r le s reacutesultat s complet s

Armexe VI ) son t illustreacute s respectivemen t pa r le s figure s 3 5 agrave 37 Le s reacuteserve s alcaline s

calculeacutees agrave parti r d e ce s figure s son t reacutesumeacute s dan s l e tablea u 33 Ce s reacutesultat s indiquen t

clairement qu e le s quantiteacutes dacide chlorhydriqu e (acide fort ) neacutecessaire s pour atteindre le

pH 8 3 (p H d e saturatio n e n CaC0 3 dun e solutio n agrave leacutequilibr e e t agrave l a pressio n

atmospheacuterique) son t d e 8 agrave 1 1 foi s plu s eacuteleveacutee s dan s l e ca s de s scorie s dacieacuterie s

comparativement au x boues rouges de 2 agrave 27 fois plus eacuteleveacutees que les CKD et jusqu agrave 38

fois plus eacuteleveacutees que les cendres volantes Les cendres volantes ont un pouvoir alcali n tregraves

faible seulement 2 mL de HCl on suffit pou r baisser le pH initial en-dessous de 5 uniteacutes Les

CKD preacutesentent des pouvoirs tampons les plus eacuteleveacutes parmi les reacutesidus alcalins suivis par les

scories HF et FP

59

Tableau 33 Reacuteserves alcalines des huit reacutesidus

Type de reacutesidu

Boues rouges humides ( B 1 ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FAE (SI ) Scories FP (S2 ) Scories HF (S3 ) CKD (Cl ) CKD (C2 ) Cendres volantes (F )

pH

83

Reacuteserve alcaline (mole de HCIkg de reacutesidu)

038 04 31 39 43 14 16

012

En revanche le s boue s rouge s on t u n pouvoi r tampo n beaucou p plu s faibl e compar eacute au x

autres reacutesidus mentionneacutes ci-dessus mais plus eacuteleveacute que les cendres volantes Les particules

solides contribuent pou r 7 6 du pouvoir neutralisant de s boues rouges e t l a phase liquide

pour 24 constate Bonenfant et al (2008)

14 1

12

10 -

8 -

6 -

4 -

2 -

n -u 1

(

icirc-~~-icircraquo^^

1

) 1 0

bull ^

1 1 1

20 3 0 4 0

HCIlNenml

V

I

50

1

60

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FA E (bull) FP (bull) e t HF (0) en fonction du volume dacide ajouteacute

60

Figure 36 Courbes d e titrage des CKD Cl (bull ) e t C2 (bull) e n fonctio n du volume dacide ajouteacute

16-

14 A

pH

00 O

to

1 1 1

r-1

6 -

4 -

2 -n -

4P

^ ^HU

u T 1

0 1 0

Vp-

^9laquo^--f^-^^

20 3 0 4 0

H C I l N e n m l 50

Figure 37 Courbes de titrage des boues rouges segraveches (D ) et humides (bull) en fonction d u volume dacide ajouteacute

61

Ces reacutesultats indiquen t qu e les scories dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute de neutralisation plu s

eacuteleveacutee qu e tou s le s autre s reacutesidus D e plus le s scorie s H F son t le s plu s reacuteactive s ave c un e

reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en solution aqueus e

Cette eacutetap e d e la preacutesent e eacutetud e a consist eacute agrave mesure r le s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 en

solution pa r le s hui t reacutesidu s alcalins Lobjecfi f principa l d e cett e eacutetap e eacutetai t deacutevalue r l a

variation d u potentie l d e seacutequestratio n pa r le s matrice s de s reacutesidu s e t d e leur s lixiviat s

pendant 2 4 e t 4 8 heure s afi n d e seacutelectionne r le s reacutesidu s ayan t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration Cett e eacutetap e visai t eacutegalemen t agrave deacutetermine r si l exist e un e diffeacuterenc e

significative de s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s entr e le s deu x temp s d e

seacutequestration Enfin leacutetud e d e l a cineacutetiqu e d e seacutequestratio n pa r l e reacutesid u alcali n ayan t

obtenu l e meilleur rendemen t dadsorptio n d u CO2 lors les deux seacuterie s dessais a pour bu t de

mieux comprendre c e processus

331 Essai s de 4 8 heures

Les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit reacutesidus sont repreacutesenteacutes agrave la figure 38 Le CO2

injecteacute agrave deacutebi t constan t s e transform e e n phas e aqueuse c e qu i impliqu e un e baiss e d e p H

mais auss i un e adsorptio n d e CO2 Il s deacutemontren t qu e le s scorie s H F e t F P obtiennen t le s

meilleures reacutesultat s (voi r le s reacutesultats complet s Annex e IV ) dadsorpfion d u CO2 suivies pa r

les CKD d e type C l e t C2 Les de boues rouges humides (Bl ) e t segraveche s (B2 ) preacutesentent de s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 beaucoup moin s importante s mais plu s importante s qu e

les cendres volantes (F) La figure 38A indiqu e les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit

reacutesidus non-preacutelixivieacutes O n remarqu e qu e le s eacutechantillon s non-filtreacutee s (matrice s + lixiviats )

des scorie s S 2 e t S 3 obfiennen t le s meilleurs reacutesultat s dadsorpfio n d u CO 2 soien t 008 3 e t

0084 g de C02g de reacutesidu suivies par les Cl qu i preacutesente des capaciteacutes dadsorption d e 008

g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

62

Bl B2 S I 8 2 S 3 C I 0 2

Types de reacutesidus

15 07|

F

81 82 S I S 2 S 3 C I C 2

Types de reacutesidus

1214

Ll F

Figure 38 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 8 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes (D ) e t non- filtreacutes (bull ) lor s des essais de 4 8 heures

63

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s segraveche s e t humide s non-filtreacutee s offren t de s rendement s

infeacuterieurs agrave 60 compareacutes agrave ceux de s scories S 2 et S3 Les cendres volante s offre s le s plus

faibles reacutesultat s dadsorption soi t 0015 g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

Si o n compar e le s graphique s A e t B o n remarqu e qu e l a lixiviatio n a e u de s impact s

diffeacuterents su r le s hui t reacutesidu s testeacutes Le s boue s rouge s humide s e t segraveche s e t le s cendre s

volantes ont eacutet eacute plus sensibles agrave la lixiviation e n deacutemontrant de s reacutesultat s presqu e identique s

dadsorpfion d u CO2 L a figur e 48 B illustr e u n autr e fai t inteacuteressant Le s meacutelange s

(matrices+ lixiviats ) de s scorie s S 2 e t de s poussiegraveres d e fou r de s cimenterie s C 2 offren t de s

meilleurs tau x dadsorptio n d u CO 2 que le s lixiviat s seuls C e reacutesulta t peu t sexplique r pa r

tme preacutesence plus eacuteleveacutee des ions meacutetalliques dans les matrices que dans la solution

Les scorie s F P ont u n pouvoi r d e seacutequestratio n d u CO 2 qui peu t atteindr e 010 7 g de C02 g

de scorie s soi t l e tripl e d u pouvoi r de s boue s rouges C e hau t nivea u dadsorpfio n peu t

sexpliquer pa r l a teneur eacuteleveacute e en CaO jusquagrave 31 7 de Si0 2 (91) e t MgO (6 ) selo n

Huijgen et al (2005) Ce s oxyde s on t l a proprieacutet eacute d e reacuteagi r facilemen t ave c l e CO 2 e t d e

former de s carbonates stables

332 Essai s de 2 4 heure s

La figure 3 9 illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 apregraves 2 4 heure s d e carbonatatio n pa r

les si x reacutesidu s seacutelectionneacute s (voi r le s reacutesultat s complet s Armex e V) Lallur e geacuteneacuteral e de s

graphiques de la figure 39 sapparent e agrave celle de la figure 38 Comme dans l e cas des essai s

de 4 8 heures le s scorie s S2 S 3 e t le s CK D typ e C l no n - preacutelixivieacute s offren t le s meilleur s

reacutesultats dadsorptio n d u CO2 Les boues rouge s segraveche s (non-filtreacutes ) preacutesente s de s capaciteacute s

dadsorption d u CO2 20 supeacuterieures agrave celles humides e t 45 infeacuterieure s au x scorie s S3

La figure 39 A illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 par le s si x eacutechantillon s preacutelixivieacute s

pendant 2 4 heures

64

CM O O agt

O)

O)

O)

o 0)

laquo - s = ltr t

O) I -V)

laquoM O O 0)

bullo o

7 4gt

bull O

O) o o mdash lt1) -gt (A 0) 3

(A

(A 3

bull O

res

h

5 ^

4

3 18

A

29

6

5

4

3

2

1

0

B

35

65

36

81 8 2 S 1 S 2 S 3

Types de reacutesidus

Bl B 2 8 1 8 2 8 3

Types de reacutesidu s

CI

CI

Figure 3 9 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 6 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacute s (B ) filtreacutes (D ) e t non - filtreacutes (bull ) lor s de s essai s d e 24 heures

65

La preacutelixiviatio n sembl e davoi r u n impact e positi f su r ladsorptio n d u CO 2 pa r le s troi s

types de scories et les boues rouges humides non-filtreacutes

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s humide s ont augment eacute respectivemen t leu r pouvoi r

dadsorpfion d e CO 2 d e 5 2 e t d e 27 pa r rappor t au x eacutechantillon s non-preacutelixivieacutes Le s

faibles reacutesultat s dadsorption d u CO2 par les eacutechantillons preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes

deacutemontrent qu e le s carbonates s e trouvent majoritairemen t dan s le s matrices e t non dan s le s

lixiviats

La comparaison de s reacutesultats obtenus de la seacutequestration d u C02 lor s des deux seacuterie s de tests

permet d e constate r qu e le s diffeacuterence s d e gain s son t tregrave s diffeacuterentes Le s plu s grande s

diffeacuterences d e gain s son t enregistreacutee s pa r le s scories S 3 e t S 2 respectivement lor s des essai s

de 2 4 e t 4 8 heures D e plus le s scorie s S 2 obtiennen t le s plu s haut s gain s sou s leu r form e

preacutelixivieacutee contrairemen t au x scorie s S 3 qu i obtiennen t le s meilleur s reacutesultat s sou s leu r

forme non-preacutelixivieacutee D e ce fait o n peut conclur e qu e l a carbonatation peu t ecirctr e influenceacute e

par l e temps d e preacutelixiviation de s oxydes meacutetallique s s i la preacutelixiviation es t supeacuterieur e agrave 24

heures

34 Cineacutetiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP

Leacutetude de s potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 par le s hui t reacutesidu s testeacute s a releveacute qu e le s

scories F P (S2 ) offren t l e meilleu r potentie l d e seacutequestration D e c e fait i l import e don c

deacutetudier l a cineacutefique dadsorpfio n d u CO2 par ce reacutesidu alcalin afi n d e mieux comprendr e c e

processus L e choi x de s scorie s non-preacutelixivieacutee s s e justifi e pa r leur s rendement s d e

seacutequestrafion d u CO 2 qui son t plu s eacuteleveacutes par rappor t agrave celles preacutelixivieacutees Pou r c e faire le s

reacutesultats d e leacutevolutio n d u pH de conducfiviteacute e t de ladsorpfio n d u CO 2 seront preacutesenteacute s e t

analyseacutes

66

Les figures 31 0 e t 311 illustrent leacutevolutio n d u pH et de la conducfiviteacute de s scories F P non-

preacutelixivieacutees apregrave s 8 heures de carbonatation (voi r le s reacutesultats comple t agrave F Armexe VII) Huit

mesures de s valeur s d e pH e t conductiviteacute ont eacutet eacute reacutealiseacutees soi t apregrave s 0 25 5 10 20 60

120 et 480 minutes

1 12 bull

11 -

X ^ 10 -

9-

8-

7 1

^ ^ _

^ ^ ^ N gt N L

1 1

l 1 0 10 0 Temps d e barbotage a u C02 (e n min)

1

1000

Figure 31 0 Eacutevolutio n d u p H de s scorie s F P filtreacutees (bull) no n filtreacutees (D) e n fonction d u temps de barbotage au CO2

Le pH et l a conductiviteacute son t lieacute s par les mecircmes meacutecanismes soi t ceu x d e libeacuteration de s ion s

meacutetalliques d e calciu m e t d e magneacutesiu m dan s l a solufio n pa r le s particule s solide s degrave s l e

deacutebut d e l a reacuteaction Le s baisse s de s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute sexpliquen t pa r l a

reacuteaction de s ion s meacutetallique s ave c l e CO 2 qu i es t transform eacute preacutealablemen t e n acid e

carbonique e t l a formation de s carbonates Le s ions e t le s oxydes amphotegravere s reacuteagissen t pe u

dans l a solufio n e t d e c e fait il s ont pe u dimpac t su r l e p H e t l a conducfiviteacute Ces t

seulement apregrave s les dix premiegraveres minutes quon observ e une baisse significative de s valeur s

de pH et de conductiviteacute

67

Ce consta t es t e n accord ave c le s reacutesultats obtenu s pa r Hujge n et al (2006 ) e t Bonenfan t et

al (2008) Mecircm e s i ces auteur s ont travaill eacute ave c de s scorie s ayan t un e granulomeacutetri e plu s

fine (38-16 0 pm) le s preacutesent s travau x conduisen t agrave l a mecircm e conclusio n queu x le s ion s

meacutetalliques s e libegraveren t de s matrice s degrave s l e deacutebut d u processus d e carbonatatio n soi t entr e l e

deuxiegraveme e t l a dixiegravem e minute Selo n ce s auteurs l a concentratio n d e calciu m augment e

presque lineacuteairemen t agrave laugmentatio n d u temp s d e reacuteaction jusquagrave enviro n 1 0 min Apregrave s

cela l a concentratio n nivegravel e o u diminue L a sursaturatio n a e u lie u parc e qu e l e tau x d e

deacutepocirct d e carbonat e d e calciu m agrave parti r d e l a solutio n eacutetai t beaucou p plu s len t qu e l e tau x

dextraction de s ions calcium agrave partir des deacutechets de ciment (lizuk a et al 2004)

CZ5

3 -a S O

6

5

^ 4

f 3 2

1

0 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee de barbotage d u CO2 (en min) 481

Figure 31 1 Eacutevolutio n d e l a conductivit eacute de s scorie s F P non -preacutelixivieacutees filtreacutees (D ) et no n filtreacutes (bull ) e n fonctio n du temp s d e barbotage a u CO2

Le CO 2 reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates C e reacutesulta t c e confirm e auss i pa r le s figures 31 2 e t 31 3 qu i illustren t

leacutevolution d u potentiel de seacutequestration d u CO2 en fonction d u temps

68

lt3gt bull O

(SX)

C l U agt bull -

S cr

O

8

7

6

5

4

3

2

1

0 D-

1 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee d e barbotag e du CO2 (en min)

481

Figure 31 2 Eacutevolutio n d u pouvoi r d e seacutequestratio n du carbon e de s scories F P non-preacutelixivieacutee s filtreacutees (D) non-filtreacutee s (bull ) e n fonctio n du temps de barbotage au CO2

On remarqu e qu e le s quantiteacute s d e CO 2 adsorbeacutes le s plu s eacuteleveacute s son t attein t apregrave s 8 heure s

soit 7 4 g de CO2100g de scorie s F P mais cest entr e l a deuxiegraveme e t dixiegraveme minut e quo n

observe qu e l a vitess e d e seacutequestrafio n es t plu s eacuteleveacute e (figur e 313) Te l qu e expliqu eacute

preacuteceacutedemment dan s cett e eacutetude c e son t le s matrice s qu i offren t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 A l a diffeacuterenc e de s temp s d e seacutequestratio n d e 2 4 e t 4 8 heures i l

semble que le temps de huit heures est trop court pour que le s solutions filtreacutees reccediloiven t de s

quanfiteacutes suffisante s dion s meacutetallique s pour seacutequestrer l e CO2 agrave des quantiteacutes notables

69

006 bull ] u a M 00 5 -0 - p u E

I 3 E 00 4 bull Tl -v

1 C ^ ^ 9 CL 003 bull

bullJ L L

i 0 iuml 0 0 -XI 0

i Q O i = 0 oo i bull 1 0 1 o i ( A mdash icirc l l

icirc s 0 gt

1 i

^

25 5 10 2 0 6 0

Temps en min

120 48 0

Figure 31 3 L a vitess e dadsorptio n d u CO 2 e n fonctio n d u temp s par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes (n) et non filtreacutes (bull)

Synthegravese

Les capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 ont eacutet eacute eacutetudieacutees pou r hui t reacutesidu s alcalin s soi t le s boue s

rouges humide s e t segraveches le s scorie s FP FOP FAEacute le s CK D ( 2 types ) e t le s cendre s

volantes Le s essai s de carbonatation direct e e t indirecte on t eacutet eacute effectueacutes e n cuveacutee agrave un flux

gazeux d e 1 5 d e CO 2 e t 8 5 d e N 2 pendan t 4 8 heure s e t ont permi s d e tire r le s

conclusions suivantes

Les valeur s d e p H de s scorie s e t de s boue s rouge s e t de s CK D son t tregrave s semblable s soi t

leacutegegraverement au-dessu s d e 7 (preacutelixivieacutees e t non-preacutelixivieacutees) Seulemen t le s cendres volante s

ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7 En ce qui concerne l a conductiviteacute

on peu t firer le s mecircme s conclusion s qu e l a variafio n d u p H agrave lexcepfio n de s CK D qu i

obtiennent de s valeur s d e conductivit eacute quatr e foi s supeacuterieure s qu e le s autre s reacutesidus Cett e

diffeacuterence peu t ecirctr e occasionneacute e pa r un e meilleur e teneu r de s ion s meacutetallique s e n solutio n

dans le cas des CKD

70

Quant au x capaciteacute s de s reacutesidus agrave seacutequestrer l e CO2 trois reacutesidus s e sont deacutemarqueacute s lor s de s

deux seacuterie s d e test s les scorie s HF FP e t le s CKD Lor s le s essai s ce s reacutesidus on t obtenu s

les reacutesultats de seacutequestration d u CO2 suivants

bull Essai s de 24 heures

Scories HF (65 pp) gt scories FP (59 pp) gt CKD St-Lauren t (4 7 pp)

bull Essai s de 48 heures

Scories FP (107 pp) gt scories HF (84 pp) gt CKD St-Lauren t gt (79 pp)

Les tests sur le pouvoir alcalin des scories ont indiqueacute que les scories dacieacuterie possegraveden t un e

capaciteacute de neutralisation plu s eacuteleveacutee que tous les autres reacutesidus De plus les scories HF sont

les plus reacuteactives avec une reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

Enfin le s test s d e l a cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2 par le s scorie s F P ont deacutemontr eacute qu e l a

seacutequestration d u CO 2 s e reacutealis e plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegravere s minute s d e l a

reacuteaction

CHAPITRE 4

DISCUSSION GEacuteNEacuteRAL E

Le preacutesen t chapitr e a pou r objecti f dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s

obtenus dan s l e cadr e d e cett e eacutetude C e chapitr e compar e eacutegalemen t le s reacutesultat s obtenu s

lors de s deu x seacuterie s d e test s (2 4 e t 4 8 heures ) ave c ceu x obtenu s pa r dautre s eacutetude s

semblables De plus limpact enviroimementa l de ce proceacutedeacute sera analyseacute e t preacutesenteacute

41 Inteacutegratio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests

Les essai s reacutealiseacute s on t montr eacute qu e l e potentie l d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s

industriels alcalin s vari e e n fonctio n d e leur s caracteacuteristique s physico-chimique s telle s qu e

la teneu r e n ion s meacutetallique s tel s qu e Ca ^ e t Mg^ l e pH la granulomeacutetri e e t auss i de s

conditions expeacuterimentale s choisies L a tempeacuterature l a pression l e ratio L S e t l a vitesse d e

brassage jouent u n rocircle de premier plan sur les reacutesultats de seacutequestration d u CO2

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lor s des essai s d e 24 et 48 heures

Lobservation de s reacutesultat s d e p H e t d e conducfivit eacute obtenu s lor s de s deu x seacuterie s d e test s

deacutemontre qu e le s diffeacuterence s d e pH son t tregrave s semblable s pou r le s Bl B2 SI S3 et Cl E n

fait le s diffeacuterence s d e p H varien t entr e 0 2 agrave 0 8 uniteacute s (sau f le s CKD) tregrave s pe u s i o n

considegravere qu e l a diffeacuterence d e temps es t des deux foi s supeacuterieure s entr e l a deuxiegraveme seacuteri e de

tests Le s CK D manifestemen t conserven t leu r pouvoi r alcali n presqu e inchangeabl e apregrave s

24 heure s d e carbonatation Seulemen t le s scorie s F P (S2 ) on t subi e baiss e d e p H

significafive d e 2 agrave 25 uniteacutes entre les deux seacuteries dessais

72

Ces reacutesultat s deacutemontren t qu e tous ce s reacutesidus alcalin s ont de s excellente s reacuteserve s alcaline s

et quil s relacircchen t se s ions meacutetalliques tregrave s lentemen t dan s l a solution aqueuse Ce s reacutesultat s

sont semblable s agrave ceu x obtenu s pa r plusieur s chercheur s (Hujge n et al 2006 Bonenfan t

2008 Huntziger 2009)

Dans l e ca s de s boue s rouges le s reacutesultat s obtenu s son t e n accor d ave c ceu x obtenu s pa r

Bonenfant (2006) Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute son t plu s eacuteleveacutee s pou r le s boue s

rouges humide s qu e le s boue s rouge s segraveche s e t peuvent ecirctr e expliqueacutee s pa r un e plus grand e

faciliteacute d e libeacuteratio n de s ion s (cation s e t ion s hydroxyles ) de s boue s rouge s humide s

occasionneacutee pa r leu r dissolutio n preacutealabl e dan s l a soud e caustique comparativemen t au x

boues rouge s segraveche s qu i non t pa s subi t c e traitement Ce s reacutesultat s prouven t qu e l a

lixiviation en geacuteneacuteral joue un rocircle minime su r le pH peu import e le reacutesidu ufiliseacute Toutefois

selon Bonenfant (2008) le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s meacutetallique s

tels que Ca Mg Ap^ Fe Ce sont ces ions et leur s oxydes respectif s qu i assuren t l e pH

et le s conductiviteacutes eacuteleveacute s de s reacutesidus cibleacutes Les grandes quantiteacute s dhydroxyd e d e sodiu m

libeacutereacutees dan s le s lixiviat s de s boues rouge s peuven t eacutegalemen t ecirctr e responsable s de s valeur s

eacuteleveacutees de pH e t de conductiviteacute qu i ont eacuteteacute mesureacutees apregraves 24 et 48 heures de lixiviation E n

effet le s grande s quantiteacute s d e solution s dhydroxyd e d e sodiu m on t de s alcaliniteacute s e t

conductiviteacutes eacutelectriques eacuteleveacutees

Hujgen et al (2006 ) on t deacutemontr eacute qu e le s ion s meacutetalliqu e s e libegraveren t de s matrice s de s l e

deacutebut d u processu s d e carbonatatio n soi t entr e l e deuxiegravem e e t l a dixiegravem e minute L e CO 2

reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates

Les bou s rouge s humide s no n - preacutelixivieacutees filtreacutees e t no n filtreacutees s e deacutemarquen t pa r de s

valeurs de pH e t de conductivit eacute leacutegegraveremen t infeacuterieure s pa r rappor t au x boue s rouges segraveche s

et le s scories E n revanche selo n Bonenfant (2008) l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s

daluminium dan s le s lixiviat s de s boues rouge s e t des scorie s FA Eacute es t suscepfibl e decirctr e e n

partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees de conducfiviteacute d e ces trois solutions

73

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute le s valeurs obtenues lor s des deux seacuterie s de tests son t

tregraves semblables ca r le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t l a libeacuteratio n de s ion s meacutetallique s son t

semblables

Liu et al (2003 ) ont deacutemontr eacute qu e l e p H de s boue s rouge s augment e ave c l e temp s d u

stockage L e Ca^ ^ es t plu s facilemen t eacutechangeabl e dan s de s boue s fraicircche s qu e dan s le s

vieilles boues Ce s demiegravere s son t domineacutee s pa r le s eacutechange s d e Na^ Laluminiu m conten u

dans le s boue s rouge s es t preacutecipit eacute d e l a solutio n sou s form e d e dawsonit e NaAlC03(OH) 2

(Nikraz et al 2007)

Les cendre s volante s mecircm e s i elle s on t de s valeur s initiale s d e p H plu s ba s qu e le s autre s

reacutesidus soi t d e 88 6 agrave 895 deacutemontren t de s capaciteacute s d e carbonatatio n inteacuteressante s s i o n

tient compte d e leur faibl e teneu r de CaO Dailleurs selo n Soon g et al (2006) i l nest pa s

utile davoir u n p H tregraves bas car les carbonates se forment agrave un pH eacutega l ou supeacuterieur agrave 78

De ce fait on peut conclure que

bull i l nest peut-ecirctr e pas utile daugmenter l e temps dadsorption d u CO2 au-delagrave de 24

heures car les valeurs de pH et de conductiviteacutes varient tregraves peu

bull le s reacutesidus alcalins ont des meacutecanismes de carbonatation e t des pouvoirs tampons tregrave s

semblables

il existe un lien direct entre la variation du pH et de la conducfiviteacute

bull c e sont le s ions meacutetalliques tels que Ca ^ Mg Na^ qui deacuteterminent e n grande partie

leacutevolution d u pH et de la conductiviteacute

74

412 Limpac t du pouvoir alcalin e t de la cineacutetique de ladsorption du CO2 sur la seacutequestration d u CO2

Il est inteacuteressan t d e noter que l e pouvoir tampon de s reacutesidus s e manifeste agrave des intervalle s de

pH diffeacuterent s entre 1 0 agrave 8 pou r le s scories 8 agrave 6 pou r le s CK D e t 6 agrave 4 pou r le s boue s

rouges Ces reacutesultats son t en accord avec ceux obtenu s par Bonenfant et al (2008) Huijge n

et Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009) Ce s pouvoir s tampon s important s son t du s

probablement a u fai t qu e le s silicate s ont partiellemen t reacuteag i dan s ce s gamme s d e pH

(Baciocchi et al 2009)

Selon Bonenfant (2006) l a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n

oxydes meacutetalliques plus particuliegraverement de s oxydes meacutetalliques basiques tels que l e CaO et

le Mg O scories F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

Bonenfant et al (2008) Huijgen e t Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009 ) ont eacutetudi eacute le

rapport entr e l e pouvoi r alcali n e t l a lixiviatio n de s meacutetau x pa r ce s reacutesidus Le s test s d e

lixiviation meneacute s pa r Baciocch i e t Bonenfan t ont confirm eacute qu e l a quantit eacute de s ion s Ca^ ^

dans les scories es t plus basse agrave des pH gt 8 en raison de la formation d e calcite

Selon Hujge n et al (2005 ) le s scorie s agrave des pH varian t entr e 5 1 agrave 3 5 libegraveren t le s ion s d e

calcium qu i formen t de s silicate s e t des bicarbonates Quan t au x CKD leu r pouvoi r tampo n

eacuteleveacute empecircch e l a formatio n d e bicarbonates Pou r obteni r l a formatio n d e ce s demiegraveres i l

faut ajoute r davantag e dacide chlorhydriqu e e t augmenter l e temps de reacuteaction au-delagrave de 24

heures

Lorsque l e p H attein t un e valeu r infeacuterieur e agrave pK2 = 10 3 d u systegravem e carbonates Feacutequilibr e

se deacuteplac e dan s l e sen s favorisan t l a consommafion de s ion s bicarbonate s CO3 et l e deacutepocirc t

de l a calcit e (CaCOs ) jusqu agrave latteint e dun e limit e qu i deacutepen d d e l a teneu r d e Ca en

solution Selo n Bonenfant (2008) cette situatio n deacutefini t eacutegalemen t l a capacit eacute dadsorptio n

de CO2

75

Le M g s e mobilis e e n mecircm e temp s qu e l e Ca ^ mais se s composeacute s son t plu s soluble s qu e

ceux d u calcium Le s concentrafions d e Ca^ sont en moyenne 1 0 fois plu s eacuteleveacutees qu e cell e

du M g apregrave s 6 heure s d e lixiviatio n e t cett e libeacuteratio n d e cation s (C a ^ et M g ) s e fai t e n

parallegravele ave c laugmentatio n d u p H e t d e l a conductivit eacute d e l a solutio n (Bonenfan t et al

2006)

Les reacutesultat s de s deux seacuterie s de tests (24 et 48 heures) su r le s capaciteacutes dadsorptio n d u CO2

par ce s reacutesidu s ont deacutemontreacute s qui l es t possibl e d e seacutequestre r l e CO 2 agrave parti r d e reacutesidu s e t

sous-produits industriel s alcalin s (voi r tableau 41) Les matrices d e ces mateacuteriaux sembleacute s agrave

posseacuteder un e grand e capacit eacute d e libeacuteratio n de s cation s e t de s ion s hydroxyle s capable s d e

reacuteagir avec l e CO2 Le s cendres volantes on t enregistreacute le s plus faibles reacutesultat s dadsorptio n

du CO 2 (15 pp) e t ce agrave cause des faible s teneur s e n calcium e t magneacutesium ( lt de 1 0 )

Pourtant le s capaciteacutes theacuteoriques dun e tonn e de cendres volante s contenan t 4 1 de chaux

peuvent seacutequestre r 32 2 k g d e C02tonn e d e cendre s volante s (Montes-Hemande z et al

2009) Quan t au x CKD leur s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestratio n d u CO 2 dan s de s

conditions dexpeacuterimentatio n ambiante s son t d e lordr e d e 11 5 kgtonn e d e reacutesid u

(Huntzinger et al 2009)

Lors l a carbonatation de s CK D e t des cendres volante s lettringit e es t transform eacute e n calcite

en quart z e t e n gypse Aucu n reacutesid u nattein t le s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestrafio n d u

CO2 mecircm e apregrave s 4 8 heure s d e carbonatation Ce s reacutesultat s sexpliquen t pa r l a formatio n

dune couch e d e carbonate su r le s particules qu i colmat e le s pores e t de ce fait l a libeacuterafio n

des ion s meacutetallique s d e C a e t M g dan s l a solufio n es t compromis e (Bonenfan t et al 2008

Hujgen et al 2006)

76

Tableau 41 Reacuteserves alcalines et potentiel de seacutequestration des reacutesidus alcalins

Type de reacutesid u

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FA E

(SI) Scories FP

(S2) Scories HF

(S3) CKD (Cl) CKD (C2)

Cendres volantes

(F)

Seacutequestration d e CO2 en 24 heure s (gdeCO2100gde

reacutesidu alcalin ) 35

36

47

59

65

47

-

Seacutequestration d e CO2 en 48 heures (g de CO2100g de

reacutesidu alcalin ) 34

31

36

107

84

79

6

L5

Reacuteserve alcalin e (mole de HClkg de

reacutesidu)

038

04

31

39

43

14

16

012

Selon lizuka (2004 ) mecircm e s i le s calcul s thermodynamique s indiquen t qui l es t

theacuteoriquement possibl e d e convertir plu s de 67 du calcium conten u dan s le s deacutechets de

ciment en carbonate de calcium le taux de conversion pratique est largement deacutetermineacute e par

les facteur s cineacutetique s d e l a reacuteactio n e t l e degreacute d e l a carbonatatio n es t limit eacute agrave quelque s

millimegravetres deacutepaisseur sur la surface des particules

La formation de s silicate s es t un autr e facteu r qu i baiss e l a libeacuteration de s ion s meacutetallique s

dans la solution aqueuse Ces reacutesultats indiquent que les chutes de pH et de conductiviteacute sont

plus eacuteleveacutees dans la solution de scories FP en solution que celles observeacutee dan s la solution

des scories FAEacute des boues rouges humides et segraveches des CKD et des cendres volantes

77

Toutes le s autre s eacutetude s d e seacutequestratio n d u CO 2 ont utilis eacute soi t de s tempeacuterature s e t de s

pressions eacuteleveacutees soit des granulomeacutetries beaucoup plus petites soit tous ces facteurs reacuteuni s

ensemble (voir tableau 42)

Tableau 42 Reacutesumeacute des reacutesultats seacutequestration du CO2 obtenus par dautres eacutetudes

Type de reacutesidus

Boues rouges

Scories

CKD

Cendres volantes

3 ^ ^

Tem

peacutera

(e

ndegC

22

100

70 200

22

22

25

Conditions opeacuteratoire s

S ^ 0 u

A

19

30 3

A

A

30

^

Rat

io L

S (

10

2

05 04

10

12

10

C G

ranu

lom

(e

n pr

r

I

lt38

lt10 lt

01 38-160

I

I

0 _ T3 4 J V -

Vite

sse

bras

ag

ten

ron

300

1000

--

300

-

-

c

Tem

ps (

heur

es

24

05

2 2

24

816

18

CaO e n

de masse

55

317

48

41

Potentiel d e seacutequestr

theacuteorique du C02en kgkg 006^

025

016

003

Reacutesultat de

seacutequestr du C02e n

kgkg

0043

75 du total de Ca

002 013^

025

012^

003

1) Hujgen et al (2005) 2) Eloneva et al (2008) 3) Baciochi el al (2009) 4) Bonenfant et al (2008) 5) Khaitan (2003) 6) Huntzinger (2009) 7) Montez-Hemandez (2009) A=atmospherique I=industrielle

Les reacutesultats obtenus par ces eacutetudes deacutemontrent que dans les cas des scories dacieacuteries e t des

poussiegraveres d e fou r de s cimenteries loxyd e d e calciu m es t loxyd e meacutetalliqu e qu i leu r

confegravere leu r potentiel de seacutequestration du CO2

Dans le cas des boues rouges agrave part le calcium qui joue un rocircle significafif dan s le potentiel

de seacutequestration d u CO2 le sodium qui est libeacutereacute en quantiteacute preacutedominante peut eacutegalement

jouer un rocircle dans la seacutequestration du CO2 (Bonenfant et al 2006)

78

Il es t importan t d e note r qu e seule s le s scorie s F P on t doubl eacute leu r capacit eacute dadsorptio n d u

CO2 lors des essais de 48 heures par rapport aux essais de 24 heures

Selon l a litteacuterature l a taille de s particule s d e scorie s exerc e leffe t l e plu s significati f su r l a

reacuteaction plu s l a taill e de s particule s es t petite plu s l a reacuteactio n ave c l e CO 2 es t eacuteleveacutee L a

tempeacuterature e t l a ration L S eacuteleveacutee s jouent eacutegalemen t u n rocircle importan t su r l a dissolution d e

silicates (Baciocchi et al 2009)

En conclusion i l exist e u n lie n direc t entr e l e pouvoir alcali n e t la capaciteacute d e seacutequestratio n

du CO 2 pa r le s reacutesidu s alcalins Plu s l e pouvoi r alcali n es t eacuteleveacute plu s l a capacit eacute d e

seacutequestration d u CO2 par ces reacutesidus est eacuteleveacutee

42 Limpac t environnementa l d e la seacutequestration du CO2

Les reacutesidu s alcalin s eacutetudieacute s s e caracteacuterisen t pa r de s p H tregrave s eacuteleveacute s gracircc e agrave leur s teneur s

eacuteleveacutes dion s meacutetalliques Aucu n d e ce s reacutesidus n e deacutepassai t le s norme s environnementale s

traitant le s meacutetaux lourd s tels que le chrome le molybdegravene le mercure l e plomb etc

Bonenfant et al (2006) Huijge n et al (2005 ) e t Huntzinge r et al (2009 ) ont deacutemontr eacute

quaucun eacuteleacutemen t dangereu x n e se libegravere lor s de la lixivitaion de s reacutesidus alcalins carbonate s

tels que le s scories le s boues rouge s e t le s poussiegraveres d e four s d e cimenteries Le s eacuteleacutement s

les plu s lixivieacute s son t l e calcium e t l e sodium preacutesent s dan s le s lixiviat s de s boue s rouge s e t

des scories Laluminiu m es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quantiteacute s dan s ce s solufion s

(Bonenfant ea 2006)

En c e qu i concem e l e tau x d e libeacuterafio n de s eacuteleacutement s reacuteactif s de s scorie s FA Eacute d e

granulomeacutetrie 06 3 - 12 5 mm l a concentration d e Ca est e n moyenn e 1 0 fois plu s eacuteleveacute e

que cell e d u Mg ^ et attein t u n maximu m apregrave s 6 h d e lixiviatio n (Bonenfan t et al 2006)

Les autres meacutetaux eacutetudieacutes ne sont preacutesents quen petite s quantiteacutes agrave leacutetat d e trace ou absents

des lixiviats (Proctor et al 2000)

79

Quant au x cendre s volantes aucun e libeacuteratio n d e substance s toxique s meacutetallique s n a eacutet eacute

observeacutee apregraves 1 8 heures de lixiviafion selo n Montes-Hemandez et al (2009) La lixiviatio n

Cr nest pa s influenceacutee pa r le processus de la carbonatation san s doute agrave cause de la faibl e

solubiliteacute de Cr ^ (Baciocchi et al 2009) Agrave ce stade de leacutetude la carbonatation de s reacutesidus

alcalins n e repreacutesenterai t pa s d e dange r su r l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Quan t au x autre s

composeacutes dangereu x eacutemi s dans latmosphegraver e tel s que l e SO2 lesNOx le s fluomres (gazeus e

et particulaire) les dioxines etc i l nexiste pas de donneacutees significatives su r la question

43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins perspective s de lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e

Les reacutesultat s expeacuterimentau x d e l a seacutequestration mineacuteral e d u CO 2 indiquent qui l es t possibl e

dabaisser le s eacutemission s d e c e ga z pa r le s troi s industrie s concemeacutees Toutefois i l fau t

analyser ce s reacutesultat s dan s un e perspectiv e d e deacuteveloppemen t durabl e afi n d e mieu x

comprendre limpac t d e cett e technologi e su r lenvironnement leacuteconomie le s insfitution s

politiques et la socieacuteteacute

Le tablea u 4 3 es t l a suit e d u tablea u d e l a pag e deu x d u preacutesen t travai l e t i l illustr e le s

eacutemissions d u CO 2 par le s troi s industries le s rendements d e l a seacutequestratio n mineacuteral e e t le s

calculs de s reacuteductions de s eacutemission s d u CO2 si cette technologie serai t appliqueacute e agrave leacutechell e

industrielle Dan s l e tablea u 43 le s reacuteduction s calculeacutee s de s eacutemission s d u CO 2 pa r l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s alcalin s de s troi s industrie s son t asse z modeste s s i o n

considegravere qu e le s eacutemission s d e c e ga z eacutemise s pa r le s activiteacute s humaine s seacutelegraveven t agrave 3 8 G t

(GIEC 2007) Toutefois s i o n considegraver e qu e le s troi s industrie s eacutemetten t 1 6 de s

eacutemissions totale s de s acfiviteacute s industrielles le s reacuteduction s de s eacutemission s d u CO 2 proposeacute s

par cette technologie semblen t non-neacutegligeables

80

Tableau 43 Reacutesumeacute des eacutemissions par les trois industries et les baisses respectives de leurs eacutemissions suit e agrave la seacutequestration d u CO2 par leurs reacutesidus alcalin s

Type dindustrie

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Emissions duC02 (en Gt)

015

17

18

Quantiteacutes d e reacutesidus

alcalins (en Mt)

90

350-420

480

Pouvoir de seacutequestration mineacuteral e des reacutesidus industriel s alcalins ( t de C02t de

reacutesidu)

0032

0073

0016

Reacuteduction de s eacutemissions d e

CO2 (en Gt)

00003

0026-003

008

Limplantation d e cett e technologi e agrave leacutechell e industriell e demand e un e eacutetud e eacuteconomiqu e

approfondie Pou r c e faire i l fau t tou t dabor d deacutetermine r le s paramegravetres optimum s d e cett e

technologie tel s que l a dureacutee d e l a seacutequestration l a pression e t la granulomeacutetri e agrave utiliser I l

faut entr e autres teni r compt e d e lintervall e d e production de s quantiteacutes d u typ e d e

transport (contin u o u discontinu ) e t d u temp s d e seacutejou r dan s le s usine s de s reacutesidu s alcalin s

produits pa r le s troi s industries L e choi x d e ce s paramegravetre s influencer a directemen t l e

rendement d e l a seacutequestratio n d u CO 2 Or d e no s jours limplantatio n dun e nouvell e

technologie n e deacutepen d pa s seulemen t d e so n efficacit eacute eacuteconomique Plusieur s dautre s

aspects rentren t e n lign e d e compte E n fait i l fau t utilise r un e approch e systeacutemiqu e (4R -

VD Reacuteduire Reacuteutiliser Reacuteparer Reacutecupeacuterer Valoriser Disposer ) s i o n veu t teni r compt e

de toute s le s interacfion s e t le s impact s quun e tell e deacutecisio n peu t engendrer L a figur e 4 1

illustre le s interaction s entr e le s quatr e pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e pa r rappor t au x

reacuteductions des eacutemissions du CO2 par les trois industries eacutetudieacutees

La figure 4 1 montr e qu e l e deacuteveloppemen t durabl e e n geacuteneacutera l deacutepen d d e l a quantit eacute e t su r

tout d e l a qualit eacute de s interaction s entr e le s quatr e piliers D e c e fait limplantatio n d e l a

technologie d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 n e deacutepen d pa s qu e d e lefficacit eacute

eacuteconomique mais aussi des lois eacutemises par les institutions politiques

81

^ ^ ^ ^ a ^ J S S Eacute agrave ^ ^ ^

SOCIEacuteT Eacute ^ bull participation agrave la W

pris e des deacutecisions

X^^jpraquo^

ENVIRO gt

^ EacuteCONOMI E bull croissance bull efficacit eacute bull stabiliteacute bull valorisation

DEacuteVELOPPEMENT DURABLE

JNEMENT bull biodiversiteacute

bull ressources naturelles bull pollution

J INSTn rUTIONS bull lois bull regraveglements

bull infiastructure

p

1 II

Figure 41 Deacuteveloppement durable et seacutequestration du CO2

Dune maniegraver e plus simple on peut dire que les institutions politiques on t le pouvoir e t la responsabihteacute dexiger par les entreprises de limiter leurs eacutemissions du CO2 voir agrave supprimer ces demiegraveres agrave la source Mecircme si le processus de la seacutequestration mineacuteral e du CO2 est un pheacutenomegravene nature l exothermique i l faudrai t ufilise r dautre s source s deacutenergi e afi n d e lacceacuteleacuterer et par voie de conseacutequence augmenter le rendement de la seacutequesfi-ation du CO2 I l est preacutefeacuterable de remplacer les combustibles fossiles par des eacutenergies moins polluantes telles que leacutenergie nucleacuteaire et leacutenergie eacutelecfrique etou solaire

La socieacuteteacute peut jouer son rocircle de piher en demandant aux pouvoh-s politiques deacutemettre des lois qui exigent aux entreprises de respecter lenvironnement e t dameacuteliorer l a qualiteacute de vie de la socieacuteteacute Dans le mecircme ordre dideacutees l a socieacuteteacute peut exercer un e pression important e sur les entreprises en utilisant leur pouvoir dachat comme moyen de pression

82

Les reacutesultat s obtenu s lor s d e cett e eacutetud e ont deacutemontr eacute qu e limpac t su r lenvironnemen t es t

positif su r tou t a u nivea u d e l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Dautre s eacutetude s son t neacutecessaire s

pour eacutetudie r leffe t de s autre s composant s gazeu x su r lenvironnemen t e t l a sant eacute humaine

Le fai t dutilise r le s reacutesidus e t les sous-produit s industriel s alcalin s afi n d e seacutequestre r l e CO2

et l a revalorisation d e ces derniers dans plusieurs nouveaux domaine s pourrai t provoque r de s

changements neacutegatif s a u nivau x d e leacuteconomi e (changemen t d e prix augmentatio n d e l a

concurrence entr e le s entreprises ) e t d e l a socieacutet eacute (changemen t d e l a qualit eacute d e vie) D e c e

fait i l import e qu e tou s le s acteur s repreacutesentan t le s quatre pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e

travaillent e n eacutetroit e collaboratio n pou r qu e cett e technologi e soi t viabl e e t e n tota l respec t

avec lenvironnement

CONCLUSIONS

La preacutesente eacutetude avai t pour objecti f d e deacuteterminer le s reacutesidus et le s sous-produits industriel s

alcalins offrant le s meilleurs potenfiels d e seacutequestration d u CO2

Pour c e faire troi s type s d e scories (HF FP FAEacute) de s acieacuteries deux type s d e boues rouge s

(humides e t segraveches ) de s aluminerie s e t deu x type s d e reacutesidu s de s cimenterie s (CK D e t

cendres volantes ) ont eacutet eacute testeacute s e n cuveacutee Afi n d e mieu x eacutevalue r leur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 des seacuterie s d e test s d e 2 4 e t 4 8 heure s on t eacutet eacute reacutealiseacutes Le s condition s

opeacuteratoires eacutetaien t le s suivantes tempeacuterature = 20-22degC pression atmospheacuterique ratio SL =

10 kgkg vitesse de brassage = 200 rpm granulomeacutetrie industrielle eau deacutemineacuteraliseacutee

Les reacutesultat s obtenu s lor s le s essai s d e 2 4 heures on t deacutemontr eacute qu e troi s reacutesidu s alcalin s s e

sont deacutemarqueacutes pa r leurs hauts potentiels de seacutequestration d u CO2

bull le s scories HF 65 kg de C02t de scories

bull le s scories FP 59 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours de cimenteries (CKD) 47 kg de C02t de CKD

En revanche le s reacutesultat s obtenu s lor s le s essais d e 48 heure s ont deacutemontr eacute qu e le s mecircme s

reacutesidus alcalin s permettaien t dobtiermen t d e meilleur s reacutesultat s d e seacutequestratio n d u CO2

mais cette fois ci ce sont le s scories FP qui se trouvent en tecircte

bull le s scories FP 107 kg de C02t de scories

bull le s scories HF 84 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours d e cimenteries (CKD) 79 kg de C02t de CKD

84

Ces reacutesultat s sexpliquen t pa r de s teneur s plu s eacuteleveacutee s doxyde s meacutetallique s tel s qu e le s

CaO MgO AI2O3 Cr203 Ti02 FeO Mn O Si02 dan s ce s troi s reacutesidu s pa r rappor t au x

autres reacutesidu s testeacutes Ce s oxyde s e t leur s hydroxyde s respecfif s reacuteagissen t ave c l e CO 2

dissout dan s lea u e t formen t de s bicarbonate s thermodynamiquemen t stables

Theacuteoriquement l a teneu r eacuteleveacute e e n ion s meacutetallique s s e tradui t pa r u n potentie l d e

seacutequestration d e CO 2 eacuteleveacute Toutefois l a diffeacuterenc e d e reacutesultat s d e seacutequestratio n entr e le s

scories lor s de s deu x essai s a deacutemontreacute qu e mecircm e s i le s meacutecanisme s d e carbonatatio n son t

semblables pour tous le s types de reacutesidus alcalins l a nature e t l a mod e de fabricatio n d e ces

derniers influencen t sensiblemen t leur s potentiel s d e seacutequestration C e consta t es t valabl e

aussi bie n pou r le s reacutesidu s preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes Dailleurs le s test s su r l a

carbonatation de s reacutesidu s filtreacutes (preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes ) on t indiqu eacute qu e le s reacutesidu s

alcalins libegraveren t facilemen t leur s ion s meacutetallique s dan s l a solufio n aqueus e e t qu e le s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 de ce s derniegravere s son t inteacuteressantes Toutefois c e son t le s

reacutesidus non-preacutelixivieacute s e t non-filtreacute s qu i on t enregistreacute s le s meilleur s reacutesultat s d e

seacutequestration

Les autres objectif s d e ce travai l consistaien t agrave eacutetudier leacutevolutio n d e pH de l a conductiviteacute

et du pouvoir alcalin de s reacutesidus testeacutes

Premiegraverement le s valeurs de pH des scories des boues rouges e t des CKD obtenues apregraves l a

carbonatation son t tregrave s semblable s soi t leacutegegraveremen t au-dessu s d e 7 Seulemen t le s cendre s

volantes ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7

Deuxiegravemement le s test s su r l e pouvoi r alcali n de s scorie s ont indiqu eacute qu e le s scorie s

dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute d e neutralisation plu s eacuteleveacutee qu e tous le s autres reacutesidus D e

plus le s scories H F son t le s plus reacuteactives avec une reacuteserve alcalin e de 43 moles de HClk g

de scories L a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n oxyde s

meacutetalliques plu s particuliegraveremen t de s oxyde s meacutetallique s basique s tel s qu e l e Ca O e t l e

MgO scorie s F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

85

Troisiegravemement le s tests de la cineacutetique dadsorption d u CO2 par le s scories FP ont deacutemontr eacute

que l a seacutequestratio n d u CO 2 se reacutealise plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegraveres minute s d e la

reacuteacfion C e reacutesulta t sexpliqu e pa r l e fai t qu e l a formation dun e couch e d e carbonate su r l a

surface de s particule s de s reacutesidu s empecircch e l a libeacuteratio n dan s l a solufio n aqueus e de s ion s

meacutetalliques ayan t pou r conseacutequence l a baisse du taux de carbonatation

Enfin laugmentatio n pa r deux d e la dureacutee de carbonatation (d e 24 agrave 48 heures) ne se tradui t

pas par des doublement s de s potentiels d e seacutequestrafion d u CO 2 par le s reacutesidus alcalin s pou r

les raisons mentionneacutes ci-dessus

Perspectives

Cette eacutetud e sinscri t dan s loptiqu e d e deacuteveloppe r u n proceacuted eacute simpl e e t eacuteconomiqu e d e

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s industriel s alcalins D e c e fait

plusieurs perspective s son t identifieacutee s suite au x reacutesultat s obtenu s pa r cett e eacutetude E n voic i

quelques unes

bull eacutelargi r leacutetud e su r la seacutequestrafion d u CO2 avec dautres reacutesidu s industriel s tels les boues

de deacutesencrage de s papeteries le s reacutesidus d e constmctions e t d e deacutemolitions le s deacutechet s

municipaux le s deacutechet s d e lindustri e de s plastiques le s deacutechet s de s hocircpitau x etc

Plusieurs eacutetude s indiquen t qu e ces reacutesidus son t riche s e n oxyde s meacutetallique s e t peuven t

ecirctre utiliseacutes eacuteventuellement agrave la seacutequestration du CO2

bull puisqu e le s source s dea u douce s son t e n diminutio n constant e a u nivea u planeacutetaire i l

serait inteacuteressan t agrave envisage r l a reacutealisatio n d e cett e mecircm e eacutetud e ave c d e lea u d e mer

Cette perspectiv e pren d un e importanc e particuliegraver e s i o n considegraver e qu e plusieur s pay s

de Moye n Orient o ugrave son t deacutej agrave installeacutee s plusieur s aluminerie s e t cimenteries ont tregrave s

peu de sources deau douce

86

bull reacutealise r de s essai s pilotes e n colonnes afi n d e veacuterifie r l e transfer t d e ce s reacutesultat s dan s

des conditions expeacuterimentales semblables agrave celles industrielles

bull effectue r un e eacutetude eacuteconomique afin de savoir si ce proceacutedeacute est eacuteconomiquement viable

bull effectue r un e eacutetud e d e cycl e d e vi e afi n d e deacuteterminer entr e autres limpac t

environnemental de ce proceacutedeacute

ANNEXES

ANNEXE I

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LALUMINIUM

Bauxite ^

CaO bull

NaOH bull

bull

Raw Material s

1 Digestion

Liquor Heatin g

Liquor Surge

T Evaporation

Removal

1

Steam

Liquor Flashing

Heating

N Impunties

lt

Fuel ^

Steam

Sand Seacuteparation

1 Fuial residue

Cooling

i

Preacutecipitation

seedT ^ Classification

1 Washing

1 Calcination

^

-^^^

SandResidue Wa-shing

JL Solids Liquo r

Solids Disposa i

^ Wate r

^ Alumin a

Figure All Proceacuted eacute Bayer Tireacute de Hind ea (1999)

ANNEXE II

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LACIER

AnninmeacuteratJon

J ^=2=vBB Minefo i d e fe r Chofbon

Haut-Fourneau

o Eacutebauche de formes solide s (demi-produi t ) pa r moulag e de lacie r liquide

Acier liquide mi s

^lanuoncey statio n datfinage

Machine de couleacutee

continue

e Transformation de s eacutebauches e n produits finis par laminage

okerie

Eacutelaboration d e lacie r liquide agrave part ir d e minerai de fer

AciefS plats

Train de laminage

agrave chau d

obinojx

Produit fin i

Figure A21 Proceacutedeacute de fabrication de lacier Tireacute de Arcelor Meacutediterraneacutee

tli(ipwwwarcelormediteiTanee coindecouvertefabricationschemahtm)

EacuteVALUATION D U POTENTIEL D E LA SEacuteQUESTRATION MINEacuteRAL E D U CO2 PAR DES REacuteSIDUS E T SOUS-PRODUITS INDUSTRIEL S Agrave POUVOIR ALCALIN S

Shkelzen BEQIR I

REacuteSUMEacute

De no s jours le s activiteacute s industrielle s de s alumineries de s acieacuteries e t de s cimenterie s produisent de s quantiteacute s tregrave s importante s d e reacutesidu s e t de sous-produit s alcalins Un e parti e de ce s sous-produit s es t utiliseacute e dan s dautre s domaine s tel s qu e la constructio n e t lhydromeacutetallurgie mai s de s million s d e tonne s son t stockeacutee s su r de s terrains preacutesentan t ainsi u n risque pour lenvironnement Ce s reacutesidus peuvent ecirctr e utiliseacutes par ces industries afi n de seacutequestre r l e CO2 I l exist e plusieur s technique s d e seacutequestratio n d u CO2 C e meacutemoir e aura pour but deacutetudie r le s possibiliteacutes de seacutequestration d u CO2 par des reacutesidus alcalins issu s dun larg e spectre dactiviteacutes industrielles

Des essai s dadsorptio n d u CO 2 d e 2 4 e t 4 8 heure s e n cuveacute e on t eacutet eacute reacutealiseacute s su r de s eacutechantillons d e boue s rouge s humide s e t segraveches de s scorie s FP FAEacute H F e t des poussiegravere s de fou r e t cendre s volante s d e cimenteries Tou s le s essai s ont eacutet eacute reacutealiseacute s dan s de s conditions opeacuteratoires ambiantes (tempeacuterature 20-22degC pression atmospheacuterique ambiante)

Des test s d e p H e t conductivit eacute on t eacutet eacute effectueacute su r tous le s eacutechantillons afi n deacutetudie r leur s eacutevolutions lor s les deux seacuteries dessais

Les reacutesultat s obtenu s lor s le s essai s d e 2 4 heures on t deacutemontr eacute qu e troi s reacutesidu s alcalin s s e sont deacutemarqueacutes pa r leur s hauts potentiels de seacutequestration d u CO2 bull le s scories HF 65 kg de C02t de scories bull le s scories FP 59 kg de C02t de scories bull le s poussiegraveres de fours d e cimenteries (CKD) 47 kg de C02t de CKD

En revanche le s reacutesultat s obtenu s lor s le s essais d e 48 heure s ont deacutemontr eacute qu e le s mecircme s reacutesidus alcalin s permettraien t un e seacutequestratio n plu s important e d u CO 2 selo n le s performances suivante s bull le s scories FP 107 kg de C02t de scories bull le s scories HF 84 kg de C02t de scories bull le s poussiegraveres de fours de cimenteries (CKD) 79 kg de C02t de CKD

Mots-cleacutes seacutequestration CO2 boue s rouges scories CKD cendre s volante s de s cimenteries

EVALUATION O F TECHNICAL POTENTIA L O F THE CO2 MINERAL SEQUESTRATION B Y ALCALINE INDUSTRIA L WASTE S

Shkelzen BEQIR I

ABSTRACT

Nowadays th e industria l activitie s ofaluminum steel an d ceacutemen t produc e large quantifie s o f alkali s residues A par t o f thegraves e residue s ar e use d i n othe r area s suc h a s construction an d hydrometallurgy bu t million s o f ton s ar e stored i n area s posin g a risk t o environment Thegraves e residue s ca n b e use d b y thegraves e industrie s t o sequeste r th e CO2 Severa l techniques o f CO 2 seacutequestratio n exist The purpos e o f thi s master s thesi s i s t o explor e th e possibilities o f CO 2 seacutequestratio n b y alkalis residue s fro m a wid e spectru m o f industrial activities

The batch absorptio n o f CO2 of 24 and 48 hours CO2 absorption batc h test s were performe d on sample s of we t an d dr y re d niud electri c ar c fumac e (EAF) Poch e fumac e (PF) blas t fumace (BF ) slags cernen t kil n dus t an d fly ash Ail test s ar e performe d i n environment operating condition s (tempeacuteratur e 20-22deg C ambient atmospheri c pressure) Tests o f p H and conductivity wer e performe d o n ai l sample s to stud y thei r eacutevolutio n i n the tw o set s o f tests

The results obtained durin g testing were 24 hours demonstrated tha t three residues alkal i ar e separated by high potential fo r CO2 seacutequestration bull Sla g BF 65 kg CO2 1 slag bull Sla g PF 59 kg CO2 1 slag bull Th e ceacutement kiln dus t (CKD) 47 kg of CO2 per tonne of CKD

However th e result s obtaine d durin g testin g o f 4 8 hours showe d tha t th e sam e alkali s residues allow a greater seacutequestration of CO2 by following performances bull Sla g PF 10 7 kg C 0 2 t slag bull S lagBF84kgC02 t s lag bull Th e dust ceacutements kiln dus t (CKD) 79 kg of CO2 per tonne of CKD

Keywords seacutequestration CO2 red mud stee l slags CKD fly ash

TABLE DES MATIEgraveRE S

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INTRODUCTION 1

CHAPITRE 1 REVU E D E LA LITTEacuteRATURE 7 11 Probleacutematiqu e d u CO2 7

111 L a chimie du CO2 8 112 Cycl e du carbone 9

12 Technologie s de capture et de seacutequestrafion d u CO2 1 3 121 Technologie s de capture du CO2 1 3 122 Technologie s de seacutequestration d u CO2 1 4

13 Seacutequestratio n d u C02par de s mateacuteriaux alcalin s 2 0 131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriau x alcalin s les fondements 2 0 132 Effe t de s variables sur la carbonatation 3 1 133 Cineacutetiqu e dadsorption d u CO2 3 3 134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s 3 8

CHAPITRE 2 MATEacuteRIE L E T MEacuteTHODES 4 1 21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacutes 4 1

211 Boue s rouges des aluminerie s 4 1 212 Scorie s des acieacuteries 4 3 213 Poussiegravere s de four de s cimenteries 4 6 214 Cendre s volantes 4 6

22 Meacutethode s expeacuterimentales 4 7 221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacutes 4 7 222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductiviteacute 4 7 223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin 4 8 224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestratio n

du CO2 en cuveacutee 4 9 225 Meacutethode s analytiques 5 1

CHAPITRE 3 REacuteSULTAT S E T DISCUSSIONS 5 2 31 Eacutevolufio n d u pH et de la conductiviteacute 5 2

311 Essai s de 48 heures 5 2 312 Essai s de 24 heures 5 9

32 Deacuteterminafio n d u pouvoir alcalin 6 0 33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorpfion e t de seacutequestratio n

du CO2 en solution aqueuse 6 1 331 Essai s de 48 heures 6 1 332 Essai s de 24 heures 6 3

34 Cineacutefiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP 6 5

VII

CHAPITRE 4 DISCUSSIO N GEacuteNEacuteRAL E 7 1 41 Inteacutegrafio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests 7 1

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lors des essais de 24 et 48 heures 7 1

412 Impac t du pouvoir alcalin et de la cineacutefique d e ladsorpfio n du CO2 sur la seacutequestration d u CO2 7 3

42 Impac t environnemental d e la seacutequestrafion d u CO2 7 8 43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins

perspectives d e lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e 7 9

CONCLUSIONS 8 3

ANNEXE I SCHEacuteM A D E FABRICATION D E LALUMINIUM 8 8

ANNEXE I I SCHEacuteM A D E FABRICATION D E LACIER 8 9

ANNEXE II I SCHEacuteM A D E FABRICATION D U CIMENT 9 0

ANNEXE I V REacuteSULTAT S COMPLET S DE S ESSAIS DE 48 HEURES EN CUVEacuteE 9 1

ANNEXE V REacuteSULTAT S COMPLET S DE S ESSAIS DE

24 HEURES EN CUVEacuteE 9 7

ANNEXE V I REacuteSULTAT S DE S TITRAGES DE S REacuteSIDUS ALCALINS 10 2

ANNEXE VII RESULTAT S D E LEacuteTUDE D E LA CINEacuteTIQU E DE LADSORPTION D U CO2 EN SOLUTION PA R

SCORIES FP NON-PREacuteLIXIVIEacuteES 10 6

ANNEXE Vll l MONTAG E DE S ESSAIS EN CUVEacuteE 10 7

LISTE DE REacuteFEacuteRENCES BIBLIOGRAPHIQUE S 10 8

LISTE DES TABLEAU X

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Tableau 1 1 Proprieacuteteacute s physico-chimiques d u CO2 9

Tableau 1 2 Teneu r en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins 2 2

Tableau 1 3 Compositio n chimique moyenne des boues rouges 2 5

Tableau 1 4 Composifio n chimiqu e moyenne des scories 2 6

Tableau 1 5 Composifio n chimiqu e moyenne des CKD 2 7

Tableau 1 6 Compositio n chimique des cendres volantes 2 8

Tableau 21 Compositio n chimiqu e moyenne des boues rouges humides et segraveches 4 2

Tableau 2 2 Paramegravetre s dexpeacuterimentation 4 8

Tableau 23 Meacutethode s analytiques appliqueacutees 5 1

Tableau 3 1 Valeur s des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacutes 5 3

Tableau 3 2 Le s valeurs des conducfiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacutes 5 5

Tableau 33 Reacuteserve s alcalines des huit reacutesidus 5 9

Tableau 41 Reacuteserve s alcalines et potentiel d e seacutequestratio n des reacutesidus alcalins 7 6

Tableau 42 Reacutesum eacute des reacutesultats seacutequestration d u CO2 obtenus par dautres eacutetude s 7 7

Tableau 43 Reacutesum eacute des eacutemissions par les trois industries e t les baisses respectives de leurs eacutemissions suite agrave la seacutequestration du CO2 par leurs reacutesidus alcalins 7 9

LISTE DES FIGURE S

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Figure 1 1 Reacutepartitio n pa r activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004 7

Figure 1 2 Cycl e du carbone organique 1 2

Figure 1 3 Cycl e du carbone inorganique 1 2

Figure 1 4 Seacutequestratio n d u CO2 par carbonatafion mineacuteral e 2 3

Figure 21 Photo s des boues rouges humides et segraveches 4 2

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP 4 3

Figure 23 Phot o des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD) 4 5

Figure 24 Phot o des cendres volantes 4 6

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee 5 0

Figure 3 1 Eacutevolufio n d u pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) etnon-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 48 heures 5 4

Figure 32 Eacutevolufio n d e la conducfiviteacute de s huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 6

Figure 33 Eacutevolutio n du pH des six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) et non-preacutelixivieacute s (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 7

Figure 34 Eacutevolutio n de la conducfiviteacute de s six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 8

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FAE FP et HF en fonction d u volume dacide ajout eacute 5 9

X

Figure 3 6 Courbe s de titrage des CKD Cl e t C2 en foncfio n du volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 3 7 Courbe s de titrage des boues rouges segraveches et humides en foncfion d u volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 38 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 8 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (A) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 48 heures 6 2

Figure 39 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 6 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (C) et preacutelixivieacutes (D) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 24 heures 6 4

Figure 310 Eacutevolufio n d u pH des scories FP filtreacutees e t non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 6

Figure 311 Eacutevolutio n de la conductiviteacute des scories FP filtreacutees et non filtreacutes en fonction d u temps de barbotag e au CO2 6 7

Figure 312 Eacutevolutio n du pouvoir de seacutequestration d u carbone de scories FP filtreacutees et non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 8

Figure 313 Vitess e dadsorption d u CO2 en foncfion d u temps par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes et non filtreacutes 6 9

Figure 41 Deacuteveloppemen t durabl e et la seacutequestration d u CO2 8 1

LISTE DE S ABREacuteVIATIONS SIGLES ET ACRONYME S

AIE

AMPERE

CKD

EacuteTS

FAEacute

FHWA

FP

Agence internationale d e leacutenergi e

Commission pou r lAnalyse de s Modi Redeacuteploiement de s Eacutenergies

Cernent kiln dus t

Ecole de technologie supeacuterieur e

Four agrave arc eacutelectriqu e

The Feacutedeacuteral Highway Administratio n

Four Poch e

GES Ga z agrave effet d e serre

GIEC Group e dexpert s intergouvemementau x su r leacutevolution d u climat

HF Hau t fournea u

ICP-AES Inductivel y Couple d Plasma-Atomi c Emissio n Spectrometr y

MEA Mon o eacutethylamin e

PSA Pressur e Swin g Adsorptio n

STEPPE Statio n Expeacuterimental e des Proceacutedeacutes Pilotes en Environnemen t

TSA Therma l Swin g Adsorptio n

LISTE DES SYMBOLES ET UNITEacuteS DE MESURES

m

kg Mt

Gt

t

degC

Pa

atm

S

min

ppm

gmol

L

Ka

Ma

kJ

pH

rpm

trmin

IN

megravetre

kilogramme

Million de tonnes

Milliard d e tonnes

tonne

degreacute Celsiu s

pascal

atmosphegravere

Siemens

minute

parties par million par volume

grammes par mol

Litre

milliers danneacutees

millions danneacutees

kilo joules

potentiel hydrogegraven e

rotations par minute

tours par minute

1 X Normale

INTRODUCTION

Probleacutematique impact de s activiteacutes industrielle s

Lactiviteacute industriell e mondial e augment e san s cess e anneacute e apregrave s anneacutee L e bie n ecirctr e de s

millions d e personne s partou t dan s l e mond e e n deacutepend Toutefois lindustri e n a pa s creacute eacute

seulement d e l a richesse ell e a engendr eacute auss i plusieur s problegraveme s environnementaux U n

des problegraveme s environnementau x es t leacutemissio n de s ga z agrave effe t d e serr e (GES) I l exist e

plusieurs GES L e dioxyd e d e carbon e (CO2) l e meacutethan e (CH4) l e protoxyd e dazot e o u

loxyde nitreu x (N2O) lozon e (O3) le s chlorofluorocarbone s (CFC) le s hydrocarbure s

halogegravenes (HFC PFC) lhexafluomr e d e soufr e (SFOcirc ) son t le s principau x GE S (GIEC

2007)

Ces gaz don t l e dioxyd e d e carbon e (CO2) jouent u n rocircl e majeu r dan s l a reacutegulatio n d e l a

tempeacuterature terrestre ca r il s laissen t passe r le s radiafion s solaires mai s absorben t certaine s

radiations infrarouge s (chaleur ) eacutemise s pa r l a surfac e chaud e d e l a Terr e c e qu i fa h

augmenter l a tempeacuteratur e d e latmosphegravere L e dioxyd e d e carbone avec un e dureacute e d e vi e

exceacutedant 12 0 an s e t un e contributio n pou r enviro n 5 5 d u reacutechauffemen t planeacutetaire s e

trouve e n tecirct e de s ga z agrave effe t d e serr e (Coolin g et al 2006) Entr e 197 0 e t 2004 le s rejet s

annuels d e CO2 l e principa l ga z agrave effe t d e serr e anthropique son t passeacute s d e 2 1 agrave 3 8

gigatonnes (Gt) soi t un e augmentatio n denviro n 8 0 Ce s rejet s repreacutesentaien t 7 7 de s

eacutemissions totale s d e GE S anthropique s e n 200 4 (GIEC 2007) L e Group e dexpert s

intergouvemementaux su r leacutevolution d u climat (GIEC 2007) estime que l a teneur moyenn e

en CO 2 dan s latmosphegraver e a augment eacute plu s d e 30 depui s l e deacutebu t d e legraver e industrielle

passant d e 28 0 ppm v agrave 37 9 ppmv D e plus lAgenc e intemational e d e leacutenergi e (AIE )

constate qu e le s eacutemission s d e dioxyd e d e carbon e lieacutee s au x activiteacute s humaine s devraien t

atteindre 4 3 G t pa r a n dic i 2030 soi t un e augmentatio n d e 6 0 (Gielen 2008) Ce s

augmentations pourraien t provoque r l a hausse de l a tempeacuterature d e l a surface d e la Terre e n

moyenne entr e 14deg C a u minimu m e t 4deg C a u maximu m su r l a peacuteriod e d e 199 0 agrave 210 0

(GEIC 2007)

Selon Environnemen t Canad a (2007) ce s augmentation s d e tempeacuterature s peuven t ecirctr e agrave

lorigine de s fonte s de s glaces d e laugmentatio n de s catastrophe s naturelle s e t d e l a

disparition d e plusieurs espegraveces animales et veacutegeacutetales

Contexte eacuteconomico-politiqu e

Les activiteacute s de s alumineries de s acieacuterie s e t de s cimenterie s produisen t chaqu e anneacute e de s

millions d e tonne s d e reacutesidu s alcalin s e t eacutemetten t dan s latmosphegraver e de s quantiteacute s

consideacuterables d e CO 2 L e tablea u ci-dessou s lillustr e le s eacutemission s d u CO 2 par le s troi s

industries

Type dindustri e

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Eacutemissions du CO2 (en Gt)

015

L7

18

Quantiteacutes de reacutesidus alcalins (en Mt)

90

350-420

480 (30 MT de CKD + 450MT de cendres

volantes de tout genre )

Sources

Institut Intemafional d e

laluminium (2008) Kumar eacutetal (2006 )

Miclos (2000) Gielen (2008)

Eloneva (2008) Konsta-Gdoutos et Shah (2003) Kumar et al

(2005)

Illustration de s eacutemissions d e CO2 et les quantiteacutes des reacutesidus alcalins produit s au niveau mondia l pa r les trois industries

Les eacutemission s d e CO 2 augmentent danneacute e e n anneacute e malgr eacute le s effort s de s entreprise s agrave le s

reacuteduire Pourtant l e protocole du Kyoto (1997) a fixeacute des objectifs d e reacuteduction d e GES pour

tous le s pay s signataires L e protocol e d u Kyot o a fixeacute a u Canad a agrave reacuteduir e d e 6 se s

eacutemissions d e GE S entr e 200 8 e t 201 2 pa r rappor t agrave lanneacute e 199 0 (Environnemen t Canada

2007)

Les quinz e pay s signataire s d e lUnio n Europeacuteenn e on t deacutej agrave attein t lobjecfi f d e 8

reacuteduction d e GES fixeacute pa r Kyoto (AEacuteE 2009) Des pays tels que la France LAllemagne l a

Gregravece l a Suegraved e l e Royaume Un i ont mecircme deacutejagrave attein t u n niveau infeacuterieu r agrave leur objectif d e

Kyoto Le s projection s reacutealiseacutee s pa r lAgenc e Europeacuteenn e pou r lEnvironnemen t (AEacuteE )

deacutemontrent qu e le s politique s climatique s e n vigueu r agrave lheur e actuell e permettron t d e fair e

une reacuteductio n suppleacutementair e d e 3 5 dic i 201 2 gracircc e agrave lacha t d e creacutedit s issu s d e projet s

de reacuteductio n de s eacutemission s meneacute s dan s le s pays tier s (AEacuteE 2009) L e Canad a e t le s Eacutetat s

Unis au contraire ont augmenteacute plus du double leurs eacutemissions de GES

Lameacutelioration d e lefficacit eacute leacutenergeacutetiqu e e t lutilisafio n d e source s alternative s deacutenergi e

pourraient reacuteduir e le s eacutemissions d e CO2 mais ces mesures seron t insuffisante s pou r atteindr e

les objectifs d e Kyoto ca r l a demande mondial e e n matiegravere premiegraver e augment e agrave un rythm e

soutenu Le s besoin s e n acie r e t e n aluminiu m connaicirctron t un e croissanc e d e 3 0 e t 60

par deacutecennie e t lInde estimen t Kuma r et al (2006) Kharoune (2006) ce qui rend neacutecessair e

la recherche d e nouvelle s technologie s d e seacutequestration d u CO2 De plus l a Chine e t lInd e

connaicirctront de s croissance s d e 8 0 agrave 100 pa r deacutecenni e dan s le s mecircme s domaines

Lindustrie d e lacier d e la Chine rejette 5 0 des eacutemissions mondiales du CO2 Dailleurs il

est agrave noter qu e le s eacutemissions d u CO2 par lindustri e d e production d e laluminiu m eacutetaien t d e

96 Mt en 199 0 au niveau mondia l e t elles ont eacuteteacute reacuteduites agrave moins de 25 Mt de CO2 en 2007

une reacuteductio n d e 7 4 alor s qu e l a productio n daluminiu m a doubl eacute pendan t l a mecircm e

peacuteriode d e 19 5 agrave 38 M t (GEIC 2006) Entre 199 0 et 2002 le secteur canadie n d u ciment a

ameacutelioreacute l e rendemen t d e se s four s d e 1 2 e t diminueacute se s eacutemission s d e GE S pa r tonne d e

produits cimentaire s d e 71 En chiffres absolus l a production total e nett e deacutemission s d e

CO2 a augmenteacute d e 23 de 199 0 agrave 2004 Toutefois l a production d e ciment a augmenteacute de

25 a u cour s d e cett e peacuteriode c e qu i expliqu e e n grand e parti e laccroissemen t de s

eacutemissions (Environnemen t Canada 2007) Dan s le s anneacutee s 1950 l a productio n mondial e

dacier eacutetai t denviro n 20 0 millio n d e tormes meacutetriques E n 2006 l e chiffr e seacutelevai t agrave 124 0

Mt dacier

Le Japo n fai t un e bonn e figure dan s l e cadr e d e reacuteduction s d e GES So n industri e dacie r a

reacuteduit d e 6 s a consommatio n deacutenergi e e n 200 5 pa r rappor t a u nivea u d e 199 0 (GEIC

2006) Le s entreprise s eacutemettrice s d e CO 2 doiven t fair e preuv e d e plu s dinnovation s e t d e

recherches technologique s dan s c e sens Louvertur e d e l a bours e d e carbon e depui s ma i

2008 agrave Montreacutea l leu r perme t deacutechange r leur s creacutedit s deacutemissio n d e GE S e t d e s e voi r

reacutecompenseacutees pour leurs efforts

Technique d e reacuteduction de s eacutemissions d e CO2 proposeacutee

Plusieurs proceacutedeacute s son t utiliseacute s pou r limite r le s eacutemission s atmospheacuterique s d e CO 2 qu i

agissent principalemen t su r l a captur e e t l a seacutequestrafio n d e c e gaz Alor s qu e le s proceacutedeacute s

membranaires e t dabsorption son t utiliseacutes pour l e captage d u CO2 le stockage e n reacuteservoir s

geacuteologiques o u miniers e n aquifegravere s salin s o u encor e pa r enfouissemen t oceacuteaniqu e son t

utiliseacutes pour l a seacutequestration (Bonenfan t et al 2006)

Lutilisation de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s issu s de s activiteacute s industrielle s telle s qu e

les alumineries le s acieacuterie s e t le s cimenterie s offren t d e nouvelle s possibihteacute s s e

seacutequestrafion d u CO2 Cett e technologi e es t baseacute e su r u n pheacutenomegraven e chimiqu e simpl e la

formation d e carbonate s stable s suite agrave labsorptio n d u CO 2 par de s composeacute s alcalin s tel s

que le s oxydes de calcium (CaO ) e t de magneacutesium (MgO) Lideacutee dutilise r le s reacutesidus e t les

sous-produits alcalin s afin d e seacutequestrer l e CO2 a eacuteteacute lanceacutee pour l a premiegravere foi s par Seifrit z

(1990) et a eacuteteacute eacutetudieacute en en profondeur pa r Lackner (1995)

La reacuteductio n de s eacutemission s d e CO 2 agrave l a sourc e sinscri t dan s l e cadr e du n processu s d e

gestion durabl e de s matiegravere s reacutesiduelle s e t preacutesent e u n inteacuterecirc t eacuteconomiqu e manifeste Agrave cet

effet l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuteral e e n milieu x aqueu x preacutesent e un e

alternative tregrave s inteacuteressant e (Huijge n et al 200 5 Bonenfan t et al 2006) 1 1 sagit du n

processus nature l menan t agrave l a formatio n de s carbonates produit s thermodynamiquemen t

stables et sans effet neacutefast e su r lenvironnement (Boenfan t et al 2006)

Les mateacuteriau x employeacute s dan s ce s eacutetude s son t de s sou s produit s e t reacutesidu s industriel s agrave

pouvoir alcali n tel s qu e le s scorie s de s acieacuteries le s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s

cendres volante s e t poussiegravere s de s four s de s cimenteries Cett e technologi e pren d un e

importance particuliegraver e s i o n parl e e n terme s d e quantiteacute s de s reacutesidu s produit s pa r ce s troi s

industries (voi r tableau 11 page 6) et qui peuvent ecirctr e utiliseacutes afin d e seacutequestrer l e CO2

En fait le s technologie s existante s d e seacutequestratio n d u CO2 agrave l a diffeacuterenc e d e l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s industriel s alcalins preacutesenten t de s coucirct s eacuteleveacute s d e 5 0 agrave

100 $ par tonn e d e CO 2 seacutequestreacute (Bonenfan t et al 2006 Eloneva 2008) Ces coucirct s eacuteleveacute s

empecircchent leu r application agrave grande eacutechelle

Objectifs d e leacutetud e

Le bu t d u preacutesen t travai l consist e agrave deacuteterminer expeacuterimentalemen t le s meilleurs pouvoirs d e

seacutequestration d u CO 2 pa r le s reacutesidu s e t le s sous-produit s industriel s alcalin s dan s de s

conditions ambiante s dutilisatio n tempeacuterature t = 20degC temps T= 2 4 et 48 heures pression

atmospheacuterique ambiante granulomeacutetrie industrielle)

De cet objectif deacutecoulen t le s sous-objectifs speacutecifique s suivant s

bull deacutetermine r le s critegraveres dutilisation de s mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r leffe t d u pH de la conducfiviteacute e t du pouvoir alcalin des reacutesidus en milieux

aqueux su r la capaciteacute de seacutequestration d u CO2 par les mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r F effet d e la preacutelixiviation de s reacutesidus sur leurs capaciteacutes de seacutequestratio n

du CO2

Pour c e faire de s essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute meneacute s su r troi s type s d e scorie s (HF FP FAEacute)

deux type s d e boue s rouge s (humide s e t segraveches) deu x type s d e reacutesidu s d e cimenterie s

(poussiegraveres de fours e t cendres volantes)

Le preacutesent meacutemoire es t organiseacute comme sui t

Le Chapitr e 1 preacutesent e le s notion s fondamentale s d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO2

Apregraves avoi r list eacute le s plu s grand s eacutemetteur s de s ga z agrave effet s d e serr e nou s feron s l a lumiegraver e

sur le s caracteacuteristique s chimique s d u CO 2 e t le s technologie s existante s d e l a seacutequestratio n

mineacuterale d u CO 2 par le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalins L e Chapitre 2 aborde l a

meacutethodologie de caracteacuterisation de s reacutesidus alcalins Dans cette partie nous nous pencheron t

sur le s critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacutes l a faccedilo n don t le s

paramegravetres e t le s condition s dexpeacuterimentation s son t eacutetabli s e t su r l a meacutethod e danalys e

choisie L e Chapitr e 3 preacutesent e le s reacutesultat s obtenu s lor s de s essais L e Chapitr e 4 a pou r

objectif dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s obtenu s dan s l e cadr e d e cett e

eacutetude Enfin un e conclusion complegravete l e meacutemoire

CHAPITRE 1

REVUE DE LA LITTEacuteRATURE

11 Probleacutematiqu e du CO2

Les activiteacute s humaine s eacutemetten t de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e GE S don t l e CO 2 L a deacuteforestation e t lindustrie de leacutenergie sont les principaux responsables (voir figure 11) Les rejets mondiaux en 2007 suite agrave la deacuteforestafion son t denviron 8 4 Gt de CO2 sur une totale de 38 Gt de CO2 eacutemis dans latmosphegravere La Terre absorbait environ 1 1 Gt de CO2 en 2007 On retrouve un suppleacutement dans latmosphegravere de 27 Gt selon le GIEC (2007)

Les eacutetude s qu i traiten t l e reacutechauffemen t globa l d ucirc au x eacutemission s d e CO 2 pa r lactivit eacute humaine sont tregraves nombreuses Leffet d e serre est un pheacutenomegravene normal et neacutecessaire agrave la vie su r terre C e pheacutenomegraven e s e produi t pa r laccumulatio n de s ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere 1 1 perme t d e mainteni r un e tempeacuterature moyerm e agrave la surface d e l a terre de +18degC (GIEC 2001) San s leffe t d e serr e l a tempeacuterature moyenn e d e l a terre serai t d e -15degC

Deacutef 0 r estatio n et suite s

Proceacutedeacutes industriels

2sltyo ^

r 7 Bacirctiments

reacutesidentiels e t comnterciaux

9ltyo

Industr ies d e leacutenergie

27lty o

) ~ Transpor t

1 7

Figure 11 Reacutepartition par activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004

Tireacute de GIEC (2007)

Pour mieu x comprendr e l a probleacutematiqu e d u reacutechauffemen t planeacutetaire i l import e d e bie n

connaicirctre le s caracteacuteristique s chimique s e t l e cycl e d u CO2 Le s page s qu i suiven t s e

proposent d e faire l a lumiegravere sur le sujet

111 L a chimi e du CO 2

Le dioxyd e d e carbon e a eacutet eacute identifi eacute pou r l a premiegraver e foi s dan s le s anneacutee s 175 0 pa r l e

physicien e t chimist e eacutecossai s Josep h Blac k (Villiers 2009) A tempeacuteratur e ambiant e (20 -

25C) l e dioxyd e d e carbon e es t u n ga z san s couleu r n i odeur qu i es t faiblemen t acid e e t

inflammable I l es t preacutesen t dan s latmosphegraver e dan s un e proportio n approximativemen t eacutegal e

agrave 00375 en volume soi t 375 ppmv (Bourque 2009)

La formul e moleacuteculair e d u dioxyd e d e carbon e es t l e CO2 Cett e moleacutecul e lineacuteair e es t

triatomique composeacute e du n atom e d e carbon e qu i es t reli eacute pa r doubl e liaiso n agrave deux atome s

doxygegravene 0=C=0 Le s atomes doxygegravenes dan s cett e formul e son t seacutepareacute s agrave des angles de

180 deg et son t lieacute s agrave latom e d e carbon e pa r de s liaison s covalente s qu i l a ren d no n polair e

selon Sienk o (1965) Dissou t dan s leau i l form e d e lacid e carboniqu e qu i peu t interagi r

avec de s composeacute s alcalin s tel s le s oxyde s meacutetallique s d e calciu m e t d e magneacutesiu m e t le s

zeacuteolites (Sienko 1965 Auroux et Gervasini 1990)

CO2 + H2 O - ^ H2CO 3 (11 )

Dans leau d e maniegravere reacuteversible lacid e carboniqu e reacuteagi t ave c lea u pou r forme r l e catio n

hydronium HsO^ et lion bicarbonate HCO suivant l a reacuteaction suivant e

H2CO3 + H2 O - ^ HCOs + HsO ^ (12 )

Il peu t seulemen t ecirctr e solid e agrave une tempeacuteratur e infeacuterieur e agrave -78degC L e dioxyd e d e carbon e

liquide existe principalement quan d i l est dissout dans leau

Le dioxyd e d e carbon e es t seulemen t solubl e dan s lea u lorsqu e la pressio n dinjectio n es t

maintenue Les proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2 sont deacutecrites au Tableau 11

Tableaull Le s proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2

Tireacute de Goj et al (2002) Tardat-Hemy e t Beaudry (1984 )

Proprieacuteteacute Masse molair e

Graviteacute speacutecifiqu e agrave 21C Densiteacute critiqu e

Concentration dan s lai r Stabiliteacute Liquide Solide

Constante dHenry d e solubilit eacute Solubiliteacute dans leau agrave agrave 20 degC

Valeur 4401

153 agrave21 468

3703 10 Eleveacutee

Pression lt 4158 Tempeacuterature

29815 09

Uniteacute gmol

-kgm ppm

-kPa

lt -78 degC mol kg bar

volvol

Ces proprieacuteteacutes permetten t a u CO2 de capter le s rayons infr a rouge s provenan t d e la Terre de

lemmagasiner e t passe r agrave u n nivea u deacutenergi e supeacuterieur Lexceacuteden t deacutenergi e es t libeacuter eacute

apregraves dans latmosphegravere causan t ains i leffe t d e serre (GIEC 1990)

112 Cycl e du carbon e

Le carbone es t un eacuteleacutement essenfie l agrave la vie Le carbone sui t u n certain itineacuterair e su r la terre

qui es t appeleacute cycl e du carbone L e cycle du carbone se compose en deux parties le cycle du

carbone organiqu e e t celui d u carbon e inorganique Cett e seacuteparatio n (Bourque 2009 ) es t

artificielle car en reacutealiteacute ces deux cycles se reacutealisent en mecircme temps

Le cycle du carbone es t baseacute sur le dioxyde de carbone (CO2) qui peut ecirctre foumi agrave lair sou s

forme d e ga z e t agrave lea u sou s form e dissoute Le s plante s terrestre s utilisen t l e dioxyd e d e

carbone d e latmosphegraver e pou r creacutee r leur s propre s source s deacutenergi e e t pou r assure r leu r

croissance

10

Lors le processus naturel appeleacute l a photosynthegravese le s plantes libegraveren t de loxygegravene essentie l

agrave l a vie animale Ces t gracircc e agrave l a chlorophyll e qu e le s plantes e t certaine s bacteacuterie s peuven t

effectuer la photosynthegravese

La reacuteaction totale de la photosynthegravese est

6CO2 + 6H2O + Eacutenergie solaire -gt COcircH^O Ocirc + 6O2 (13 )

Les animau x qu i consommen t loxygegraven e libeacuter eacute pa r le s plante s sappellen t de s

consommateurs Ce s dernier s relacircchen t l e dioxyd e d e carbon e dan s latmosphegraver e duran t l e

processus d e l a respirafion L a respiratio n es t linvers e d e la photosynthegravese Agrave parti r d e

loxygegravene libr e O2 elle transforme tout e mafiegravere organiqu e en CO2 selon leacutequatio n chimiqu e

suivante

C6H12O6 + 6 O2 gt 6 CO2 + 6 H2O (14 )

La deacutecompositio n aeacuterobi e e t l a fermentatio n permetten t au x microorganisme s d e libeacutere r l e

CO2 dans latmosphegravere Toutefois l e carbone peu t auss i ecirctr e stock eacute sou s forme d e biomass e

dans le s racine s de s arbre s e t dautre s matiegravere s organique s duran t de s anneacutees Lorsqu e le s

couches d e seacutediment s compressen t cett e matiegravere de s combustible s fossile s seron t formeacutes

apregraves plusieur s siegravecles De s proceacutedeacute s geacuteologique s agrave long term e pourron t expose r l e carbon e

de ce s combustible s agrave lai r apregrave s un e longu e peacuteriode mai s habituellemen t l e carbon e de s

combustibles fossile s es t relacircch eacute lor s d e proceacuted eacute d e combustio n reacutealis eacute pa r lhomm e

(Bourque 2009) Bie n qu e l a combustio n de s combustible s fossile s ajout e d u dioxyd e d e

carbone agrave lair certai n dentr e eu x son t auss i relacircch eacute lor s d e proceacutedeacute s naturels te l qu e le s

eacuteruptions volcaniques Dan s leacutecosystegravem e aquatique l e dioxyde d e carbon e peu t ecirctr e stock eacute

dans le s roche s e t le s seacutediments I l prendra u n lon g temp s avan t qu e l e dioxyd e d e carbon e

soit relacircch eacute pa r l a deacutesagreacutegatio n de s roche s o u de s processu s geacuteologique s qu i apporten t le s

seacutediments agrave la surface d e leau (Bourque 2009)

11

Le dioxyd e d e carbon e stock eacute dan s lea u ser a preacutesen t agrave l a foi s comm e ion s carbonate s o u

bicarbonates Ce s ions fomient un e partie importante des tampons naturel s qui empecircche lea u

de deveni r tro p acid e o u tro p basique Lorsqu e l e solei l chauff e leau le s ion s carbonate s e t

bicarbonates retourneron t dan s latmosphegravere sou s forme d e dioxyde de carbone (Falkowsk i et

al 1998 Huntzinger 2009)

En 2003 Yamasak i estimai t agrave 1 4 G t l a quantiteacute d e carbone captur eacute d e latmosphegraver e pa r le s

systegravemes terrestre s agrave laid e d e l a photosynthegravese Selo n ce t auteur loceacutea n emmagasin e plu s

de carbon e qu e l a veacutegeacutetafio n terrestre soi t 3 8 000 Gt L e phytoplancto n emmagasin e 5 0 agrave

100 G t d e carbon e qu i soi t un e quantit eacute beaucou p plu s important e qu e cell e emmagasineacute e

par la veacutegeacutetation terrestre

Les figure s 1 2 e t 1 3 montren t qu e l e gran d reacuteservoi r d e carbon e es t constitu eacute

principalement pa r le s roche s seacutedimentaires Loceacutea n repreacutesent e auss i u n autr e grand

reacuteservoir surtou t agrave de s profondeur s supeacuterieure s agrave 10 0 m L e seacutejou r d u carbon e dan s le s

reacuteservoirs deacutepend du type de reacuteservoir ougrave il se trouve

Le seacutejou r d u CO 2 est d e quatr e an s dan s latmosphegravere d e 1 1 ans dan s l a biosphegravere d e 38 5

ans dan s lhydrosphegraver e superficiell e (oceacutean d e 0 agrave 10 0 m) d e plu s d e 10 0 K a (millier s

danneacutees) dan s loceacutean profon d e t de quelques 200 Ma (millions danneacutees) dan s la lithosphegraver e

(Bourque 2009) Le cycl e d u carbone es t composeacute d e plusieurs sous-cycle s qu i duren t d e l a

deacutecennie (l e recyclag e d u CO 2 pa r le s plantes ) au x centaine s d e million s danneacutee s (l e

recyclage d u carbon e organiqu e pa r lintermeacutediair e de s roche s seacutedimentaire s o u de s

hydrocarbures pa r exemple)

12

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Figure 12 L e cycle du carbone organique Tireacute de Bourque (2009)

Figure 13 L e cycle du carbone inorganique Tireacute de Bourque (2009)

13

12 Technologie s d e captage et de seacutequestration du CO2

121 Technologie s d e captage du CO2

Afin d e contre r le s effet s neacutefaste s d u reacutechauffemen t climatiqu e plusieurs technologie s d e

captage e t de seacutequestration d u CO2 on t eacuteteacute deacuteveloppeacutees ce s derniegraveres anneacutees L a majoriteacute d e

ces technologie s n e son t pa s encor e implanteacute e agrave leacutechell e industrielle ca r leur s faible s

efficaciteacutes e t leur s coijt s eacuteconomique s eacuteleveacute s ont empecirccheacute s leu r implantatio n (Herzo g et al

1997 Herzog 2001 Yang et al 2008) Dan s cett e partie nou s deacutecrieron s briegravevemen t le s

technologies d e captag e d u CO 2 et nou s nou s attarderon s plu s e n deacutetai l su r le s technologie s

de seacutequestration d u C02par des mateacuteriaux alcalins

Proceacutedeacutes dadsorption pa r les amineacutes

Les technologie s baseacutee s su r labsorptio n d u CO 2 par le s amineacute s son t le s plu s freacutequemmen t

ufiliseacutees dan s le s industrie s peacutetroliegraveres dextractio n d u ga z nature l e t d e l a productio n

dammoniaque (Lia o et al 2002 Ra o et al 2002) L a mon o eacutethylamin e (MEA ) pa r

exemple reacuteagi e ave c l e CO 2 e t form e l e carbamat e d e MEA O n utilis e l a solutio n d e ce t

composeacute afin dextrair e d u CO2 tregraves pur (Stewart e t Hessami 2005)

Ces technologie s offren t de s rendement s d e captag e d u CO 2 varian t d e 7 5 agrave 9 0 e t de s

grades d e puret eacute d u CO 2 supeacuterieur s agrave 9 9 Malgr eacute de s rendement s satisfaisants ce s

technologies ont de s inconveacutenient s majeur s le s coiit s dinvesfissemen t e t dexploitatio n

sont eacuteleveacutes lufilisatio n dinhibiteur s d e corrosio n e t doxydafio n e t leur s rendement s

deacutependent de s condifion s dutilisafio n (Jo u et al 1995) L a consommatio n deacutenergi e es t

eacutegalement tregrave s eacuteleveacutee (Fauth et al 2005)

Proceacutedeacutes dadsorptio n pa r les zeacuteolites e t les charbons actif s

Les mateacuteriaux tel s que le s zeacuteolites e t les charbons actif s ont de s surfaces speacutecifique s eacuteleveacutee s

(gt 150 0 m^g ) e t adsorben t seacutelectivemen t diffeacuterent s ga z e n fonctio n d e leu r superficie l a

taille des pores et les volumes de pores (Rege et Yang 2001)

14

Ce processu s repos e su r la neutralisatio n du n ga z acid e for t (CO2 ) pa r un e bas e faibl e

(absorbant) Il s opegraverent agrave des cycles dites de pression PSA (Pressure-Swing-Adsorption) o u agrave

des cycles thermiques TSA (Thermal-Swing-Adsorption)

Ce typ e dadsorpfio n peu t atteindr e u n rendemen t denlegravevemen t d u CO 2 denviro n 9 2

Toutefois le s zeacuteolithe s n e son t pa s efficace s pou r capte r l e CO 2 eacutemi s pa r le s centrale s agrave

charbon car la consommation deacutenergi e es t tregraves eacuteleveacutee (Maroto-Valer 2005)

Proceacutedeacutes membranaire s

Ces technologie s utilisen t de s membrane s constitueacutee s du n polymegraver e deacutepos eacute su r u n suppor t

microporeux o u meacutetalliqu e o u du n film liquid e absorban t immobilis eacute su r u n suppor t d e

polymegravere (Fero n et al 1992 Herzog et a1997 Herzog 2001) L e CO2 est mis en contac t

avec l a membran e e t l e polymegraver e o u l e film liquid e qu i facilit e so n transpor t agrave traver s l a

membrane a u deacutetrimen t de s autre s polluants Ce s proceacutedeacute s offren t plusieur s avantage s pa r

rapport au x autre s proceacutedeacute s pa r leur s simpliciteacute s e t leur s stabiliteacutes Toutefois ce s

technologies preacutesenten t d e seacuterieu x deacutesavantage s don t de s coucirct s dutilisatio n eacuteleveacutes de s

rendements d e captag e d u CO 2 infeacuterieur s agrave 8 0 un e faibl e seacutelectiviteacute e n plu s d e n e

pouvoir traiter que des effluents ayan t de faibles concentration s en CO2 (Yang et al 2008)

122 Technologie s d e seacutequestration d u CO 2

Laugmentation constant e de s activiteacute s industrielle s de s acieacuteries de s cimenterie s e t de s

alumineries a pour conseacutequenc e no n seulemen t laccroissemen t de s eacutemission s d u CO 2 mais

aussi laccumulatio n d e millions de toimes de reacutesidus alcalins partout dan s l e monde Le deacutef i

pour ce s entreprise s e t pou r l e mond e d e l a recherch e es t d e taill e utilise r ce s reacutesidu s

industriels afi n d e limite r (seacutequestrer ) un e parti e d u CO 2 eacutemi s dan s latmosphegravere E n fait

cest depui s le s quinz e demiegravere s anneacutee s qu e l a recherch e essay e agrave reacutepondr e agrave cett e

probleacutemafique

15

Les effort s le s plus consistant s reposen t su r l e deacuteveloppement dun e technologi e utilisan t le s

scories de s acieacuterie s e t le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s comm e matrice s afi n d e

seacutequestrer l e CO 2 (Hujge n e t al 2005 Kharoune 2006) Quan t agrave lutilisatio n de s boue s

rouges de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e cimenterie s son t dan s leur s

premiegraveres phases dessais

Les technologie s d e seacutequestratio n d u CO 2 o n peu t le s classifie r e n quatr e cateacutegorie s l a

seacutequestration oceacuteanique l a seacutequestratio n biologiques l a seacutequestratio n geacuteologiqu e e t l a

seacutequestration mineacuterale s des mateacuteriaux alcalins Il importe de mentionner qu e la deacutefinition d e

technologie es t peut-ecirctr e inexacte ca r l e pheacutenomegraven e d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r de s

matiegraveres alcaline s es t u n pheacutenomegraven e naturel Toute s ce s laquotechnologies raquo permetten t l a

seacutequestration d u CO2 agrave tregraves long s termes (plusieur s millier s agrave plusieurs million s danneacutees ) agrave

lexception d e l a seacutequestration d u CO2 par l a biomasse de s veacutegeacutetaux qu i n e l e seacutequestre qu e

pour une cinquantaine danneacute e (Santos 2006)

La seacutequestration oceacuteaniqu e

Les oceacuteans ont u n potentie l d e seacutequestration d u CO2 tregraves eacuteleveacute plus de 100 0 Gt (AMPERE

2006) mai s l a dureacute e d e reacutetentio n d u CO 2 est beaucou p plu s court e qu e le s autre s type s d e

seacutequestration L e CO2 injecteacute agrave 1500 m de profondeur libegraver e 1 8 de la quantiteacute seacutequestr eacute du

CO2 apregraves 200 ans de stockage (Hanish 1999) Ceci sexpliqu e pa r l e fai t qu e le CO2 dissout

dans lea u s e transforme e n acid e carboniqu e H2CO 3 qui baiss e l e p H d e lea u marine De s

ions bicarbonates HCO3 et des ion s carbonates COs^ sont libeacutereacute s dans lea u qu i agrave leu r tou r

vont reacuteagi r ave c le s ions meacutetallique s qu i s e trouvent dans lea u pou r former de s sel s tels que

la calcit e CaCO s (carbonat e d e calcium ) e t l a dolomit e CaMg(C03)2 L a formatio n d u

carbonate d e calciu m CaCO j produi t deu x pheacutenomegravenes l e premie r es t celu i d e

laugmentation d e la concentration e n acide carbonique qu i peut auss i seacutecrir e CO 2 + HO et

par voi e d e conseacutequence d e cell e d u CO 2 et l e deuxiegravem e es t celu i d e l a reacuteductio n d e l a

concentration e n ions bicarbonates ce qui va provoquer une baisse du pH

C02(g) + CaC03(s) + H2O -^ Ca-(aq ) + 2 HCO3 (aq) (15 )

16

Les concentration s eacuteleveacutee s d e CO 2 suites agrave l a productio n d e CaCO s provoquen t l a creacuteatio n

dun gradien t entr e loceacutea n e t latmosphegravere qu i favoris e un e diffusio n d u CO 2 de loceacutea n ver s

latmosphegravere (Bourque 2009)

Un autr e inconveacutenien t d e cett e meacutethod e es t l a distanc e su r laquell e l e CO 2 reacutecupeacuter eacute de s

usines doi t ecirctr e transporteacute pou r atteindre loceacutean L e coiagravet de cette meacutethod e d e stockage a eacuteteacute

estimeacute entre 1 8 et 12 8 $ par tonne de CO2 seacutequestreacute (AMPERE 2006)

La seacutequestration geacuteologiqu e

Le stockag e geacuteologiqu e d u CO 2 preacutesente un e autr e alternativ e inteacuteressant e pou r limite r le s

eacutemissions d e ga z dan s latmosphegravere LOues t canadie n pa r so n relie f e t se s caracteacuterisfique s

geacuteologiques sembl e lendroi t ideacuteal car les reacuteservoirs geacuteologique s peuvent recevoi r toute s le s

eacutemissions de CO2 qui seront produites au Canada dans les prochaines anneacutees

Toutefois plusieur s chercheur s sinquiegraveten t d e limpact d e ce gaz stockeacute agrave des pressions tregrave s

eacuteleveacutees su r le s paroi s rocheuse s (Reeve 200 0 His 2003 Thoma s e t Kerr 2005 Montes -

Hemandez 2009) L a dissolutio n d u CO 2 peu t cause r l a formatio n de s carbonates de s

oxydes meacutetallique s e t de s hydroxyde s qu i agrave longues terme s peuven t affecte r l a solidit eacute de s

reacuteservoirs (Montes-Hemande z 2009) L a seacutequestrafio n geacuteologiqu e d u CO 2 s e deacuteroul e e n

trois eacutetape s l e captage l e transpor t e t linjectio n d u gaz L e captag e es t leacutetap e l a plu s

coucircteuse du processus (GIEC 2005)

De plus plus des deu x tier s du coucirc t du captage e t du stockage d u CO2 provenant de s ga z de

combustion y sont accapareacute s pa r sa seacuteparation e t so n traitement Ce s coucircts eacuteleveacutes preacutesenten t

(40 agrave 7 0 $ ustonne d e CO2 ) l e principal obstacl e agrave l a commercialisatio n de s technologie s

de stockage du CO2 au Canada (Reeve 2000)

17

Stockage dans les gisements de gaz ou de peacutetrole

Cette technologie es t en cours de deacuteveloppement Le s gisements de gaz et de peacutetrole peuven t

servir d e reacuteservoir s naturel s d u CO2 Ce s reacuteservoir s offren t de s potentiel s d e seacutequestratio n

supeacuterieurs agrave 18 0 Gt de CO2 (Reeve 2000)

De nombreuse s expeacuterimentation s son t e n cour s a u Japon au x Eacutetats-Uni s e t e n Europe L e

CO2 capt eacute peu t ecirctr e inject eacute e t emprisonn eacute dan s de s structure s geacuteologique s telle s qu e de s

veines d e charbo n inexploitables de s gisement s eacutepuiseacute s d e ga z o u d e peacutetrol e o u de s roche s

poreuses Un e foi s aboutie cett e technologi e permettrai t d e reacuteduir e massivemen t le s

eacutemissions d e c e ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere U n aspec t inteacuteressan t d e cett e

technologie es t le transport direc t du CO2 des usines vers les sites de stockage

Les grand s eacutemetteur s d e CO 2 tel s qu e le s alumineries le s acieacuteries le s cimenterie s e t le s

raffineries d e peacutetrol e peuven t utilise r facilemen t cett e technologi e (Montes-Hemandez

2009)

Stockage dans le s formations houillegravere s

Une autr e possibilit eacute d e seacutequestrafio n d u CO 2 es t linjecfio n dan s le s formafion s houillegravere s

(Mastalerz et al 2004) Le meacutethane (CH4) a la proprieacuteteacute de saccrocher au x paroi s rocheuse s

mais l e CO2 une foi s injecteacute deacuteplac e l e meacutethan e pou r prendr e s a place Cett e technologi e

preacutesente u n avantage consideacuterable l a vente du meacutethane ains i produi t peu t aide r agrave compenser

le coucirc t d e l a seacutequestratio n d u CO2 Deacutependan t d u typ e d e charbo n utilis eacute le s eacutetude s d e

laboratoire indiquen t quentr e deu x e t di x moleacutecule s d e CO 2 son t absorbeacutee s pou r chaqu e

moleacutecule d e meacutethan e libeacuter eacute (Stanto n et al 2001 Pa n e t Connell 2009) Linconveacutenien t

majeur d e cett e technologi e es t l a faible porosit eacute d e l a surface d u charbo n qu i s e tradui t pa r

un mauvais contac t du CO2 avec lensemble de la surface d u charbon

18

Stockage dans le s aquifegraveres salin s

Les reacuteserves planeacutetaires en eau saline deacutepassent largemen t celle s du peacutetrole e t de gaz naturel

Leurs potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 sont consideacuterables plu s 700 0 milliard s d e tonne s

de CO2 (Yang 2008)

Les aquifegraveres son t de s formation s geacuteologique s constitueacutes d e roches permeacuteable s contenan t d e

leau mobiliseacute e quelle s son t capable s d e restitue r naturellemen t (Herzo g et al 1997

Herzog 2001) Une telle technologie es t deacutejagrave utiliseacute e en Norvegravege o ugrave l a plate-forme offshor e

de ga z nature l d e Sleipne r inject e u n millio n d e tonne s d e CO 2 par anneacute e agrave 100 0 megravetr e d e

profondeur dan s la mer du Nord (Santos 2005)

Stockage dans la biomass e

Tel qu e expliqu eacute agrave l a sectio n 11 2 lor s d u processus d e l a photosynthegravese le s plantes verte s

absorbent d u CO 2 de latmosphegraver e afi n d e l e converti r e n glucos e e t e n dautre s substance s

indispensable agrave leu r survie Lor s d e l a respirafio n cellulair e l e glucos e es t laquobmleacute raquo pou r

produire d e leacutenergi e qu i ser t agrave mainteni r le s foncfion s vitale s de s veacutegeacutetau x (Campagna

1996) Les forecircts e t les algues marines sont les principaux reacuteservoir s vert s du CO2

Les forecirct s

Les arbre s duran t leu r croissance absorben t e t stocken t l e CO 2 de lai r jusquagrave c e qu e leu r

bois soi t brucircl eacute o u deacutecompos eacute naturellement Le s forecirct s contiennen t 8 0 d e l a biomass e

continentale (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s fonctionnen t donc duran t u n certai n temp s

comme de s puit s d e CO 2 e t contribuen t agrave reacuteduir e leffe t d e serre Un e forecirc t es t consideacutereacute e

comme pui s d e carbon e quan d ell e absorb e e t stock e l e CO 2 d e maniegraver e durabl e dan s l a

biomasse faisan t d e sort e qu e l a teneu r e n CO 2 d e latmosphegraver e diminue L a biomass e

aeacuterienne de s jeunes forecirct s agrave croissance rapid e fixe plus de gaz carbonique quell e nen rejett e

(Campagna 1996) Toutefois le s arbres mures des forecircts seacutequestren t tregrave s peu de CO2 Apregraves

une peacuteriode de 50 ans la forecirct es t consideacutereacutee mature

19

Ce nest pa s l e taux de fixation d u carbone qu i es t deacuteterminant mai s l e temps pendant leque l

il es t stock eacute dan s l a biomass e (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s e t le s autre s type s d e

veacutegeacutetation peuven t capte r e t transforme r entr e 2 0 e t 30 de s eacutemission s causeacutee s pa r la

combustion deacutenergie s fossiles e t cett e valeu r pourrai t encor e ecirctr e augmenteacute e pa r de s

reboisements Cependant o n admet que tous les puits de CO2 du monde seron t satureacute s dici agrave

2050 Pa r ailleurs le s puit s actuel s pourraien t auss i deveni r de s source s d e CO 2 s i

latmosphegravere devai t s e reacutechauffer Fischli n et al (2006 ) considegraver e que n ca s d e

reacutechauffement climatiqu e selo n le s modegraveles preacutevisionnels actuels le s peacuteriodes de seacutecheress e

(entraicircnant u n risqu e acc m dincendi e e t u n affaiblissemen t de s arbres) voir e le s tempecirctes

pourraient s e muhiplie r globalemen t e t localement dougrave entr e autres un e possibl e

augmentation de s attaque s pa r de s insectes Tou s ce s facteur s pourraien t fair e mouri r le s

arbres qui agrave leur tour une fois deacutecomposeacutes libeacutereront du CO2 dans latmosphegravere

Algues marine s

Les algue s marine s agrave l a surfac e de s oceacutean s jouen t u n rocircl e importan t dan s leacutecosystegravem e

marin Le s micros-algue s utilisen t le s rayon s d u solei l pou r leu r croissanc e eacutetan t donn eacute

quelles son t source s deacutenergi e e t permetten t d e transforme r l e CO 2 e n composant s

organiques (Herzo g et al 1997 Herzog 2001) Elle s repreacutesenten t l a base nutrifionnell e d e

la vi e marin e e t terrest e car elle s produisen t plu s d e 9 0 d e lactivit eacute photosyntheacutetiqu e

repreacutesentant pa r l e fai t mecircm e l a premiegravere sourc e doxygegravene su r la Terre Les expeacuteriences ont

deacutemontreacute qu e le s rendement s d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s algue s marines l e

zooplancton e t les bacteacuteries ont quadmpleacute suite agrave la fertilisation de s algues en ajoutant 800k g

de fe r su r un e surfac e d e 4 9 k m dan s loceacutea n Atlantiqu e Su d mai s ell e peu t repreacutesente r

certains dangers comme l e deacuteseacutequilibre de la flore marine (Herzog 2001)

La manipulatio n geacuteneacutetiqu e es t un e autr e voi e qu i permettr a au x algue s agrave augmente r leu r

pouvoir de seacutequestration d u CO2

20

Cette voie a eacuteteacute envisageacutee pour creacuteer des algues reacutesistantes agrave un environnement pauvr e en fe r

et ains i augmente r l a prolifeacuteratio n de s algue s marines mai s de s plante s marine s pouvan t

prolifeacuterer abondammen t dan s u n milie u carenc e e n fe r pourraien t induir e de s reacuteaction s e n

chaicircnes impreacutevisible s dan s le s eacutecosystegravemes marin s (Herzog 2001) Le s eacutetudes portant su r l a

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s son t beaucou p moin s

nombreuses

13 Seacutequestratio n d u CO2 par des mateacuteriaux alcalin s

Puisque l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s es t lobjecti f

principal d e l a preacutesent e eacutetude l a revu e deacutetailleacute e d e l a litteacuteratur e su r l e suje t es t preacutesenteacute e

dans cette section

Plusieurs recherche s (Lackne r et al 199 5 Stolarof f et al 200 5 Huijge n et al 2005 -

2006 Soong et al 200 6 Bonenfant et al 200 8 Montes-Hemandez et al 2008-2009 ) ont

proposeacute l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 comme un e altemativ e afi n reacuteduir e le s eacutemission s

de CO2 dans latmosphegravere e n ufilisant le s reacutesidus alcalins tels que les deacutechets municipaux le s

cendres volante s de s fours d e l a saumure le s deacutechet s d e beacuteto n e t d e ciment le s scorie s

dacier e t les boues de deacutesencrage des papeteries

131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriaux alcalins les fondement s

Lideacutee d e la seacutequestration mineacuteral e du CO2 a eacuteteacute lanceacutee par Seifritz e n 199 0 et a eacuteteacute eacutetudieacute en

en profondeur pa r Lackne r dan s les deacutebuts des anneacutees 90 Cette technologi e es t baseacutee su r un

pheacutenomegravene chimiqu e simpl e la formation d e carbonates stable s suit e agrave ladsorption d u CO2

par de s composeacute s alcalin s tel s qu e le s oxyde s d e calciu m (CaO ) e t d e magneacutesiu m (MgO )

(Lackner 1995) Les efforts le s plus consistants son t poseacutes su r linvention dun e technologi e

utilisant le s scorie s de s acieacuteries le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s e t le s mineacuterau x

alcalins tels que lolivine l a serpenfine l e wollostonite comm e matrice s afi n d e seacutequestrer l e

CO2

21

Quant agrave lutilisatio n de s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e

cimenteries son t dan s leur s premiegravere s phase s dessais E n fait i l exist e deu x type s d e

seacutequestration mineacuterale du CO2 ex-situ et in-situ

La seacutequestration ex-situ

Cette technologie es t appeleacutee ex-situ car on utilise les mineacuteraux alcalin s qui se trouvent dan s

la nature tel s que la serpentine lolivine l e wallostonite l e talc et c pou r l a seacutequestratio n d u

CO2 Linteacuterecirc t dutilise r le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalin s pou r l a seacutequestratio n

du CO 2 consiste dan s l e fai t qu e c e processus es t exothermiqu e e t qui l perme t l a formatio n

de carbonate s stable s (Lackner 199 5 Khoo e t Tan 2006 ) gracircc e agrave leur s teneur s eacuteleveacutee s e n

oxydes de magneacutesium (MgO ) et de calcium (CaO ) (Proctor et al 2000 ) comme l e deacutemontre

le tableau 12

La serpenfin e e t lolivin e ont eacutet eacute identifieacutee s pa r plusieur s (Beara t et al 2006 Kho o e t Tan

2006 Checircne al 2006 Huijge n et al 200 6 Krevor e t Lackner 200 9 Prigiobbe et al

2009) comme les mineacuteraux le s plus prometteurs agrave utiliser pour l a seacutequestration d u CO2 gracircce

agrave leurs pouvoirs alcalins et les quantiteacutes eacuteleveacutees quon trouve dans l a nature

Ces mineacuterau x doiven t ecirctr e transporteacute s pregrave s de s usine s eacutemettrice s d e CO 2 et broyeacute s avan t

decirctre utiliseacute s pour l a seacutequestration d u CO2 Le concept es t baseacute su r l e pheacutenomegravene nature l d e

lalteacuteration de s mineacuterau x alcalin s pa r l e CO 2 dan s leque l le s silicate s d e calciu m o u d e

magneacutesium son t transformeacute s e n carbonates L a carbonatatio n mineacuteral e engloban t tou s le s

mineacuteraux alcalin s es t preacutesenteacutee par les reacuteactions ci-dessous (Kho o et Tan 2006)

(Ca Mg)Si03(s) + C02(g) -gt (Ca Mg)C03(s) + Si02(s) + 90 kJmole (16 )

La reacuteactio n 1 6 deacutemontr e l e potentie l d e transforme r naturellemen t de s mineacuterau x riche s e n

silicates de magneacutesium e t de calcium en carbonates e t en silice

22

Tableau 12 La teneur en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Mateacuteriaux (mineacuterau x

alcalins)

Peridotite Dunit e (olivine )

Hazburgite

Lhezhorlite

Serpentine

Gabro

Basait

Talc

Wallastonite

Teneur en Mg O

masse

495

454

281

400

100

62

440

-

Teneur en CaO

masse

03

07

73

0

130

94

-

350

De tout e eacutevidence l a capacit eacute d e seacutequestre r l e CO 2 pou r le s reacutesidu s alcalin s deacutepen d

directement de la proportion des oxydes meacutetalliques de calcium et de magneacutesium (CaO et de

MgO) e t leur s hydroxyde s respectif s Ca(0H) 2 e t Mg(0H 2 contenue s dan s l a matric e de s

deacutechets (Montes-Hemandez et al 2009)

Dans de s condition s ideacuteale s e n suivan t l a reacuteacfio n 16 un e tonn e d e serpentin e peu t

seacutequestrer enviro n une demi-tonne de CO2 et une tonne de lolivine peu t seacutequestrer enviro n

deux fiers dune tonn e d e CO 2 (Khoo e t Tan 2006) L a reacuteaction es t exothermiqu e e t ell e

libegravere 90 kJmole de CO2 Le s eacutetudes deacutemontrent que le processus de carbonatation aqueuse

suit deu x eacutetapes a ) l a dissolutio n de s cafion s e n solutio n suiv i pa r b ) l a nucleacuteatio n e t l a

croissance des preacutecipiteacutes de carbonate (Park et Fan 2004 Maroto-Valer et al 200 5 Krevor

et Lackner 2009)L a raiso n principal e d e lutilisatio n d e ce s mineacuterau x es t labondanc e d e

ces derniers dans la nature

23

Les quanfiteacutes de serpentine en particulier son t largement disponibles dans le monde entier de te l poin t quo n peu t seacutequestre r tou t l e CO 2 qui peu t ecirctr e geacuteneacuter eacute agrave parti r d e toute s le s reacuteserves planeacutetaires en charbon Leur faible coucirct combineacute avec le caractegravere exothermique du processus d e carbonatation (reacuteacfio n 16 ) son t le s deu x principaux argument s qu i peuven t justifier l e deacuteveloppement d e ce proceacutedeacute au niveau industrie l (voi r figur e 14) Malgr eacute le s avantages deacutecrit s ci-dessus l a seacutequestratio n d u CO2 par l a carbonatatio n mineacuteral e es t un processus qu i est limiteacutee par l a lenteur de la reacuteaction de carbonatation e t notamment d e la lenteur d u taux d e dissolution de s silicate s dans des conditions faiblement acide s (Chen et al 2008)

^bulliltNr- -gtv v

Serpentine

r-^BoMWraquo iuml ^ Olivine

Pipeline

Vision 21 Power Plant bullwr

ww-

mdashp

1

te Minerai Carbonation Plant

AfSOk^KP^

^agnesItB amp Sillca Constructio n Mateacuteriel Industiial Reagents Mine Reacuteclamation

Figure 14 L a seacutequestration du CO2 par carbonatation mineacuterale Tireacute de Goldberg (2001 )

Le renforcement d e la vitesse de la dissolution a eacuteteacute identifieacute comm e lune des principales opportiiniteacutes pour la reacuteduction des coucircts directs de ce processus (Krevor et Lackner 2009) Les coucircts dutilisation d e ces mineacuteraux sont faibles mais les coucircts de transports eacuteleveacutes Ils peuvent donc limiter leur utilisation en grande eacutechelle pour la seacutequesti-ation du CO2 La consommation deacutenergi e associeacute e a u broyage de s mineacuteraux repreacutesenten t 7 5 du coucirct total de leacutenergie demandeacutee de tout le processus de seacutequestration du CO2

24

Ces coucirct s peuvent augmente r jusqu agrave 90 s i on vise agrave obtenir un e granulomeacutetri e d e moin s

de 75 mm (Krevo r e t Lackner 2009) De plus les mineacuteraux alcalin s ne se comportent pa s de

la mecircm e faccedilo n lor s l e processu s d e l a carbonatafion Le s serpentine s reacuteagissen t plu s

facilement tandi s qu e l a peridotit e es t l a plu s difficil e agrave carbonater Pou r avoi r de s

rendements satisfaisant s (4 0 agrave 8 0 ) d e carbonatation i l fau t augmente r l a tempeacuterature au -

dessus d e 150deg C et ajoute r de s solutions tampons telle s qu e l e chlorure d e sodium (NaCI ) et

bicarbonate d e sodiu m (NaHCOs ) o u ajoute r de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e acid e

chlorhydrique (HCl ) afi n dacceacuteleacutere r l a reacuteactio n d e formatio n de s carbonate s (Che n et al

2008)

La seacutequestration in-situ

Lutilisation de s reacutesidu s e t de s sous-produit s alcalin s issu s d e lactivit eacute industriell e de s

alumineries des acieacuteries e t des cimenteries est une autre altemative d e seacutequestration d u CO2

Ces mateacuteriau x alcalin s (boue s rouges scories poussiegravere s d e fou r e t cendre s volantes ) son t

produits pa r ce s usine s e t gracircc e agrave leur haute teneur e n Mg O e t CaO il s peuvent ecirctr e utiliseacute s

sur place (in-situ) pou r seacutequestrer l e CO2 eacutevitant ainsi le s coucircts de transport

Les boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouge s son t de s reacutesidus industriel s issu s du processus dextractio n daluminiu m agrave

partir d e l a bauxit e (proceacuted eacute Bayer) Ce s reacutesidu s (Doy e e t Duchesne 2003 ) on t u n p H

supeacuterieur agrave 1 2 et sont produit s agrave un taux de 2 tt daluminium commercialis eacute (Vacho n et al

1994) Le s boue s rouge s son t stockeacutee s soi t a u fon d de s oceacutean s (France Allemagne) soi t

preacutes des usines comme au Canada (Vachon et al 1994)

La production de s boues rouges en 2006 ses t chiffreacutee agrave 90 Mt dan s l e monde dont 3 Mt au

Canada e t o n preacutevoi t un e augmentatio n d e productio n d e 6 0 pa r deacutecenni e (Kharoun e et

al 2006) Le s grande s aluminerie s peuven t e n geacuteneacutere r jusqu agrave 67 5 00 0 tonne s pa r anneacute e

(Doye et Duchesne 2003)

25

Le tablea u 1 3 deacutemontr e qu e le s boue s rouge s on t un e teneu r eacuteleveacute e doxyd e d e calciu m

(CaO) et elles peuvent donc ecirctre ufiliseacutees afi n d e seacutequestrer l e CO2

Tableau 1 3 L a composition chimiqu e moyenne des boue s rouge s

Tireacute de Cabeza e t al (2003)

Composition en masse

AI2O3

10-20

CaO

2-8

FejOj

30-60

NazO

2-10

SiOz

3-50

TiOj

trace-10

Les scories des acieacuterie s

Lindustrie canadienn e d e lacieacuterag e constitu e l e secteu r l e plu s importan t d e l a meacutetallurgi e

du pay s (Mikhai l e t Aota 2006) Dix-sep t acieacuterie s exploiten t 2 1 usine s dan s hui t province s

canadiennes Dan s le s usine s inteacutegreacutees toute s situeacutee s e n Ontario de s haut s foumeau x

produisent d u fe r primair e agrave partir d e matiegraveres brute s comm e d u minera i d e fer d u charbo n

et de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006)

Les quatr e cateacutegorie s de s scorie s (Kharoun e et al 2006 ) deacutesigneacutee s selo n leu r proceacuted eacute d e

fabrication son t le s scorie s FO P (fou r agrave oxygegraven e pur) le s scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c

eacutelectrique) le s scorie s H F (hau t foumeau ) e t le s scorie s F P (fou r poche) Lutilisatio n de s

scories dan s l e bu t d e seacutequestre r l e CO 2 es t important e s i o n considegraver e qui l s e produi t

actuellement 1 4 Mt a u Canada 2 1 M t au x Eacutetat s Uni s e t 35 0 M t d e scorie s dan s l e mond e

dont 19 0 M t d e typ e H F (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e tonn e dacie r produit 02 8 agrave 1

tonne CO2 sont eacutemis dans latmosphegravere

Ce son t le s pH eacuteleveacute s (1 2 agrave 13 ) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxyde s meacutetallique s (Huijge n et

al 2005 ) le s raisons principale s d e lutilisatio n de s scories comm e substra t d e seacutequestratio n

du CO2 comme l e deacutemontre l e tableau 14

26

Tableau 1 4 La composition chimiqu e moyenne de s scorie s

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Composants (Vo en masse )

CaO Si02

A1203 MgO FeO MnO

Types de scorie s

FAEacute 30-40 10-20 lt10 lt10

15-35 lt10

FOP 42-52 9-13 05-3

1-8 15-35 3-10

FP 48-52 8-10 15-25 8-10 2-4 lt4

HF 39-42 33-39 9-13 6-9

0-01 01-05

Les scories FOP et FP sont plus riches en calcium qu e celle FAEacute tandis que les scories FP

sont plus riches on oxyde daluminium Le s teneurs en meacutetaux lourd s sont faibles pou r les

trois types de scories eacutetudieacutees

Les poussiegraveres de four des cimenterie s

Les poussiegravere s d e fou r d e cimenterie connue s auss i sou s l e no m d e laquo ceacutemen t kil n dus t raquo

(CKD) son t de s reacutesidu s industriel s reacutecupeacutereacute s pa r le s filtres eacutelectrostatique s lor s d e l a

fabrication d u clinke r (Doy e e t Duchesne 2003) Geacuteneacuteralement 1-1 5 tonne s d e calcair e e t

de 0 5 tonne s d e charbo n son t utiliseacute s pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e clinker L a

consommation deacutenergi e pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e cimen t seacutelegravev e agrave 4000 M J dont

pregraves de 80 est dorigine thermiqu e e t le reste de leacutenergie eacutelectrique E n outre 08-1 tonn e

de CO 2 est eacutemis e dan s latmosphegraver e pa r tonn e d e clinke r produit e (Kuma r et al 2006) L a

production mondial e des CKD seacutelegraveve agrave 30 millions de tonnes Une tregraves faible proportio n (15

) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x dan s le s industrie s agricole s e t d e l a

construction (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003)

Il fau t note r qu e jusque agrave l a fin des anneacutees 9 0 pregraves d e 4 millions d e CK D s e retrouvaient e n

tas ou dans des eacutetangs agrave cocircteacute des usines en Ameacuterique du Nord (Doy e e t Duchesne 2003) De

nos jours presqu e toute s le s CK D son t recycle s dan s l e processu s d e fabricatio n d u cimen t

(Huntzinger 2009)

27

Le tableau 1 5 deacutemontr e qu e le s CK D son t rich e e n oxyde s d e calcium Elle s possegraveden t u n

potentiel ne t d e neutralisatio n tregrave s eacutelev eacute (42 6 k g CaC03t) u n p H d e 126 un e reacuteserv e

importante e n sulfate s (10 3 SO4 ) ains i qu e de s concentration s e n meacutetau x lourd s plu s o u

moins importantes de lordre d e ppm tels que Cr Pb et Zn (Doye e t Duchesne 2003)

Tableau 1 5 La composifion chimiqu e moyenne des CK D

Tireacute de Corish et Coleman (1995)

Composition en mass e

Poussiegraveres d e four (CKD )

AI2O3

3-6

CaO

38-50

FczO

1-4

MgO

0-2

NaO

0-2

SiOj

11-16

Les cendres volante s

Les cendres volante s repreacutesenten t de s reacutesidus tregraves fins issus entre autre s de la combustion d u

charbon pulveacuteris eacute e t pouss eacute dan s l a chambr e d e combustio n du n fou r pa r de s ga z

deacutechappement Le s cendre s volante s son t classifieacutee s selo n leur s teneur s e n Ca O e t d u typ e

du charbon brucircl eacute (voi r tableau 16) e n deux classes F et C (Biemacki et al 2007)

Les cendres volantes de classe F confiennent moin s de 1 0 de CaO et sont utiliseacutees pou r la

fertilisation de s sols Le s cendres volante s d e classe C contiennent plu s d e 1 0 de CaO e t

elles son t plu s communeacutemen t utiliseacutee s pou r l a fabricatio n d u beacuteto n (Montes-Hernande z et

al 2009)

La production de s cendres volantes seacutelevait agrave 4800000 tonnes a travers l e Canada en 2001

dont 450000 tonnes on t eacuteteacute utiliseacutees pour la fabrication d u ciment (Bouzouba a e t Foumier

2003)

28

Tableau 1 6 La composition chimiqu e des cendres volante s

Tireacute de Soong et al (2006 )

Composition masse

Sulfur

0-002

C

0-15

AI2O3

59-187

CaO

18-29

Fe203

5-85

K2O

03-24

MgO

14-64

NazO

06-55

Si02

14-516

En Europe e t selo n le s anneacutees de 2 agrave 3 Mt de cendres volantes su r une production total e d e

43 M t son t utiliseacutee s dan s l a constructio n d e route s soi t u n tau x dutilisatio n globa l dan s c e

secteur dactiviteacute d e 8

On enregistre actuellemen t 7 Mt en Australie 70 8 M t (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003 ) au x

Eacutetats Unis de s centaine s de s meacutegatonne s e n Chin e e t 10 0 M t dan s de s deacutecharge s e n Inde s

(Kumar et al 2005) Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestre r jusquagrave 2 6 kg de CO2

(Montes-Hemandez ea 2009)

Il exist e deu x type s d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s industriel s alcalin s l a

carbonatation direct e e t la carbonatation indirect e des oxydes meacutetalliques

A) L a carbonatation direct e

Ce proceacuted eacute perme t dinjecte r d u CO 2 gazeu x directemen t su r de s reacutesidu s alcalin s agrave leacuteta t

solides L e CO2 reacuteagit ave c le s oxydes meacutetalliques d e CaO e t MgO et formes de s carbonate s

stables selon les eacutequations suivante s (Lackner et al 1995)

CaO + CO2 -^ CaC0 3 + 17 9 kJmole

MgO + CO2 -gt MgC0 3 + 11 8 kJmole

(17)

(18)

Pour c e typ e d e seacutequestratio n le s quantiteacute s d e Ca O e t d e Mg O neacutecessaire s pou r lie r l e CO2

produit par la combustion dun e tonn e de carbone son t respectivement d e 47 et 34 tonnes

29

B) Carbonatatio n de s oxydes meacutetalliques en milieux aqueu x acide s

La seacutequestratio n indirect e d u CO2 soit l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s

alcalins e n milieu x aqueu x basiques es t l a meacutethod e l a plu s eacutetudieacutee Mecircm e s i leacutetud e de s

meacutecanismes qu i reacutegissen t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s n e fai t pa s parti e de s

objectifs d e ce meacutemoire i l importe de deacutecrire briegravevement le s principaux meacutecanisme s afi n d e

mieux comprendr e c e processus Dun e faccedilo n plu s deacutetailleacutee l a carbonatatio n s e deacuteroule e n

cinq eacutetapes 1) La diffusion d u Ca sur la surface de s particules de l a scorie 2) l a dissolutio n

du C a dan s l a solution 3 ) l a dissolufio n d u CO2 4 ) l a conversio n d u CO 2 dissou t e n ion s

bicarbonate e t 5) la preacutecipitation du CaC03 (Huijgen et al 2005)

Le CO 2 reacuteagi t ave c d e lea u e t form e d e lacid e carboniqu e (H2CO3 ) selo n le s eacutequation s

suivantes (lizuka et al 2004 )

CO2 + H2O ^ H2CO 3 (19 )

H2CO3 ^ H ^ + HCO3 (110 )

H C 0 3 ^ H ^ + C03^ (111 )

Le CaO peut eacutegalemen t reacuteagi r avec lea u pou r produire des cations calcium selo n l a reacuteaction

suivante (Huijgen e t Comans 2003)

CaO + H2O ^ Ca^ ^ + 2 OH (111 )

Tous le s produit s de s reacuteaction s 1 9 agrave 11 2 peuven t reacuteagi r ave c l e CO 2 pou r forme r de s

carbonates L a reacuteactio n entr e ce s oxydes l e CO 2 e t lea u a pou r reacutesulta t l a formatio n de s

monocarbonates e t bicarbonates (Bonenfan t et al1006 Soon g et al 2006)

Hujgen et al (2006 ) on t deacutetermin eacute le s meacutecanisme s reacuteacfionnel s d e Ca-carbonatatio n

(modegravele geacuteothermique ) comm e sui t

Ca(0H)2 + CO 2 - ^ CaC0 3 + H2 O (113 ) portlandite calcit e

30

Ca6(Al)2(OH)2(S04)326 H2O + 6H2O -gt 6CaC03 + 2A1^^ +3S04^- + 32H2O (114 ) ettringite calcit e

Ca-silicate (CSH) + CO2 CaC0 3 (calcite) +Si02 (partiel ) (L15 )

Reacuteactions 1 9 agrave 11 1 repreacutesenten t l a dissociatio n d e l a dissolutio n CO 2 dan s leau le s

reacuteactions d e 11 2 et 11 3 repreacutesentent lextracfio n de s ions calciu m de s reacutesidu s alcalins Le s

reacuteactions 11 4 e t 11 5 repreacutesentent l a preacutecipitation d u carbonate d e calcium

Le meacutecanisme reacuteactionne l d u CO2 avec le MgO en milieu aqueux es t semblable agrave celui de

CaO (Femacircndezera 1999)

C02(g) + H20(l) ^ C02(aq ) (L16 )

MgO(s) + H20(l) - Mg(0H)2(s ) (117 )

C02(aq)--C02(i) (118 )

CO2 + Mg(0H)2(s) + (n-1 ) H20(aq) ^ MgC0 3 nH20(s) (119 )

MgC03 nH20(s) + CO2 ^ Mg^ ^ (i)+ 2 HCO^Xi) + (n-1) H2O (120 )

Mg^^i) + 2 HC03- (i) -^ M g q ) + 2 HCO^(aq) (1-21 )

ougrave le C02(i) le Mg^(i) et le HCO(i) son t les produits formeacutes eto u adsorbeacutes agrave linterface

La reacuteaction 12 0 ougrave l e carbonate d e magneacutesium form eacute agrave la surfac e de s particules reacuteagi t ave c

le CO2 pour forme r d u bicarbonate d e magneacutesium repreacutesent e leacutetap e l a plus importante d e ce

meacutecanisme

Toutefois lorsqu e l a concentration d e Mg O e n solutio n excegraved e 05 5 gL l a preacutecipitation d u

carbonate de magneacutesium peu t devenir l a reacuteaction dominante (Evan s et St-Clair 1949)

Les reacuteaction s 1 9 agrave 12 1 deacutemontren t qu e c e processu s s e produi t spontaneacutement san s

neacutecessiter de la chaleur

31

Dun poin t d e vu e thermodynamique l e maximu m d e conversio n d e calciu m conten u dan s

les reacutesidu s alcalin s deacutepen d d e deu x facteurs l a solubilit eacute de s ion s d u calciu m dan s l e

processus dextractio n e t d e l a solubilit eacute de s ion s calciu m dan s l a preacutecipitation L e produi t

net d e l a productio n d e CaC03 deacutepen d d e l a diffeacuterenc e d e solubilit eacute entr e l e processu s

dextraction e t celui de la preacutecipitation (lizuk a et al 2004)

132 Leffe t de s variables sur la carbonatatio n

Plusieurs variable s affecten t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s e t sous -

produits alcalins Nombreux chercheur s ont eacutetudieacute leffe t de s variable s su r l e processus de la

carbonatation (Stolarof f e al 2003 Druckenmille r e t Maroto-Valera 2005 Maroto-Valer a

et al 2005 Stolarof f e r al 2003 Hujge n et al 2003-2006 Bonenfan t 2008) Leffe t de s

variables su r l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s basique s e n solutio n peu t ecirctr e seacutepar eacute

en deux cateacutegories

Variables affectan t l a solubiliteacute du C02dans lea u

Le pH la tempeacuterature e t la saliniteacute de leau ains i que la pression partielle du CO2 ont un effe t

direct su r l a solubiliteacute du CO2 dans leau Plu s le pH est basique plus l a solubiliteacute du CO2 est

eacuteleveacutee L a solubilit eacute d u CO 2 se fai t selo n l a lo i dHenr y pou r de s pression s supeacuterieure s agrave 5

atm (Vas Bhat 2000)

[C02]aq=KHpC02= 0032 pC02 (122 )

KH es t l e coefficien t d e solubilit eacute o u constant e dHem y d u CO 2 qu i es t deacutependant e d e l a

tempeacuterature e t de la saliniteacute et pC02 est la pression partielle du CO2

32

Lapproche d e Setcheno w qu i illustr e linfluenc e de s sel s su r l a solubilit eacute d u CO 2 peu t

sappliquer agrave diffeacuterents sel s mineacuterales comme sui t

X = xO exp(-Acirc) (123 )

ougrave X e t xO sont le s fracfions molaire s d u gaz acide dans lea u pur e e t dans l a solution saline

K es t la constante de Setchenow e t I est la force ioniqu e du sel

Variables affectan t directemen t l a carbonatation de s oxydes meacutetallique s basique s en solution

La granulomeacutetri e de s particules l a concentratio n (rati o solideliquide ) doxyd e meacutetalliqu e

dans l a solution l e temps la tempeacuterature d e reacuteaction l a pression partiell e e t le deacutebit du CO2

ainsi qu e l a vitesse d e brassag e d e l a solutio n son t le s variables qu i influencen t directemen t

la carbonatation de s oxydes meacutetalliques basiques en solution

Il fau t note r qu e l a vitess e d e brassag e nes t pa s influenceacute e e t ninfluenc e pa s le s autre s

variables lors le processus de carbonatation

Granulomeacutetrie de s particule s

La granulomeacutetri e de s particule s joue u n rocircl e tregrave s importan t su r l a carbonatatio n de s oxyde s

meacutetalliques Le s eacutetude s d e Hujge n et al (2006) Bonenfan t et al (2008) Baciocch i et al

(2009) on t deacutemontreacute s qu e le s quantiteacutes de s carbonate s e t des silicate s d e magneacutesium eacutetaien t

plus eacuteleveacute s agrave de s granulomeacutetrie s d e scorie s e t d e wallastonit e lt 38pm L a conversio n d u

CaO d e scorie s dacieacuterie s e n carbonate s pass e d e 2 4 agrave 74 lorsqu e l a granulomeacutetri e de s

particules diminu e d e lt 2 mm agrave lt 38 pm Reacuteduire la granulomeacutetrie pa r deux peu t augmente r

la conversion d e 32 agrave 62 (Hujgen 2005)

Vitesse de brassage

La conversio n d e CO 2 e n carbonate s nes t pa s influenceacute e pa r l a vitess e d e brassag e gt 50 0

rpm (Hujge n et al 2006 ) mais peu t empecircche r l a preacutecipitatio n d u Mg O (Femacircnde z et al

1999) E n revanche baisse r l a vitess e d e brassag e d e 50 0 agrave 10 0 rp m reacutesult e e n un e

diminution marqueacute e de la conversion de CO2 en carbonates (Hujge n et al 2006)

33

Ratio solideliquide (LS )

Plus l a solution es t dilueacutee plus l a conversion d u CO2 en carbonates es t eacuteleveacutee (Hujgen et al

2006 Bonenfan t et al 2008) Autremen t dh plu s l e rafi o L S es t eacutelev eacute plus l e degr eacute d e

carbonatation es t eacuteleveacutee Toutefois leffe t d e c e paramegravetr e su r l a carbonatatio n deacutepen d de s

autres paramegravetre s tel s qu e l a tempeacuteratur e e t l a pressio n d e lexpeacuterimentatio n (Baciocch i et

al 2009)

La tempeacuterature e t la pression du CO

Ces deu x variable s son t tregrave s lieacutee s lun e agrave lautre L a tempeacuteratur e peu t avoi r de s effet s

contradictoires su r l a carbonatation Agrave haute tempeacuterature l a lixiviatio n d u C a d e l a matric e

peut ecirctr e tregraves rapide mais l a solubiliteacute d u CO2 dans l a solution peu t diminue r (Hujge n et al

2005) Agrave un e pressio n d e 2 0 bar s d e CO 2 l a carbonatafio n augment e s i l a tempeacuteratur e n e

deacutepasse pa s le s 15O C e t attein t so n maximu m agrave 200C L a conversio n diminu e abruptemen t

au-dessus d e 200C C e reacutesulta t es t d ucirc au x effet s contradictoire s d e l a tempeacuteratur e

laugmentation d e l a tempeacuterature augment e l a vitesse de reacuteaction e t l e transfert d e masse de s

ions d e calciu m (lixiviation ) mais d e lautr e coteacute ell e provoqu e l a baiss e de s ion s

bicarbonate dan s lea u (Montes-Hemande z et al 2009) L a formatio n de s carbonate s es t

plus eacuteleveacutee aux basses pressions et agrave de hautes tempeacuteratures (Och s et al 1998)

133 Cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2

La cineacutetique dadsorptio n d u CO 2 deacutepend comm e o n vien t d e voir d e plusieur s paramegravetres

La vitesse d e reacuteaction deacutepen d grandemen t d e la tempeacuterature e t de l a pression (Huijge n et al

2006) Alor s qu e l a premiegraver e eacutetap e es t rapid e e t caracteacuteriseacute e pa r la formatio n d e CaCO j e n

quantiteacute relativement importante l a seconde eacutetape est plus lente (Gmpta e t Fan 2002)

En effet l e CaC0 3 form eacute preacutealablemen t dan s l a premiegraver e eacutetape constitu e un e barriegraver e qu i

gecircne la reacuteactio n d u Ca O disponibl e ave c l e CO 2 D e c e fait ladsorptio n d u CO 2 se trouv e

limiteacutee

34

Par conseacutequent l e pheacutenomegravene d e diffusion de s composants chimique s agrave travers l a couche d e

CaC03 form eacute constitu e u n paramegravetr e cl eacute qu i gouvern e l a cineacutetiqu e d e l a second e eacutetape L e

processus de lixiviation influenc e don c le degreacute de carbonatation L e transfert d e masse dans

les pores d u solid e es t difficil e agrave eacutevaluer selo n Ochsenkuhn-Petroloulo u et al (2002) car i l

est impossibl e d e deacutefini r l a form e de s canau x empmnteacute s pa r l a mafiegravere O n peu t toutefois

selon ce s auteurs obteni r un e esfimatio n approximativ e d u transfer t de s particule s dan s l a

solution agrave laide d e leacutequation suivant e

Dnidt=kA(Cs-c)b (124 )

ou

A est Faire de linterface solide-liquid e

b est leacutepaisseur d u film entourant le s particules

c est la concentration (mv ) du soluteacute

t est le temps

Cs est la concentration d e la solution satureacutee en contacte avec les particules

m est l a masse des particules transfeacutereacutees dan s le temps t

k es t le coefficient d e diffusion

Lair d e linterfac e solide-liquid e es t proportionne l au x nombre s de s particule s solide s dan s

la solution e t l e ratio L S es t l a fraction d e lair e speacutecifiqu e de s particule s d u reacutesid u alcali n

qui participent dan s l e processus de lixiviafion (Ochsenkuhn-Petroloulo u et al 2002) Ainsi

la taille de s pore s d e Ca O e t leu r distributio n deviennen t de s facteur s important s quan t agrave l a

conversion d e Ca O e n CaC03 A ce propos des performance s d e conversio n d e 7 0 e t 8 2

ont eacutet eacute reacutealiseacutees pa r Bhati a an d Perlmutte r (1983 ) e t Mess et al (1999 ) respecfivement pou r

des granulomeacutetries de 81-173pm et 15-2 0 pm

35

Pour exprime r d e faccedilo n apparent e l a cineacutetiqu e d e cett e conversio n d e Ca O e n CaC03 u n

modegravele matheacutematique a eacuteteacute proposeacute par Lee (2004)

X = k b t(b+t) e t dXdt - k (1-XXu)^ (125 )

ougrave X e t X u son t l a conversio n e t l a conversio n ultim e d e CaO k es t un e constant e d e l a

vitesse de cineacutetique b est le temp s neacutecessaire atteindre Xu2 e t t est l e temps

Pour deacutecrir e l a vhess e d e conversio n d e Mg O e n MgC03 u n modegravel e matheacutematiqu e a eacutet eacute

proposeacute par Femacircndez et al (1999 )

kt= l-(l-XMgO)^ ^ (126 )

ougrave XMgO repreacutesente l a conversion d e MgO k est une constante de la vitesse d e cineacutetique

t est le temps

Lors de ces reacuteactions l e CO2 sattache chimiquemen t agrave l a surface de s oxydes meacutetalliques d e

MgO CaO Ti0 2 pou r forme r de s unidentate s dan s l e ca s d e Ca O (Aurou x e t Gervasini

1990) e t d e unidentates (u n seu l atom e es t donneur deacutelectrons ) e t bidentate s (deu x atome s

sont des donneurs deacutelectrons) dan s le cas de MgO et de Ti02 (Udovic e t Dumestic 1984)

Laluminium es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quanfiteacute s dan s le s solution s de s boue s rouges

mais i l form e beaucou p moin s d e carbonate s compareacute s au x Ca O e t MgO Coolin g et al

(2002) ont deacutemontr eacute qu e l a soude caustiqu e e t l e TCA-6 ( 3 Ca(0H)2 2 A1(0H)3) adsorben t

respectivement 29 0 e t 469 du CO2 adsorbeacute par le s boues rouges L e Si02 ne forment pa s

de carbonates mecircm e si l adsorb e un e bonne quantit eacute d e CO 2 (Ueno e t Bennet t 1978 Bal et

al 2001) E n revanche le s bicarbonates s e formen t suit e agrave ladsorption d u CO 2 sur les site s

acides fort s de s oxyde s selo n u n meacutecanism e d u typ e Langmuir-Hinshellwood Ce s

meacutecanismes impliquen t lisotherm e d e Langmuir (cas I et III)

36

Cette isotherm e peu t ecirctr e deacutecrite en termes de taux d e reacuteaction agrave la surface d e ladsorban t O

(Erzeng 2006)

0 = nombre de sites dadsorption occupeacute s (L27 ) nombre de sites dadsorpfion disponible s

O = 0 ~ l

Ce meacutecanism e (Langmuir-Hinshellwood ) sappliqu e dan s l e ca s d e ladsorpfio n d e deu x

reacuteactifs su r une surface san s dissociation

A(g) + B(g) ^ A(ads ) + B(ads) -^ Produi t (128 )

La vitesse de cette reacuteaction est donneacutee par

ri = k [A] [B] = k copyAO B (129 )

Lisotherme d e Langmuir sapplique comm e sui t

copyA = BOAPA +BOAPA+BOBPB (130 )

copyB=BOBPB1+BOAP)+BOBP5 (131 )

ougrave B est le coefficient dadsorptio n ( A et B) et PA et PB le s pressions partielles de A et B

La vitesse deacuteriveacutee de lisotherme d e Langmuir cas III sillustr e comm e sui t

r = kBoABoB^sl +BOAPA + BOBPB (132 )

De no s jours aucun e eacutetud e n a eacutelucid eacute complegravetemen t le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t

ladsorption d u CO 2 en milieu x aqueu x de s oxyde s meacutetallique s basique s preacutesent s dan s le s

scories dacieacuterie s (Bonenfant 2008) U n nombr e importan t d e variable s peu t ralenti r o u

acceacuteleacuterer l a vitesse de la reacuteaction de ladsorption d u CO2

37

Plusieurs meacutethode s on t eacutet eacute examineacutee s jusqu agrave preacutesen t pa r le s chercheur s y compri s

laugmentation d e la surfac e de s particule s d e roch e pa r pulveacuterisation lutilisatio n d e

catalyseurs d e reacuteactio n tel s qu e lacid e chlorhydrique lacid e aceacutetiqu e o u hydroxyd e d e

lithium de s solution s tampon s telle s qu e bicarbonat e d e sodiu m e t l e carbonat e d e fe r

(Krevor e t Lackner 2009 ) e t des tempeacuteratures e t de s pressions eacuteleveacutee s o ugrave l e CO2 est en eacuteta t

supercritique (lizuk a et al 2004) Prigiobb e et al (2009 ) on t remarqu eacute qu e le s sel s

inorganiques tels que NaCl NaHCOs et KHCO3 ont ameacutelioreacute l a carbonatafion de s silicates

Ils ont concl u qu e l a variation d u pH peu t influence r l a dissolution d u CO 2 dans l a solufion

En revanche l a variafio n de s tau x d e HCl d e LiO H o u d e l a salinit eacute a produi t u n

changement dan s l a valeu r d u p H c e qu i agrave so n tou r condui t agrave un changemen t d u tau x d e l a

dissolution d u CO 2 mais i l n y avai t pa s d e preuve s du n effe t direc t e t indeacutependan t d e ce s

paramegravetres su r le taux de dissolution d u CO2

La variatio n d e p H n a pa s l a mecircm e influenc e su r toute s le s matrice s alcalines Lolivin e

semble decirctre l e mineacuteral alcali n l e plus influenceacute pa r l a variation d u pH s i on parle en termes

de dissolutio n d u CO2 I l n y a pa s deffe t dinhibitio n su r l a dissolutio n d u CO 2 agrave u n p H

supeacuterieur agrave 5 Ce constat es t important car agrave ces valeurs de pH e t agrave des tempeacuteratures d e 25 agrave

150 C le s preacutecipitations d e carbonates son t les plus eacuteleveacutees (Prigiobbe et al 2009) Lorsque

le pH de ce systegraveme es t presque neutre la dissolution d u CO2 est lente e t donc la dissolutio n

des mineacuteraux dans ces conditions es t moindre (Krevor e t Lackner 2009)

Liu et al (2005 ) ont deacutevelopp eacute un e meacutethode biomeacutetrique dan s laquell e lenzym e anhydras e

carbonique jou e l e rocircl e d e catalyseu r biologique Le s reacutesultat s obtenu s on t deacutemontr eacute qu e

lenzyme a acceacuteleacutereacute l a carbonatation de s oxydes meacutetalliques dans le milieu aqueux

En conclusion plusieur s paramegravetre s influence s l a cineacutefiqu e dadsorptio n d u CO 2 e t l a

formation de s carbonates C e son t donc laugmentatio n d e l a tempeacuterature d u rappor t LS

du temps de reacuteaction e t de l a pression partiell e d u CO2 les principaux facteur s qu i favorisen t

la conversion d u Ca en carbonates

38

134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s

Les boues rouge s des aluminerie s

La production de s boues rouges en 2006 sest chiffreacutee agrave 90 millions de tonnes dans le monde

dont troi s million s d e tonnes au Canada e t on preacutevoit un e augmentatio n d e production d e 6 0

par deacutecennie (Kumar et al 2006)

Le stockag e de s boue s rouge s repreacutesent e no n seulemen t u n problegravem e eacuteconomique agrave caus e

des coucirct s d e preacuteparatio n e t d e maintenanc e de s sites mai s auss i u n problegravem e

environnemental d ucirc agrave leur nature caustique

Les boues rouges son t ufiliseacutees dan s les domaines de (Sglavo et al 2000 Gupta et al 2001

Brunori et al 2005 Li et al 2006 )

constmction de s routes agrave cause de leur soliditeacute et de leur durabiliteacute

production d u ciment agrave cause de leur reacutesistance au gel et leur bas prix

fertilisation de s sols gracircce agrave leur teneur eacuteleveacutee en potassium e t en phosphate

extraction des oxydes de fer de scandium de plomb et de titan

fabrication d e ceacuteramique

neutralisation de s eaux des mines et des sites contamineacutes

Les scories des acieacuterie s

Lutilisation de s scorie s dans l e but de seacutequestrer l e CO2 est important e s i on considegravere qui l

se produi t actuellemen t 1 4 million s d e tonne s a u Canada 2 1 million s d e tonne s au x Eacutetat s

Unis e t 35 0 million s d e tonnes de scorie s dans l e monde (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e

tonne dacie r produit 02 8 agrave 1 tonne CO 2 son t eacutemi s dan s latmosphegravere Le s scorie s son t

utiliseacutees dan s plusieurs domaine s de leacuteconomie Le s principales ufilisation s de s scories son t

dans l e domain e d e l a constructio n (bitume ) e t comm e mateacuteriau x d e rembla i (Kharoune

2006) Des technique s reacutecente s permetten t l a reacutecupeacuteratio n d u phosphor e de s eau x useacutee s

(Soulard 2001)

39

Les scorie s d e typ e F P (Fou r Poche ) son t certifi eacute pou r u n usag e comm e amendemen t

calcique de s sol s (Procto r et al 2000) Dautre s utilisation s connue s de s scorie s son t dan s

les domaine s d e neutralisatio n de s eau x d e drainag e de s mines contr e leacuterosio n de s sols

comme mateacuterie l d e drainag e e t dadsorptio n de s meacutetau x lourds Mecircm e s i plusieur s

utilisations de s scorie s son t reacutepertorieacutees actuellemen t plusieur s dizaine s d e million s d e

tonnes de scories se trouvent accumuleacutee s su r des terrains partout dans l e monde

Les poussiegraveres de four des cimenteries (CKD )

La production mondial e de s CKD seacutelegravev e agrave 30 millions d e tonnes (Konsta-Gdouto s e t Shah

2003) Un e tregrave s faibl e proportio n (1 5 ) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x

dans le s industrie s agricole s e t d e l a construction Un e bonn e parti e (jusqu agrave 6 7 ) es t

reacuteutiliseacutee dan s le s fours d e production d u ciment e t le reste des CKD s e retrouvent e n pile ou

dans de s eacutetangs agrave proximiteacute de s usines On esfime agrave quatre million s d e tonnes d e poussiegravere s

accumuleacutees en Ameacuterique du Nord (Van Hoss et Padovani 2003)

Gracircce agrave leu r teneu r eacuteleveacute e e n calciu m e t potassiu m le s CK D son t tregrave s utiliseacutee s dan s l a

fertilisation de s sol s e t l a stabilisafio n de s eau x useacutee s e t de s boue s de s station s deacutepuration

Les CK D son t eacutegalemen t ufiliseacutee s avec succegrave s comm e remplissan t bitumineu x dan s l e

pavage e t l a toitur e dasphalte E n outre le s CK D e t le s cendre s volante s carbonate s

(utiliseacutees pour la seacutequestration du CO2) sont riches en carbonate d e calcium (CaC03 ) et de ce

fait elle s peuven t ecirctr e reacuteutiliseacutee s comm e mafiegravere s premiegravere s dan s l a fabricatio n d u ciment

Dans c e cas l e processu s d e carbonatatio n peu t ecirctr e consideacuter eacute comm e u n processu s d e

recyclage du ciment (lizuka et al 2004)

Les cendres volantes de s cimenterie s

Aux Eacutetat s Unies 708 millions de tonnes de cendres volante s d e tout genr e ont eacuteteacute produite s

en 2004 Preacutes de 40 de ces reacutesidus son t utiliseacutes comme additi f de ciment (Biemack i et al

2007) dan s de s bloc s d e maccedilonnerie comm e mateacuterie l e n alliage s leacutegers comm e matiegravere s

dagreacutegation fluides dan s l a chausseacuteeconstruction d e piste et comm e granule s de toiture

40

La plu s grand e applicafio n de s cendre s volante s es t dan s l e ciment bie n que d e nouvelle s

ufilisations creacuteatrice s pou r le s cendre s volante s soien t activemen t chercheacutee s (Konsta -

Gdoutos et Shah 2003 Kim 2004)

Pour l a peacuteriod e 200 3 agrave 2005 les centrales alimenteacutee s a u charbo n a u Canad a on t produi t e n

moyenne 45 2 M t de cendres volante s pa r anneacutee (Panagapko 2005) Dans lensemble 2 8

des cendre s volante s ont eacutet eacute reacuteutiliseacutes L e gyps e syntheacutetiqu e entr e dan s l a fabricatio n d e

panneaux d e placoplacirctre e t est utiliseacute agrave titre dadditif agrave ciment (Panagapko 2005) En Inde la

production d e cendre s volante s es t supeacuterieur e agrave 11 0 millions d e tonne s pa r a n e t seulemen t

20-25 de ces reacutesidus sont utiliseacutes agrave la fabrication d u ciment (Kumar et al 2005)

Reacutecemment Soon g et al (2006 ) on t propos eacute lutilisatio n de s cendre s volante s e t de s

solutions d e saumur e afi n d e seacutequestre r l e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuterale E n Europ e e t

selon le s anneacutees de 2 agrave 3 millions d e tonnes d e cendres volantes su r un e productio n total e

de 43 millions son t utiliseacutees en constructions d e routes soi t un taux dutilisatio n globa l dan s

ce secteur dactiviteacute d e 8

CHAPITRE 2

MATEacuteRIEL E T MEacuteTHODE S

Ce chapitr e preacutesent e l a meacutethodologie suivi e e t le s critegravere s d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacute s

lors d u projet boue s rouge s de s alumineries scorie s de s acieacuteries poussiegravere s d e fou r e t le s

cendres volantes des cimenteries

21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacute s

Des critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n on t eacutet eacute appliqueacute s pou r chacu n de s mateacuteriau x

cibleacutes Pa r critegravere s d e preacuteseacutelection o n sous-enten d tout e proprieacutet eacute physiqu e d e reacutesidu s

susceptible agrave preacutesente r de s danger s pou r l a sant eacute humain e telle s qu e de s odeur s

nauseacuteabondes deacutegagemen t d e ga z toxiques etc Le s reacutesidu s industriel s demandan t de s

proceacutedeacutes suppleacutementaire s afi n d e le s rendre non-toxique s o u ufilisable s avan t d e le s ufilise r

au laboratoir e on t eacutet eacute eacutecarteacute s d e l a preacutesent e eacutetude L a teneu r e n oxyde s meacutetallique s (CaO

MgO Si2 0 etc) l a teneu r e n meacutetau x lourd s (lixiviation) l e pH l a conductiviteacute l a

granulomeacutetrie son t le s principau x critegravere s d e seacutelectio n de s reacutesidus Huit reacutesidu s e t sous -

produits alcalin s ont eacuteteacute choisis pour reacutealiser leacutetud e su r l a seacutequestration d u CO2 deux type s

de boue s rouge s (humide s e t segraveches) trois types d e scorie s (FAEacute HF FP ) e t deu x type s d e

reacutesidus des cimenteries (poussiegraveres de four cendre s volantes)

211 Le s boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouges on t eacuteteacute foumies pa r Alcan Inc (Vaudreuil Queacutebec Canada) stockeacutee s dan s

des conteneur s hermeacutetiquemen t fermeacute s agrave 2 2 C L a couleu r roug e (Figur e 21 ) es t du e agrave l a

forte teneu r e n fe r e t so n p H eacutelev eacute es t l a conseacutequenc e d u traitemen t d e l a bauxit e agrave

lhydroxyde d e sodium (NaOH)

42

Boues rouge s humides

Boues rouge s segraveches

Figure 21 Photos des boues rouges humides et segraveches

Les boues rouges ont une granulomeacutetrie tregraves fine comprise entre 01 agrave 1000 pm une surface speacutecifique d e 1 0 agrave 4 0 m g e t un e mass e volum e trique qu i vari e d e 3 0 agrave 3 5 gcm ^ (Bonenfant et al 2006) Les boues rouges humides ont une sicciteacute de 50

Tableau 21 La composition chimique moyenne des boue s rouges Tireacute de Bonenfant (2006)

Composition en masse

Boues rouges

humides Boues rouges segraveches

AI2O3

193

19

CaO

58

77

FczOj

352

335

MgO

07

08

Na20

143

8

S1O2

53

96

43

Les oxydes preacutesenteacute s au tableau 21 font parti e des principales phases ( Hind et al 1999 Coolmg et al 2002 Cabeza et al 2003 ) comm e la portlandite (Ca (0H)2) le carbonate de sodium (Na2C03) le naal (0H)4 Na6[AlSi04]6 la cristalline dheacutematite (Fe203) la goethite (a-FeOOH) la gibbsite (Al (0H)3) la boehmite (y-AlOOH) la sodalite (Na4Al3Si30i2Cl) la anastase (Ti02) la mtile (Ti02) la katoite (Ca3Al2Si04(OH)i2) le gypse (CaS04 2H2O) et le quartz (Si02)

212 Le s scories des acieacuteries

Les scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c eacutelectrique) H F (hau t foumeau ) e t F P (fou r Poche ) on t eacutet eacute

foumies par la compagnie Mittal Canada Inc (Contrecoetu Queacutebec Canada)

Dans les usines inteacutegreacutees toutes situeacutees en Ontario des hauts fourneaux (voi r le scheacutema de production d e lacier Annex e II ) produisen t d u fe r primair e agrave parti r d e matiegravere s bmte s comme du minerai d e fer d u charbon e t de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006) Les scories sont inodore s e t ont une granulomeacutetrie fm e d e 0 agrave 5mm mais elles son t commercialiseacutee s aussi agrave une granulomeacutetrie de 5 agrave 14 mm (voir figure 22)

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP

Sont les pH eacuteleveacutes (12 agrave 13) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxydes meacutetalhques (Huijgen et al 2005) Les raisons principales de lutilisation des scories comme substrat de seacutequestration du

CO2

44

Les scorie s FO P et FP sont plus riches en calcium qu e cell e FAEacute tandis qu e le s scorie s F P

sont plu s riche s o n oxyd e daluminium Le s teneur s e n meacutetau x lourd s son t faible s pou r le s

trois types d e scorie s eacutetudieacutees Les scories d e type FO P et FA Eacute son t diffeacuterente s de s scorie s

HF (Figur e 22) Elle s son t plu s leacutegegravere s e t plu s riches e n fe r (Bonenfan t et al 2006) Le s

scories H F ayan t un e mass e volumiqu e d e 200 0 kgm ^ sont le s plu s leacutegegraveres tandi s qu e le s

scories FOP et FAEacute ont une masse volumique de 3000 kgm

Plusieurs phase s mineacuteralogique s composen t le s scorie s don t le s principale s son t l a

portlandite (Ca(0H)2 ) qu i es t geacuteneacuteralement l a phase dominante l a calcite l a magneacutesite le s

silicates e t diver s oxyde s tel s qu e de s oxyde s d e calcium d e magneacutesium d e fer d e

manganegravese e t de silicium (voi r tableau 14)Selo n Huijgen et al (2005) les conditions dan s

lesquelles le s scorie s son t geacuteneacutereacutee s deacuteterminen t le s proportion s d e ce s phase s dan s le s

scories (Huijgen et al 2005)

213 Le s poussiegraveres de four des cimenteries

Les poussiegravere s d e fou r on t eacutet eacute fourni e pa r le s cimenterie s St-Lauren t Inc (Longueuil

Queacutebec Canada) et Ciment Queacutebec Inc (St-Basil Queacutebec Canada)

Les poussiegraveres de four de cimenterie (voir figure 23) connues aussi sous le nom de laquocernen t

kiln dustraquo (CKD) sont des reacutesidus industriel s reacutecupeacutereacutes pa r les filtres eacutelectrostatiques (Doy e

et Duchesne 2003 ) lor s d e l a fabricatio n d u clinke r (voi r l e scheacutem a d e l a fabricatio n d u

ciment Annexe III) Les CKD ont une granulomeacutetri e tregrave s fine variant de 01 agrave 10 0 pm une

surface speacutecifiqu e d e 46 agrave 14 0 m g Les CKD ont une masse volumique de 480 kgm mai s

compacteacutees leur masse volumique peut atteindre 135 0 agrave 150 0 kgm^ (The Feacutedeacutera l Highway

Administration 2006) L a compositio n chimiqu e moyenn e de s CK D es t repreacutesenteacute e a u

tableau 15

45

Figure 23 Photo des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD)

Tireacute de Doye et Duchesne (2003)

Les CKD hbegraveren t tregrave s rapidemen t d e fortes concentration s e n potassium e n sulfat e e t en alcaliniteacute (Doye et Duchesne 2003) La quantiteacute doxyde de CKD deacutepend du type de four la source des matiegraveres du type de carburant utiliseacute et la maniegravere dont les CKD ont eacuteteacute reacutecupeacutereacute par le systegraveme

Lanalyse mineacuteralogiqu e de s CKD montre quelles sont composeacutees de calcite (CaC03) de dolomie (CaMg(C03)2 d u quart z (Si02) l e portlandit e (Ca(0H)2 de s sel s darkanit e (K2SO4) d e gyps e (CaS04) d e sylvit e (KCl) dhalit e (NaCl ) e t dettrengit e (Ca6(Al)2(OH)i 2(804)326 H2O + 6 H2O)

214 Le s cendres volantes

Les cendres volante s (voi r figure 24) on t eacutet eacute fournie s pa r le s cimenteries St-Lauren t Inc (Longueuil Queacutebec Canada)

46

Figure 24 Phot o des cendres volantes

Les particule s d e cendre s volante s son t l a plupar t d u temp s spheacuterique s avec un e surfac e

speacutecifique d e 25 0 agrave 60 0 m kg Les cendre s volante s d e class e C on t u n p H d e 1 2 e t un e

masse volumiqu e d e 234 0 kgm ^ (Biemack i et al 2007) L a compositio n chimiqu e de s

cendres volantes es t deacutecrite au tableau 16

Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestrer jusquagrave 2 6 kg de CO2 (Montes-Hemandez

2009)

En geacuteneacuteral le s phase s mineacuterale s preacutesentes (Biemack i et al 2007 ) dan s cendre s volante s

sont l e quartz (Si02) l a mullite (3AI2O 3 JE 2Si02) l a plagioclase (Na Ca (Si Al) 40raquo) l a

gehlenite (Ca2A l [AlSiO]) lanhydrit e (CaS04) lheacutematit e (Fe203) Fhalit e (NaCl) l a

sylvinite (KCl) et la calcite (CaC03)

47

22 Meacutethode s expeacuterimentale s

221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacute s

La compositio n chimiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s (scorie s e t boue s rouges ) a eacutet eacute eacutevalueacute e pa r

fluorescence agrave rayon X agrave laid e du n spectromegravetr e Philip s PW2400 Ell e a permis lanalys e

quantitative de s principaux composant s tels que 1 e CaO le FeO et le MgO Ces mesures ont

eacuteteacute reacutealiseacutee s e n triplicat a su r de s eacutechantillon s d e diffeacuterent s lot s de s mateacuteriau x cibleacute s e t

utiliseacutees pour lensemble de s expeacuterimentations

222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductivit eacute

Le p H e t l a conductivit eacute de s meacutelange s lixivieacute s on t eacutet eacute mesureacute s selo n le s meacutethode s

respectives normaliseacutee s 4500-H^- B e t 2510- B (APHA 1989 ) ave c l e pH-megravetr e numeacuteriqu e

PHM 250 ION Analyser ains i que le conductimegravetre numeacuteriqu e CD M Conductivit y Mete r de

la compagni e MaterLab^^ Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute on t eacutet eacute mesureacutee s pou r

chacun des mateacuteriaux cibleacutes avant et apregraves la carbonatation ains i que sur tous les eacutechantillon s

preacutelixivieacutes e t non preacutelixivieacutes filtreacutes e t non-filtreacutes L a filtration a eacuteteacute reacutealiseacute agrave laide d e filtres

Filtropur steacuterile s en aceacutetates de cellulose ayant un diamegravetre de 045 pm

223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin

Lalcaliniteacute de s mateacuteriau x a eacutet eacute mesureacute e agrave laid e d u fitreur automatiqu e TIM86 5 Titrafio n

manager e t d u logicie l Titramaste r 85V130 L e titrag e a eacutet eacute effectu eacute ave c d e lacid e

chlorhydrique (HCl ) 1 N Afi n deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestrafio n de s hui t mateacuteriau x

testeacutes le s reacuteserve s alcaline s de s matrice s on t eacutet eacute mesureacutee s dan s de s eacutechantillon s ayan t de s

granulomeacutetries industrielles Le s eacutechantillons contenaien t 1 0 g de mateacuteriaux cibleacute s e t 20 mL

deau deacuteioniseacute e e t ont eacuteteacute agiteacutes agrave 20degC et 200 rpm et titreacutes par titrage automatique ave c HCl

IN L e bu t d e lactivit eacute eacutetai t deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestratio n de s mateacuteriau x cibleacute s e n

partant de leurs pH naturel jusqu agrave pH 8 3 soi t le pH limite de formafion de s carbonates

48

224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en cuveacutee

Des essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute reacutealiseacute s ave c le s hui t reacutesidu s alcalin s cibleacutes Le s capaciteacute s

dabsorption de s mateacuteriau x choisi s on t eacutet eacute deacutetermineacutee s pa r l e barbotag e d u CO 2 (15 e n

volume CO2N2 ) e n fonctio n d e temp s donneacute s d e reacuteactio n 24 e t 4 8 heures L e choi x d u

meacutelange 1 5 e n volume CO2N 2 a eacutet eacute fai t e n tenan t compt e de s eacutemission s reacuteel s e n CO 2

quune chemin eacute dusine rejett e dan s latmosphegravere ( 8 agrave 1 5 ) Cette opeacuteration a eacuteteacute effectueacute e

dans des Erleinmeyer d e 250 mL qui contenaient 2 0 g de reacutesidu e t 200 mL deau deacuteioniseacute e agrave

20 C avec u n deacutebi t d e 5 mlmin duran t 2 4 e t 4 8 heures sou s un e agitatio n d e 20 0 rpm L e

tableau ci-dessous illustr e le s paramegravetres dexpeacuterimentation

Tableau 22 Paramegravetre s dexpeacuterimentatio n

Paramegravetres Temps

Tempeacuterature Pression

Granulomeacutetrie Volume deau distilleacute e Rapport liquidesolid e

(LS) Vitesse de rotation

Mesures 2448

Constante Atmospheacuterique

Industrielle 200 10

200

Uniteacutes Heures 20degC atm pm mL

kgkg

rpm

Le pH e t l a conductivit eacute ont eacutet eacute mesureacute s selo n le s technique s deacutecrite s preacuteceacutedemment Le s

quantiteacutes d e carbon e absorbeacutee s ont eacutet eacute mesureacutee s agrave laid e danalyseu r DC-85 A TO C d e l a

compagnie Dohrman n Divisio n C o muni dun fou r agrave combustion (800degC) dun flux conten u

doxygegravene e t du n tub e agrave catalyse contenan t d e loxyd e d e cobal t su r alumine Lanalyseu r

est eacutetalonn eacute ave c un e solutio n d e biphtalat e d e potassiu m agrave un e concentratio n e n carbon e

organique d e 200 0 mg-CL Le s concentration s e n carbon e organiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s

lixivieacutees non-lixivieacutees filtreacutees e t non-filtreacutees on t eacutet eacute mesureacutees apregrave s linjectio n d e 20-40 p L

dans le four d u TOC-megravetre

Avant linjectio n dan s l e fou r d u TOC-megravetr e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute agiteacute s ave c u n

baveau magneacutetiqu e agrave environ 50 0 trmin

49

Les concentration s e n carbon e organiqu e d e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute eacutevalueacutee s pa r l a

soustraction de s quantiteacute s d e carbon e mesureacutee s avan t e t apregrave s l a carbonatatio n d e ce s

eacutechantillons

La seacutequestratio n d u CO 2 a eacuteteacute fait e e n bouteille s d e Pyre x d e 25 0 mL Ce s dernier s eacutetaien t

ouverts agrave latmosphegravere L e CO 2 a eacuteteacute inject eacute agrave partir du n meacutelang e d e ga z de reacuteservoir e t l e

deacutebit d e ga z a eacutet eacute controcircl eacute agrave laid e du n deacutebitmegravetr e agrave flotteur e n acie r inoxydabl e d e Cole -

Pamier Instmment Co La reacutepartition uniform e d u gaz dans la boue rouge en milieu aqueux a

eacuteteacute reacutealiseacute e agrave laid e du n diffuseu r poreu x situ eacute agrave linteacuterieu r d e chaqu e fiole coniqu e (voi r

figure 2 5 et photo Annexe VIII) Les eacutechantillons ont eacuteteacute jeteacutes apregraves chaque analyse

Deux types dessais on t eacuteteacute conduits

bull essai s de barbotage preacutelixivieacute s pour lesquels le s eacutechantillons ont eacuteteacute lixivieacutes pendant 24 h

et 48h puis barbotes avec le meacutelange enrich i en CO2 pour une mecircme dureacutee

bull essai s de barbotage non preacutelixivieacutes pour lesquels leacutetape d e lixiviation a eacuteteacute supprimeacutee

Il fau t note r qu e pou r le s deu x temp s dadsorptio n d u CO 2 le s eacutechanfillon s utiliseacute s pou r l a

seacuterie de 24 heures sont diffeacuterents d e ceux utiliseacutes pour la seacuterie de 48 heures

50

Vent to atmosphegravere

Suspension of red mud or leachate

Diffuser mdash

Ecirc3

izzi nz o o o o Shaker

^ H = ^

Flowmeter

Gas mixture reacuteservoir

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee Adopteacute de Bonenfant et al (2008 )

Capaciteacute dadsorption du CO2

La capaciteacute dadsorption (Kco2 ) du C02^ par les reacutesidus alcalins a eacuteteacute deacutetermineacutee en fonction

du rapport liquide solide (LS) agrave la fois pour des essais preacutelixivieacutes et non preacutelixivieacutes

Celle-ci est donneacutee par la formule suivante

^ TOGeacuteiunJ(ppmQ - TOQireacuteppmQ) M(CCh)I MQ KC02 (g COicirclOOg de reacutesidu) = a bull

1000 (21)

ougrave M(C02) et M(C) sont respectivement les masses molaires (gmol) de CO2 et de C

Et a es t un facteur de conversion qui se calcule comme suit

a 100

ms(g) ms( 2)

( ^ ^ +200mL)000mLL) ps(glmL)

ms masse de reacutesidus utiliseacute dans lessai en g

ps masse volumique du reacutesidu alcalin en gcm^

51

225 Meacutethode s e t appareillages analytique s

Le tableau 2 3 reacutesum e le s meacutethodes e t les appareillages utiliseacute s pour le s diffeacuterentes analyse s

qui ont eacuteteacute reacutealiseacutees au cours de la preacutesente eacutetude

Tableau 23 Meacutethodes et appareillages analytique s appliqueacutee s

Type danalyse

pH

Conductiviteacute

Alcaliniteacute

Ca Na K Mg Fe

Carbone organiqu e

Meacutethodes danalys e

4500-H+-B PHM APHA 198 9

2510-B APHA 198 9

2320B APHA 198 9

3500 APHA 198 9

APHA 198 9

Appareillage

pH-megravetre 250 Ion Analyser

(MeterLabiM) Conductimegravetres numeacuteriqu e CDM Conductivity Mete r

(MeterLabiumlM) TIM865 Titration manage r + logiciel Titramaste r 8 5

V130 ICP-AES-IRIS ADVANTAGE

THERMOELECTRIQUE 2000

Analyseur DC-85 A TO C Dohrmann Divisio n Co

Apollo 9000 TOC Combustion Analyze r de

la compagnie Dohrmann Divisio n Co

CHAPITRE 3

RESULTATS ET DISCUSSION S

Les reacutesultat s obtenu s suite s au x essai s reacutealiseacute s seron t preacutesenteacute s e t discuteacute s dan s c e chapitre

Afin d e seacutelectionne r le s troi s reacutesidu s alcalin s ayan t le s meilleur s potentiel s d e seacutequestratio n

du CO2 des essais de seacutequestration d u CO2 de 24 et 48 heures ont eacutet eacute reacutealiseacutes Pour ce faire

les reacutesultats de leacutevolution d u pH de la conductiviteacute du potentie l d e seacutequestration d u CO2 et

du pouvoi r alcali n seron t preacutesenteacutes Enfin le s reacutesultat s de s essai s d e l a cineacutetiqu e d e

ladsorpfion d u CO 2 reacutealiseacute s ave c l e mateacuteria u ayan t deacutemontr eacute l e meilleu r potentie l d e

seacutequestration seron t discuteacutes

31 Evolutio n du pH et de la conductivit eacute

311 Essai s d e 4 8 heures

La figur e 3 1 illustr e l a variation d u pH des huit reacutesidu s apregrave s 48 heures d e seacutequestratio n d e

CO2 L e graphiqu e deacutemontr e clairemen t qu e tou s le s reacutesidu s on t sub i de s baisse s

remarquables d e p H apregrave s 4 8 heure s dadsorptio n d e CO2 Le s p H initiau x (voi r tablea u

31) de s troi s scorie s varien t d e 11 2 agrave 11 9 e t il s on t baisseacute s d e preacute s d e 6 uniteacute s pou r

atteindre l a valeu r d e 7 2 pou r le s scorie s S3 La figur e 3 1 deacutemontr e qui l y a tregraves pe u d e

variation d e p H entr e le s deu x valeur s extrecircme s d u p H conceman t le s deu x type s d e boue s

testeacutees En effet l a variation du pH concemant le s boues rouges humides preacutelixivieacutee s e t non

preacutelixivieacutes ne deacutepasse pas les deux uniteacutes Dans le cas des boues rouges segraveches (preacutelixivieacutes e t

non preacutelixivieacutes) la diffeacuterenc e es t moindr e soi t 1 5 uniteacutes E n revanche l a diminufio n de s

valeurs d u p H pa r rappor t agrave l a valeu r d u p H initia l es t remarquabl e du 12 6 agrave 72 Le s

poussiegraveres d e fours C l e t C2 ont obtenu le s plus fortes baisse s de pH dan s leur s formes non -

filtreacutees Toutefois seulemen t l e C 2 preacutelixivieacutee s e t non-filtr eacute a subi e un e baiss e d e p H

infeacuterieur agrave 70 soi t pregraves de 68 uniteacutes

53

Il fau t souligne r qu e le s diffeacuterence s d e p H entr e le s quatr e eacutechantillon s d e C l son t minime s

soit 0 1 unit eacute contrairemen t agrave celle s d e C 2 qu i son t di x foi s plu s grande s soi t un e uniteacute E n

revanche tous le s eacutechantillons de s cendres volantes F subis des baisse s remarquable s d e pH

variant de 66 agrave 68 uniteacutes

Ces reacutesultat s prouven t qu e l a lixiviation e n geacuteneacuteral jou e u n rocircl e minim e su r l e p H pe u

importe l e reacutesid u utiliseacute Toutefois le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s

meacutetallique tell s qu e Ca Mg Al Fe ^ selon Bonenfan t (2008) Ce son t ce s ions e t leur s

oxydes respectifs qu i assurent le pH et les conductiviteacutes eacuteleveacute s des reacutesidus cibleacutes

Tableau 31 Le s valeurs des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouge s humides (Bl )

Boues rouges segraveche s (B2)

Scories SAE (SI ) Scories FP (S2) Scories HF (S3)

CKD St-Lauren t C l CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

pH

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

115

115

115 116 118 126

-

-

48 heures

126

121

116 118 116 127 125

95

Non-filtreacute 24

heures 117

116

119 116 119 130

-

-

48 heures

126

121

119 119 117 127 127

92

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

121

120

112 114 115 128 125

88

Non-filtreacute -

124

122

115 124 117 128 126

89

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute (figur e 32) s i on compare ce s reacutesultats avec ceux d u

pH on peut constate r qui l exist e un lie u direct entr e leacutevolutio n d u pH e t leacutevolutio n d e la

conductiviteacute plu s le s valeur s d e p H augmentent plu s le s valeur s d e l a conductivit eacute

augmentent aussi Cett e relatio n peu t sexplique r pa r un e teneur plu s eacutelev eacute de s meacutetau x dan s

la solution surtou t dans les solutions de CKD

54

B1 B 2 S I 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

C2

Figure 31 Eacutevolution du pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutees ( bull ) non filtreacutes (o ) lors des essais de 48 heures

Il est coimu quen geacuteneacuteral les ions meacutetalliques en solution tels que Ca Mg Na^ forment

des eacutelectrolyte s beaucou p plu s puissant s qu e ceu x de s non-meacutetau x dougrave le s valeur s plu s

eacuteleveacutees de conductiviteacute des CKD (Cl) Toutefois s i on compare les valeurs de conductiviteacutes

initiales reacutesumeacutees au tableau 32 des scories FAEacute HF et les cendres volantes F on remarque

que contrairemen t au x autre s reacutesidus leur s valeur s d e conductivit eacute apregrave s 4 8 heure s d e

carbonatation ont augmenteacutes Ces reacutesultats corroborent ceux obtenus par Bonenfan t (2008)

Bonenfant expliqu e cet eacutecart par la preacutesence des oxydes amphotegraveres dans la solution tels que

lAl203 qu i diminuen t substanfiellemen t leur s influence s su r l e p H de s mateacuteriau x cibleacute s

comparafivement agrave ceux des oxydes fortement basique s tels que les oxydes de calcium et de

sodium

55

Tableau 3 2 Les valeurs des conductiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories SA E

(SI) Scories FP (S2) Scories HF (S3 ) CKD St-Lauren t

Cl CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

Conductiviteacute e n mS

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

58

43

05

69 11

243

-

-

48 heures

72

44

03

77 18

187

69

18

Non-filtreacute 24

heures 63

47

06

66 15

262

-

-

48 heure s

78

49

07

71 19

251

85

16

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

59

44

06

59 10

208

92

14

Non-filtreacute -

62

45

07

61 14

172

100

14

En revanche l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s daluminiu m dan s le s lixiviat s de s boue s

rouges e t des scorie s FA Eacute es t susceptibl e decirctre en partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees d e

conductiviteacute d e ce s troi s solution s selo n Bonenfan t (2008) I l es t inteacuteressan t d e constate r

encore un e foi s qu e l a preacutelixiviation comm e dan s l e cas d u pH a tregraves pe u dincidenc e su r

leacutevolution d e l a conductiviteacute E n fait i l nexist e aucun e diffeacuterenc e significafiv e d e

conductiviteacute entre le s reacutesidus preacutelixivieacutes et non-preacutelixivieacutes comme le deacutemontre l a figure 32

56

21

co18

bull^12

bullB 9 o ^ 6 O O 3

B1 8 2 81 82 8 3 C 1 C 2

Types de reacutesidus

Figure 32 Eacutevolution de la conductiviteacute des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) no n filtreacutes (bull) etnon-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull) no n filtreacutes (0) lors des essais de 48 heures

312 Essai s de 24 heures

Tel quexpliqu eacute preacuteceacutedemment le s essai s d e seacutequestratio n d u CO 2 d e 2 4 heure s on t eacutet eacute

reacutealiseacutes dans le but de deacutecouvrir sil existai t une diffeacuterence significativ e entr e les deux temps

de seacutequestratio n d u d e CO 2 eacutetudieacutes 24 e t 4 8 heures Pou r c e faire le s reacutesidu s qu i on t

obtenus le s meilleurs reacutesultat s de seacutequestration du CO2 lors des essais de 48 heures ont eacuteteacute

soumis agrave des tests de seacutequestration de 24 heures Ces reacutesidus sont le s boues rouges (humides

et segraveches) les scories (FAEacute FP HF) et les CKD St Laurent

La figure 33 illustre les reacutesultats de leacutevolution du pH apregraves 24 heures de barbotage de CO2

On remarque que les valeurs de pH des Bl B2 SI S3 et Cl son t tregraves semblables Ils varient

de 69 (Cl preacutelixivi eacute filtreacute) agrave 82 imiteacutes (SI non - preacutelixivi eacute filtreacute)

57

12 n

m lU

0

4

2

0

i I -i IM i i [ML 1

i I I Lli 1

m 1 i I m 1

i i i ji I

n 1 i Lli -] B1 8 2 8 1 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

Figure 3 3 Eacutevolutio n d u pH de s si x reacutesidu s preacutelixivieacute s filtreacutes (D) no n filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes (bull) no n filtreacutes (s ) lors des essais de 24 heures

Les scories S2 se deacutemarquent par leurs valeurs de pH eacuteleveacutees soient de 93 (preacutelixivieacute filtreacute)

agrave 100 4 (non-preacutelixivieacute non-filtreacute) Ce s reacutesultat s deacutemontren t qu e le s scorie s S 2 relacircchen t

plus difficilemen t le s ion s meacutetalliques qu e l e reste de s reacutesidus alcalins Rappelon s qu e le s

CKD (Cl ) on t obten u le s plu s forte s baisse s d e p H pa r rappor t au x valeur s avan t l a

carbonisation soi t plu s d e 6 uniteacutes Toutefois le s diffeacuterence s d e p H entr e le s eacutechantillon s

preacutelixivieacute e t non-preacutelixivi eacute son t moin s significative s soien t d e 0 1 agrave 1 uniteacute Ce s reacutesultat s

deacutemontrent encore une fois qu e la preacutelixiviation a peu dincidence sur leacutevolution du pH

Quant agrave leacutevolution d e la conductiviteacute l a figure 3 4 permet d e constater qu e le s valeurs de

conductiviteacute obtenues sont tregraves semblables avec celles obtenues lors les essais de 48 heures

car les meacutecanismes qui reacutegissen t la libeacuterafion des ions meacutetalliques sont identiques

58

30

lto25 E S 20

gt 15 o = 10

B1 62 81 8 2

Types de reacutesidus

83 CI

Figure 34 Eacutevolution de la conductiviteacute des six reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull ) non filtreacutes (3) lors des essais de 24 heures

32 Deacuteterminatio n du pouvoir alcalin

Les reacutesultats de s essai s d e titrage reacutealiseacute s avec le s hui t reacutesidu s (voi r le s reacutesultat s complet s

Armexe VI ) son t illustreacute s respectivemen t pa r le s figure s 3 5 agrave 37 Le s reacuteserve s alcaline s

calculeacutees agrave parti r d e ce s figure s son t reacutesumeacute s dan s l e tablea u 33 Ce s reacutesultat s indiquen t

clairement qu e le s quantiteacutes dacide chlorhydriqu e (acide fort ) neacutecessaire s pour atteindre le

pH 8 3 (p H d e saturatio n e n CaC0 3 dun e solutio n agrave leacutequilibr e e t agrave l a pressio n

atmospheacuterique) son t d e 8 agrave 1 1 foi s plu s eacuteleveacutee s dan s l e ca s de s scorie s dacieacuterie s

comparativement au x boues rouges de 2 agrave 27 fois plus eacuteleveacutees que les CKD et jusqu agrave 38

fois plus eacuteleveacutees que les cendres volantes Les cendres volantes ont un pouvoir alcali n tregraves

faible seulement 2 mL de HCl on suffit pou r baisser le pH initial en-dessous de 5 uniteacutes Les

CKD preacutesentent des pouvoirs tampons les plus eacuteleveacutes parmi les reacutesidus alcalins suivis par les

scories HF et FP

59

Tableau 33 Reacuteserves alcalines des huit reacutesidus

Type de reacutesidu

Boues rouges humides ( B 1 ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FAE (SI ) Scories FP (S2 ) Scories HF (S3 ) CKD (Cl ) CKD (C2 ) Cendres volantes (F )

pH

83

Reacuteserve alcaline (mole de HCIkg de reacutesidu)

038 04 31 39 43 14 16

012

En revanche le s boue s rouge s on t u n pouvoi r tampo n beaucou p plu s faibl e compar eacute au x

autres reacutesidus mentionneacutes ci-dessus mais plus eacuteleveacute que les cendres volantes Les particules

solides contribuent pou r 7 6 du pouvoir neutralisant de s boues rouges e t l a phase liquide

pour 24 constate Bonenfant et al (2008)

14 1

12

10 -

8 -

6 -

4 -

2 -

n -u 1

(

icirc-~~-icircraquo^^

1

) 1 0

bull ^

1 1 1

20 3 0 4 0

HCIlNenml

V

I

50

1

60

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FA E (bull) FP (bull) e t HF (0) en fonction du volume dacide ajouteacute

60

Figure 36 Courbes d e titrage des CKD Cl (bull ) e t C2 (bull) e n fonctio n du volume dacide ajouteacute

16-

14 A

pH

00 O

to

1 1 1

r-1

6 -

4 -

2 -n -

4P

^ ^HU

u T 1

0 1 0

Vp-

^9laquo^--f^-^^

20 3 0 4 0

H C I l N e n m l 50

Figure 37 Courbes de titrage des boues rouges segraveches (D ) et humides (bull) en fonction d u volume dacide ajouteacute

61

Ces reacutesultats indiquen t qu e les scories dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute de neutralisation plu s

eacuteleveacutee qu e tou s le s autre s reacutesidus D e plus le s scorie s H F son t le s plu s reacuteactive s ave c un e

reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en solution aqueus e

Cette eacutetap e d e la preacutesent e eacutetud e a consist eacute agrave mesure r le s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 en

solution pa r le s hui t reacutesidu s alcalins Lobjecfi f principa l d e cett e eacutetap e eacutetai t deacutevalue r l a

variation d u potentie l d e seacutequestratio n pa r le s matrice s de s reacutesidu s e t d e leur s lixiviat s

pendant 2 4 e t 4 8 heure s afi n d e seacutelectionne r le s reacutesidu s ayan t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration Cett e eacutetap e visai t eacutegalemen t agrave deacutetermine r si l exist e un e diffeacuterenc e

significative de s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s entr e le s deu x temp s d e

seacutequestration Enfin leacutetud e d e l a cineacutetiqu e d e seacutequestratio n pa r l e reacutesid u alcali n ayan t

obtenu l e meilleur rendemen t dadsorptio n d u CO2 lors les deux seacuterie s dessais a pour bu t de

mieux comprendre c e processus

331 Essai s de 4 8 heures

Les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit reacutesidus sont repreacutesenteacutes agrave la figure 38 Le CO2

injecteacute agrave deacutebi t constan t s e transform e e n phas e aqueuse c e qu i impliqu e un e baiss e d e p H

mais auss i un e adsorptio n d e CO2 Il s deacutemontren t qu e le s scorie s H F e t F P obtiennen t le s

meilleures reacutesultat s (voi r le s reacutesultats complet s Annex e IV ) dadsorpfion d u CO2 suivies pa r

les CKD d e type C l e t C2 Les de boues rouges humides (Bl ) e t segraveche s (B2 ) preacutesentent de s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 beaucoup moin s importante s mais plu s importante s qu e

les cendres volantes (F) La figure 38A indiqu e les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit

reacutesidus non-preacutelixivieacutes O n remarqu e qu e le s eacutechantillon s non-filtreacutee s (matrice s + lixiviats )

des scorie s S 2 e t S 3 obfiennen t le s meilleurs reacutesultat s dadsorpfio n d u CO 2 soien t 008 3 e t

0084 g de C02g de reacutesidu suivies par les Cl qu i preacutesente des capaciteacutes dadsorption d e 008

g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

62

Bl B2 S I 8 2 S 3 C I 0 2

Types de reacutesidus

15 07|

F

81 82 S I S 2 S 3 C I C 2

Types de reacutesidus

1214

Ll F

Figure 38 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 8 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes (D ) e t non- filtreacutes (bull ) lor s des essais de 4 8 heures

63

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s segraveche s e t humide s non-filtreacutee s offren t de s rendement s

infeacuterieurs agrave 60 compareacutes agrave ceux de s scories S 2 et S3 Les cendres volante s offre s le s plus

faibles reacutesultat s dadsorption soi t 0015 g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

Si o n compar e le s graphique s A e t B o n remarqu e qu e l a lixiviatio n a e u de s impact s

diffeacuterents su r le s hui t reacutesidu s testeacutes Le s boue s rouge s humide s e t segraveche s e t le s cendre s

volantes ont eacutet eacute plus sensibles agrave la lixiviation e n deacutemontrant de s reacutesultat s presqu e identique s

dadsorpfion d u CO2 L a figur e 48 B illustr e u n autr e fai t inteacuteressant Le s meacutelange s

(matrices+ lixiviats ) de s scorie s S 2 e t de s poussiegraveres d e fou r de s cimenterie s C 2 offren t de s

meilleurs tau x dadsorptio n d u CO 2 que le s lixiviat s seuls C e reacutesulta t peu t sexplique r pa r

tme preacutesence plus eacuteleveacutee des ions meacutetalliques dans les matrices que dans la solution

Les scorie s F P ont u n pouvoi r d e seacutequestratio n d u CO 2 qui peu t atteindr e 010 7 g de C02 g

de scorie s soi t l e tripl e d u pouvoi r de s boue s rouges C e hau t nivea u dadsorpfio n peu t

sexpliquer pa r l a teneur eacuteleveacute e en CaO jusquagrave 31 7 de Si0 2 (91) e t MgO (6 ) selo n

Huijgen et al (2005) Ce s oxyde s on t l a proprieacutet eacute d e reacuteagi r facilemen t ave c l e CO 2 e t d e

former de s carbonates stables

332 Essai s de 2 4 heure s

La figure 3 9 illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 apregraves 2 4 heure s d e carbonatatio n pa r

les si x reacutesidu s seacutelectionneacute s (voi r le s reacutesultat s complet s Armex e V) Lallur e geacuteneacuteral e de s

graphiques de la figure 39 sapparent e agrave celle de la figure 38 Comme dans l e cas des essai s

de 4 8 heures le s scorie s S2 S 3 e t le s CK D typ e C l no n - preacutelixivieacute s offren t le s meilleur s

reacutesultats dadsorptio n d u CO2 Les boues rouge s segraveche s (non-filtreacutes ) preacutesente s de s capaciteacute s

dadsorption d u CO2 20 supeacuterieures agrave celles humides e t 45 infeacuterieure s au x scorie s S3

La figure 39 A illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 par le s si x eacutechantillon s preacutelixivieacute s

pendant 2 4 heures

64

CM O O agt

O)

O)

O)

o 0)

laquo - s = ltr t

O) I -V)

laquoM O O 0)

bullo o

7 4gt

bull O

O) o o mdash lt1) -gt (A 0) 3

(A

(A 3

bull O

res

h

5 ^

4

3 18

A

29

6

5

4

3

2

1

0

B

35

65

36

81 8 2 S 1 S 2 S 3

Types de reacutesidus

Bl B 2 8 1 8 2 8 3

Types de reacutesidu s

CI

CI

Figure 3 9 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 6 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacute s (B ) filtreacutes (D ) e t non - filtreacutes (bull ) lor s de s essai s d e 24 heures

65

La preacutelixiviatio n sembl e davoi r u n impact e positi f su r ladsorptio n d u CO 2 pa r le s troi s

types de scories et les boues rouges humides non-filtreacutes

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s humide s ont augment eacute respectivemen t leu r pouvoi r

dadsorpfion d e CO 2 d e 5 2 e t d e 27 pa r rappor t au x eacutechantillon s non-preacutelixivieacutes Le s

faibles reacutesultat s dadsorption d u CO2 par les eacutechantillons preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes

deacutemontrent qu e le s carbonates s e trouvent majoritairemen t dan s le s matrices e t non dan s le s

lixiviats

La comparaison de s reacutesultats obtenus de la seacutequestration d u C02 lor s des deux seacuterie s de tests

permet d e constate r qu e le s diffeacuterence s d e gain s son t tregrave s diffeacuterentes Le s plu s grande s

diffeacuterences d e gain s son t enregistreacutee s pa r le s scories S 3 e t S 2 respectivement lor s des essai s

de 2 4 e t 4 8 heures D e plus le s scorie s S 2 obtiennen t le s plu s haut s gain s sou s leu r form e

preacutelixivieacutee contrairemen t au x scorie s S 3 qu i obtiennen t le s meilleur s reacutesultat s sou s leu r

forme non-preacutelixivieacutee D e ce fait o n peut conclur e qu e l a carbonatation peu t ecirctr e influenceacute e

par l e temps d e preacutelixiviation de s oxydes meacutetallique s s i la preacutelixiviation es t supeacuterieur e agrave 24

heures

34 Cineacutetiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP

Leacutetude de s potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 par le s hui t reacutesidu s testeacute s a releveacute qu e le s

scories F P (S2 ) offren t l e meilleu r potentie l d e seacutequestration D e c e fait i l import e don c

deacutetudier l a cineacutefique dadsorpfio n d u CO2 par ce reacutesidu alcalin afi n d e mieux comprendr e c e

processus L e choi x de s scorie s non-preacutelixivieacutee s s e justifi e pa r leur s rendement s d e

seacutequestrafion d u CO 2 qui son t plu s eacuteleveacutes par rappor t agrave celles preacutelixivieacutees Pou r c e faire le s

reacutesultats d e leacutevolutio n d u pH de conducfiviteacute e t de ladsorpfio n d u CO 2 seront preacutesenteacute s e t

analyseacutes

66

Les figures 31 0 e t 311 illustrent leacutevolutio n d u pH et de la conducfiviteacute de s scories F P non-

preacutelixivieacutees apregrave s 8 heures de carbonatation (voi r le s reacutesultats comple t agrave F Armexe VII) Huit

mesures de s valeur s d e pH e t conductiviteacute ont eacutet eacute reacutealiseacutees soi t apregrave s 0 25 5 10 20 60

120 et 480 minutes

1 12 bull

11 -

X ^ 10 -

9-

8-

7 1

^ ^ _

^ ^ ^ N gt N L

1 1

l 1 0 10 0 Temps d e barbotage a u C02 (e n min)

1

1000

Figure 31 0 Eacutevolutio n d u p H de s scorie s F P filtreacutees (bull) no n filtreacutees (D) e n fonction d u temps de barbotage au CO2

Le pH et l a conductiviteacute son t lieacute s par les mecircmes meacutecanismes soi t ceu x d e libeacuteration de s ion s

meacutetalliques d e calciu m e t d e magneacutesiu m dan s l a solufio n pa r le s particule s solide s degrave s l e

deacutebut d e l a reacuteaction Le s baisse s de s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute sexpliquen t pa r l a

reacuteaction de s ion s meacutetallique s ave c l e CO 2 qu i es t transform eacute preacutealablemen t e n acid e

carbonique e t l a formation de s carbonates Le s ions e t le s oxydes amphotegravere s reacuteagissen t pe u

dans l a solufio n e t d e c e fait il s ont pe u dimpac t su r l e p H e t l a conducfiviteacute Ces t

seulement apregrave s les dix premiegraveres minutes quon observ e une baisse significative de s valeur s

de pH et de conductiviteacute

67

Ce consta t es t e n accord ave c le s reacutesultats obtenu s pa r Hujge n et al (2006 ) e t Bonenfan t et

al (2008) Mecircm e s i ces auteur s ont travaill eacute ave c de s scorie s ayan t un e granulomeacutetri e plu s

fine (38-16 0 pm) le s preacutesent s travau x conduisen t agrave l a mecircm e conclusio n queu x le s ion s

meacutetalliques s e libegraveren t de s matrice s degrave s l e deacutebut d u processus d e carbonatatio n soi t entr e l e

deuxiegraveme e t l a dixiegravem e minute Selo n ce s auteurs l a concentratio n d e calciu m augment e

presque lineacuteairemen t agrave laugmentatio n d u temp s d e reacuteaction jusquagrave enviro n 1 0 min Apregrave s

cela l a concentratio n nivegravel e o u diminue L a sursaturatio n a e u lie u parc e qu e l e tau x d e

deacutepocirct d e carbonat e d e calciu m agrave parti r d e l a solutio n eacutetai t beaucou p plu s len t qu e l e tau x

dextraction de s ions calcium agrave partir des deacutechets de ciment (lizuk a et al 2004)

CZ5

3 -a S O

6

5

^ 4

f 3 2

1

0 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee de barbotage d u CO2 (en min) 481

Figure 31 1 Eacutevolutio n d e l a conductivit eacute de s scorie s F P non -preacutelixivieacutees filtreacutees (D ) et no n filtreacutes (bull ) e n fonctio n du temp s d e barbotage a u CO2

Le CO 2 reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates C e reacutesulta t c e confirm e auss i pa r le s figures 31 2 e t 31 3 qu i illustren t

leacutevolution d u potentiel de seacutequestration d u CO2 en fonction d u temps

68

lt3gt bull O

(SX)

C l U agt bull -

S cr

O

8

7

6

5

4

3

2

1

0 D-

1 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee d e barbotag e du CO2 (en min)

481

Figure 31 2 Eacutevolutio n d u pouvoi r d e seacutequestratio n du carbon e de s scories F P non-preacutelixivieacutee s filtreacutees (D) non-filtreacutee s (bull ) e n fonctio n du temps de barbotage au CO2

On remarqu e qu e le s quantiteacute s d e CO 2 adsorbeacutes le s plu s eacuteleveacute s son t attein t apregrave s 8 heure s

soit 7 4 g de CO2100g de scorie s F P mais cest entr e l a deuxiegraveme e t dixiegraveme minut e quo n

observe qu e l a vitess e d e seacutequestrafio n es t plu s eacuteleveacute e (figur e 313) Te l qu e expliqu eacute

preacuteceacutedemment dan s cett e eacutetude c e son t le s matrice s qu i offren t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 A l a diffeacuterenc e de s temp s d e seacutequestratio n d e 2 4 e t 4 8 heures i l

semble que le temps de huit heures est trop court pour que le s solutions filtreacutees reccediloiven t de s

quanfiteacutes suffisante s dion s meacutetallique s pour seacutequestrer l e CO2 agrave des quantiteacutes notables

69

006 bull ] u a M 00 5 -0 - p u E

I 3 E 00 4 bull Tl -v

1 C ^ ^ 9 CL 003 bull

bullJ L L

i 0 iuml 0 0 -XI 0

i Q O i = 0 oo i bull 1 0 1 o i ( A mdash icirc l l

icirc s 0 gt

1 i

^

25 5 10 2 0 6 0

Temps en min

120 48 0

Figure 31 3 L a vitess e dadsorptio n d u CO 2 e n fonctio n d u temp s par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes (n) et non filtreacutes (bull)

Synthegravese

Les capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 ont eacutet eacute eacutetudieacutees pou r hui t reacutesidu s alcalin s soi t le s boue s

rouges humide s e t segraveches le s scorie s FP FOP FAEacute le s CK D ( 2 types ) e t le s cendre s

volantes Le s essai s de carbonatation direct e e t indirecte on t eacutet eacute effectueacutes e n cuveacutee agrave un flux

gazeux d e 1 5 d e CO 2 e t 8 5 d e N 2 pendan t 4 8 heure s e t ont permi s d e tire r le s

conclusions suivantes

Les valeur s d e p H de s scorie s e t de s boue s rouge s e t de s CK D son t tregrave s semblable s soi t

leacutegegraverement au-dessu s d e 7 (preacutelixivieacutees e t non-preacutelixivieacutees) Seulemen t le s cendres volante s

ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7 En ce qui concerne l a conductiviteacute

on peu t firer le s mecircme s conclusion s qu e l a variafio n d u p H agrave lexcepfio n de s CK D qu i

obtiennent de s valeur s d e conductivit eacute quatr e foi s supeacuterieure s qu e le s autre s reacutesidus Cett e

diffeacuterence peu t ecirctr e occasionneacute e pa r un e meilleur e teneu r de s ion s meacutetallique s e n solutio n

dans le cas des CKD

70

Quant au x capaciteacute s de s reacutesidus agrave seacutequestrer l e CO2 trois reacutesidus s e sont deacutemarqueacute s lor s de s

deux seacuterie s d e test s les scorie s HF FP e t le s CKD Lor s le s essai s ce s reacutesidus on t obtenu s

les reacutesultats de seacutequestration d u CO2 suivants

bull Essai s de 24 heures

Scories HF (65 pp) gt scories FP (59 pp) gt CKD St-Lauren t (4 7 pp)

bull Essai s de 48 heures

Scories FP (107 pp) gt scories HF (84 pp) gt CKD St-Lauren t gt (79 pp)

Les tests sur le pouvoir alcalin des scories ont indiqueacute que les scories dacieacuterie possegraveden t un e

capaciteacute de neutralisation plu s eacuteleveacutee que tous les autres reacutesidus De plus les scories HF sont

les plus reacuteactives avec une reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

Enfin le s test s d e l a cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2 par le s scorie s F P ont deacutemontr eacute qu e l a

seacutequestration d u CO 2 s e reacutealis e plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegravere s minute s d e l a

reacuteaction

CHAPITRE 4

DISCUSSION GEacuteNEacuteRAL E

Le preacutesen t chapitr e a pou r objecti f dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s

obtenus dan s l e cadr e d e cett e eacutetude C e chapitr e compar e eacutegalemen t le s reacutesultat s obtenu s

lors de s deu x seacuterie s d e test s (2 4 e t 4 8 heures ) ave c ceu x obtenu s pa r dautre s eacutetude s

semblables De plus limpact enviroimementa l de ce proceacutedeacute sera analyseacute e t preacutesenteacute

41 Inteacutegratio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests

Les essai s reacutealiseacute s on t montr eacute qu e l e potentie l d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s

industriels alcalin s vari e e n fonctio n d e leur s caracteacuteristique s physico-chimique s telle s qu e

la teneu r e n ion s meacutetallique s tel s qu e Ca ^ e t Mg^ l e pH la granulomeacutetri e e t auss i de s

conditions expeacuterimentale s choisies L a tempeacuterature l a pression l e ratio L S e t l a vitesse d e

brassage jouent u n rocircle de premier plan sur les reacutesultats de seacutequestration d u CO2

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lor s des essai s d e 24 et 48 heures

Lobservation de s reacutesultat s d e p H e t d e conducfivit eacute obtenu s lor s de s deu x seacuterie s d e test s

deacutemontre qu e le s diffeacuterence s d e pH son t tregrave s semblable s pou r le s Bl B2 SI S3 et Cl E n

fait le s diffeacuterence s d e p H varien t entr e 0 2 agrave 0 8 uniteacute s (sau f le s CKD) tregrave s pe u s i o n

considegravere qu e l a diffeacuterence d e temps es t des deux foi s supeacuterieure s entr e l a deuxiegraveme seacuteri e de

tests Le s CK D manifestemen t conserven t leu r pouvoi r alcali n presqu e inchangeabl e apregrave s

24 heure s d e carbonatation Seulemen t le s scorie s F P (S2 ) on t subi e baiss e d e p H

significafive d e 2 agrave 25 uniteacutes entre les deux seacuteries dessais

72

Ces reacutesultat s deacutemontren t qu e tous ce s reacutesidus alcalin s ont de s excellente s reacuteserve s alcaline s

et quil s relacircchen t se s ions meacutetalliques tregrave s lentemen t dan s l a solution aqueuse Ce s reacutesultat s

sont semblable s agrave ceu x obtenu s pa r plusieur s chercheur s (Hujge n et al 2006 Bonenfan t

2008 Huntziger 2009)

Dans l e ca s de s boue s rouges le s reacutesultat s obtenu s son t e n accor d ave c ceu x obtenu s pa r

Bonenfant (2006) Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute son t plu s eacuteleveacutee s pou r le s boue s

rouges humide s qu e le s boue s rouge s segraveche s e t peuvent ecirctr e expliqueacutee s pa r un e plus grand e

faciliteacute d e libeacuteratio n de s ion s (cation s e t ion s hydroxyles ) de s boue s rouge s humide s

occasionneacutee pa r leu r dissolutio n preacutealabl e dan s l a soud e caustique comparativemen t au x

boues rouge s segraveche s qu i non t pa s subi t c e traitement Ce s reacutesultat s prouven t qu e l a

lixiviation en geacuteneacuteral joue un rocircle minime su r le pH peu import e le reacutesidu ufiliseacute Toutefois

selon Bonenfant (2008) le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s meacutetallique s

tels que Ca Mg Ap^ Fe Ce sont ces ions et leur s oxydes respectif s qu i assuren t l e pH

et le s conductiviteacutes eacuteleveacute s de s reacutesidus cibleacutes Les grandes quantiteacute s dhydroxyd e d e sodiu m

libeacutereacutees dan s le s lixiviat s de s boues rouge s peuven t eacutegalemen t ecirctr e responsable s de s valeur s

eacuteleveacutees de pH e t de conductiviteacute qu i ont eacuteteacute mesureacutees apregraves 24 et 48 heures de lixiviation E n

effet le s grande s quantiteacute s d e solution s dhydroxyd e d e sodiu m on t de s alcaliniteacute s e t

conductiviteacutes eacutelectriques eacuteleveacutees

Hujgen et al (2006 ) on t deacutemontr eacute qu e le s ion s meacutetalliqu e s e libegraveren t de s matrice s de s l e

deacutebut d u processu s d e carbonatatio n soi t entr e l e deuxiegravem e e t l a dixiegravem e minute L e CO 2

reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates

Les bou s rouge s humide s no n - preacutelixivieacutees filtreacutees e t no n filtreacutees s e deacutemarquen t pa r de s

valeurs de pH e t de conductivit eacute leacutegegraveremen t infeacuterieure s pa r rappor t au x boue s rouges segraveche s

et le s scories E n revanche selo n Bonenfant (2008) l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s

daluminium dan s le s lixiviat s de s boues rouge s e t des scorie s FA Eacute es t suscepfibl e decirctr e e n

partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees de conducfiviteacute d e ces trois solutions

73

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute le s valeurs obtenues lor s des deux seacuterie s de tests son t

tregraves semblables ca r le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t l a libeacuteratio n de s ion s meacutetallique s son t

semblables

Liu et al (2003 ) ont deacutemontr eacute qu e l e p H de s boue s rouge s augment e ave c l e temp s d u

stockage L e Ca^ ^ es t plu s facilemen t eacutechangeabl e dan s de s boue s fraicircche s qu e dan s le s

vieilles boues Ce s demiegravere s son t domineacutee s pa r le s eacutechange s d e Na^ Laluminiu m conten u

dans le s boue s rouge s es t preacutecipit eacute d e l a solutio n sou s form e d e dawsonit e NaAlC03(OH) 2

(Nikraz et al 2007)

Les cendre s volante s mecircm e s i elle s on t de s valeur s initiale s d e p H plu s ba s qu e le s autre s

reacutesidus soi t d e 88 6 agrave 895 deacutemontren t de s capaciteacute s d e carbonatatio n inteacuteressante s s i o n

tient compte d e leur faibl e teneu r de CaO Dailleurs selo n Soon g et al (2006) i l nest pa s

utile davoir u n p H tregraves bas car les carbonates se forment agrave un pH eacutega l ou supeacuterieur agrave 78

De ce fait on peut conclure que

bull i l nest peut-ecirctr e pas utile daugmenter l e temps dadsorption d u CO2 au-delagrave de 24

heures car les valeurs de pH et de conductiviteacutes varient tregraves peu

bull le s reacutesidus alcalins ont des meacutecanismes de carbonatation e t des pouvoirs tampons tregrave s

semblables

il existe un lien direct entre la variation du pH et de la conducfiviteacute

bull c e sont le s ions meacutetalliques tels que Ca ^ Mg Na^ qui deacuteterminent e n grande partie

leacutevolution d u pH et de la conductiviteacute

74

412 Limpac t du pouvoir alcalin e t de la cineacutetique de ladsorption du CO2 sur la seacutequestration d u CO2

Il est inteacuteressan t d e noter que l e pouvoir tampon de s reacutesidus s e manifeste agrave des intervalle s de

pH diffeacuterent s entre 1 0 agrave 8 pou r le s scories 8 agrave 6 pou r le s CK D e t 6 agrave 4 pou r le s boue s

rouges Ces reacutesultats son t en accord avec ceux obtenu s par Bonenfant et al (2008) Huijge n

et Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009) Ce s pouvoir s tampon s important s son t du s

probablement a u fai t qu e le s silicate s ont partiellemen t reacuteag i dan s ce s gamme s d e pH

(Baciocchi et al 2009)

Selon Bonenfant (2006) l a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n

oxydes meacutetalliques plus particuliegraverement de s oxydes meacutetalliques basiques tels que l e CaO et

le Mg O scories F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

Bonenfant et al (2008) Huijgen e t Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009 ) ont eacutetudi eacute le

rapport entr e l e pouvoi r alcali n e t l a lixiviatio n de s meacutetau x pa r ce s reacutesidus Le s test s d e

lixiviation meneacute s pa r Baciocch i e t Bonenfan t ont confirm eacute qu e l a quantit eacute de s ion s Ca^ ^

dans les scories es t plus basse agrave des pH gt 8 en raison de la formation d e calcite

Selon Hujge n et al (2005 ) le s scorie s agrave des pH varian t entr e 5 1 agrave 3 5 libegraveren t le s ion s d e

calcium qu i formen t de s silicate s e t des bicarbonates Quan t au x CKD leu r pouvoi r tampo n

eacuteleveacute empecircch e l a formatio n d e bicarbonates Pou r obteni r l a formatio n d e ce s demiegraveres i l

faut ajoute r davantag e dacide chlorhydriqu e e t augmenter l e temps de reacuteaction au-delagrave de 24

heures

Lorsque l e p H attein t un e valeu r infeacuterieur e agrave pK2 = 10 3 d u systegravem e carbonates Feacutequilibr e

se deacuteplac e dan s l e sen s favorisan t l a consommafion de s ion s bicarbonate s CO3 et l e deacutepocirc t

de l a calcit e (CaCOs ) jusqu agrave latteint e dun e limit e qu i deacutepen d d e l a teneu r d e Ca en

solution Selo n Bonenfant (2008) cette situatio n deacutefini t eacutegalemen t l a capacit eacute dadsorptio n

de CO2

75

Le M g s e mobilis e e n mecircm e temp s qu e l e Ca ^ mais se s composeacute s son t plu s soluble s qu e

ceux d u calcium Le s concentrafions d e Ca^ sont en moyenne 1 0 fois plu s eacuteleveacutees qu e cell e

du M g apregrave s 6 heure s d e lixiviatio n e t cett e libeacuteratio n d e cation s (C a ^ et M g ) s e fai t e n

parallegravele ave c laugmentatio n d u p H e t d e l a conductivit eacute d e l a solutio n (Bonenfan t et al

2006)

Les reacutesultat s de s deux seacuterie s de tests (24 et 48 heures) su r le s capaciteacutes dadsorptio n d u CO2

par ce s reacutesidu s ont deacutemontreacute s qui l es t possibl e d e seacutequestre r l e CO 2 agrave parti r d e reacutesidu s e t

sous-produits industriel s alcalin s (voi r tableau 41) Les matrices d e ces mateacuteriaux sembleacute s agrave

posseacuteder un e grand e capacit eacute d e libeacuteratio n de s cation s e t de s ion s hydroxyle s capable s d e

reacuteagir avec l e CO2 Le s cendres volantes on t enregistreacute le s plus faibles reacutesultat s dadsorptio n

du CO 2 (15 pp) e t ce agrave cause des faible s teneur s e n calcium e t magneacutesium ( lt de 1 0 )

Pourtant le s capaciteacutes theacuteoriques dun e tonn e de cendres volante s contenan t 4 1 de chaux

peuvent seacutequestre r 32 2 k g d e C02tonn e d e cendre s volante s (Montes-Hemande z et al

2009) Quan t au x CKD leur s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestratio n d u CO 2 dan s de s

conditions dexpeacuterimentatio n ambiante s son t d e lordr e d e 11 5 kgtonn e d e reacutesid u

(Huntzinger et al 2009)

Lors l a carbonatation de s CK D e t des cendres volante s lettringit e es t transform eacute e n calcite

en quart z e t e n gypse Aucu n reacutesid u nattein t le s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestrafio n d u

CO2 mecircm e apregrave s 4 8 heure s d e carbonatation Ce s reacutesultat s sexpliquen t pa r l a formatio n

dune couch e d e carbonate su r le s particules qu i colmat e le s pores e t de ce fait l a libeacuterafio n

des ion s meacutetallique s d e C a e t M g dan s l a solufio n es t compromis e (Bonenfan t et al 2008

Hujgen et al 2006)

76

Tableau 41 Reacuteserves alcalines et potentiel de seacutequestration des reacutesidus alcalins

Type de reacutesid u

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FA E

(SI) Scories FP

(S2) Scories HF

(S3) CKD (Cl) CKD (C2)

Cendres volantes

(F)

Seacutequestration d e CO2 en 24 heure s (gdeCO2100gde

reacutesidu alcalin ) 35

36

47

59

65

47

-

Seacutequestration d e CO2 en 48 heures (g de CO2100g de

reacutesidu alcalin ) 34

31

36

107

84

79

6

L5

Reacuteserve alcalin e (mole de HClkg de

reacutesidu)

038

04

31

39

43

14

16

012

Selon lizuka (2004 ) mecircm e s i le s calcul s thermodynamique s indiquen t qui l es t

theacuteoriquement possibl e d e convertir plu s de 67 du calcium conten u dan s le s deacutechets de

ciment en carbonate de calcium le taux de conversion pratique est largement deacutetermineacute e par

les facteur s cineacutetique s d e l a reacuteactio n e t l e degreacute d e l a carbonatatio n es t limit eacute agrave quelque s

millimegravetres deacutepaisseur sur la surface des particules

La formation de s silicate s es t un autr e facteu r qu i baiss e l a libeacuteration de s ion s meacutetallique s

dans la solution aqueuse Ces reacutesultats indiquent que les chutes de pH et de conductiviteacute sont

plus eacuteleveacutees dans la solution de scories FP en solution que celles observeacutee dan s la solution

des scories FAEacute des boues rouges humides et segraveches des CKD et des cendres volantes

77

Toutes le s autre s eacutetude s d e seacutequestratio n d u CO 2 ont utilis eacute soi t de s tempeacuterature s e t de s

pressions eacuteleveacutees soit des granulomeacutetries beaucoup plus petites soit tous ces facteurs reacuteuni s

ensemble (voir tableau 42)

Tableau 42 Reacutesumeacute des reacutesultats seacutequestration du CO2 obtenus par dautres eacutetudes

Type de reacutesidus

Boues rouges

Scories

CKD

Cendres volantes

3 ^ ^

Tem

peacutera

(e

ndegC

22

100

70 200

22

22

25

Conditions opeacuteratoire s

S ^ 0 u

A

19

30 3

A

A

30

^

Rat

io L

S (

10

2

05 04

10

12

10

C G

ranu

lom

(e

n pr

r

I

lt38

lt10 lt

01 38-160

I

I

0 _ T3 4 J V -

Vite

sse

bras

ag

ten

ron

300

1000

--

300

-

-

c

Tem

ps (

heur

es

24

05

2 2

24

816

18

CaO e n

de masse

55

317

48

41

Potentiel d e seacutequestr

theacuteorique du C02en kgkg 006^

025

016

003

Reacutesultat de

seacutequestr du C02e n

kgkg

0043

75 du total de Ca

002 013^

025

012^

003

1) Hujgen et al (2005) 2) Eloneva et al (2008) 3) Baciochi el al (2009) 4) Bonenfant et al (2008) 5) Khaitan (2003) 6) Huntzinger (2009) 7) Montez-Hemandez (2009) A=atmospherique I=industrielle

Les reacutesultats obtenus par ces eacutetudes deacutemontrent que dans les cas des scories dacieacuteries e t des

poussiegraveres d e fou r de s cimenteries loxyd e d e calciu m es t loxyd e meacutetalliqu e qu i leu r

confegravere leu r potentiel de seacutequestration du CO2

Dans le cas des boues rouges agrave part le calcium qui joue un rocircle significafif dan s le potentiel

de seacutequestration d u CO2 le sodium qui est libeacutereacute en quantiteacute preacutedominante peut eacutegalement

jouer un rocircle dans la seacutequestration du CO2 (Bonenfant et al 2006)

78

Il es t importan t d e note r qu e seule s le s scorie s F P on t doubl eacute leu r capacit eacute dadsorptio n d u

CO2 lors des essais de 48 heures par rapport aux essais de 24 heures

Selon l a litteacuterature l a taille de s particule s d e scorie s exerc e leffe t l e plu s significati f su r l a

reacuteaction plu s l a taill e de s particule s es t petite plu s l a reacuteactio n ave c l e CO 2 es t eacuteleveacutee L a

tempeacuterature e t l a ration L S eacuteleveacutee s jouent eacutegalemen t u n rocircle importan t su r l a dissolution d e

silicates (Baciocchi et al 2009)

En conclusion i l exist e u n lie n direc t entr e l e pouvoir alcali n e t la capaciteacute d e seacutequestratio n

du CO 2 pa r le s reacutesidu s alcalins Plu s l e pouvoi r alcali n es t eacuteleveacute plu s l a capacit eacute d e

seacutequestration d u CO2 par ces reacutesidus est eacuteleveacutee

42 Limpac t environnementa l d e la seacutequestration du CO2

Les reacutesidu s alcalin s eacutetudieacute s s e caracteacuterisen t pa r de s p H tregrave s eacuteleveacute s gracircc e agrave leur s teneur s

eacuteleveacutes dion s meacutetalliques Aucu n d e ce s reacutesidus n e deacutepassai t le s norme s environnementale s

traitant le s meacutetaux lourd s tels que le chrome le molybdegravene le mercure l e plomb etc

Bonenfant et al (2006) Huijge n et al (2005 ) e t Huntzinge r et al (2009 ) ont deacutemontr eacute

quaucun eacuteleacutemen t dangereu x n e se libegravere lor s de la lixivitaion de s reacutesidus alcalins carbonate s

tels que le s scories le s boues rouge s e t le s poussiegraveres d e four s d e cimenteries Le s eacuteleacutement s

les plu s lixivieacute s son t l e calcium e t l e sodium preacutesent s dan s le s lixiviat s de s boue s rouge s e t

des scories Laluminiu m es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quantiteacute s dan s ce s solufion s

(Bonenfant ea 2006)

En c e qu i concem e l e tau x d e libeacuterafio n de s eacuteleacutement s reacuteactif s de s scorie s FA Eacute d e

granulomeacutetrie 06 3 - 12 5 mm l a concentration d e Ca est e n moyenn e 1 0 fois plu s eacuteleveacute e

que cell e d u Mg ^ et attein t u n maximu m apregrave s 6 h d e lixiviatio n (Bonenfan t et al 2006)

Les autres meacutetaux eacutetudieacutes ne sont preacutesents quen petite s quantiteacutes agrave leacutetat d e trace ou absents

des lixiviats (Proctor et al 2000)

79

Quant au x cendre s volantes aucun e libeacuteratio n d e substance s toxique s meacutetallique s n a eacutet eacute

observeacutee apregraves 1 8 heures de lixiviafion selo n Montes-Hemandez et al (2009) La lixiviatio n

Cr nest pa s influenceacutee pa r le processus de la carbonatation san s doute agrave cause de la faibl e

solubiliteacute de Cr ^ (Baciocchi et al 2009) Agrave ce stade de leacutetude la carbonatation de s reacutesidus

alcalins n e repreacutesenterai t pa s d e dange r su r l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Quan t au x autre s

composeacutes dangereu x eacutemi s dans latmosphegraver e tel s que l e SO2 lesNOx le s fluomres (gazeus e

et particulaire) les dioxines etc i l nexiste pas de donneacutees significatives su r la question

43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins perspective s de lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e

Les reacutesultat s expeacuterimentau x d e l a seacutequestration mineacuteral e d u CO 2 indiquent qui l es t possibl e

dabaisser le s eacutemission s d e c e ga z pa r le s troi s industrie s concemeacutees Toutefois i l fau t

analyser ce s reacutesultat s dan s un e perspectiv e d e deacuteveloppemen t durabl e afi n d e mieu x

comprendre limpac t d e cett e technologi e su r lenvironnement leacuteconomie le s insfitution s

politiques et la socieacuteteacute

Le tablea u 4 3 es t l a suit e d u tablea u d e l a pag e deu x d u preacutesen t travai l e t i l illustr e le s

eacutemissions d u CO 2 par le s troi s industries le s rendements d e l a seacutequestratio n mineacuteral e e t le s

calculs de s reacuteductions de s eacutemission s d u CO2 si cette technologie serai t appliqueacute e agrave leacutechell e

industrielle Dan s l e tablea u 43 le s reacuteduction s calculeacutee s de s eacutemission s d u CO 2 pa r l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s alcalin s de s troi s industrie s son t asse z modeste s s i o n

considegravere qu e le s eacutemission s d e c e ga z eacutemise s pa r le s activiteacute s humaine s seacutelegraveven t agrave 3 8 G t

(GIEC 2007) Toutefois s i o n considegraver e qu e le s troi s industrie s eacutemetten t 1 6 de s

eacutemissions totale s de s acfiviteacute s industrielles le s reacuteduction s de s eacutemission s d u CO 2 proposeacute s

par cette technologie semblen t non-neacutegligeables

80

Tableau 43 Reacutesumeacute des eacutemissions par les trois industries et les baisses respectives de leurs eacutemissions suit e agrave la seacutequestration d u CO2 par leurs reacutesidus alcalin s

Type dindustrie

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Emissions duC02 (en Gt)

015

17

18

Quantiteacutes d e reacutesidus

alcalins (en Mt)

90

350-420

480

Pouvoir de seacutequestration mineacuteral e des reacutesidus industriel s alcalins ( t de C02t de

reacutesidu)

0032

0073

0016

Reacuteduction de s eacutemissions d e

CO2 (en Gt)

00003

0026-003

008

Limplantation d e cett e technologi e agrave leacutechell e industriell e demand e un e eacutetud e eacuteconomiqu e

approfondie Pou r c e faire i l fau t tou t dabor d deacutetermine r le s paramegravetres optimum s d e cett e

technologie tel s que l a dureacutee d e l a seacutequestration l a pression e t la granulomeacutetri e agrave utiliser I l

faut entr e autres teni r compt e d e lintervall e d e production de s quantiteacutes d u typ e d e

transport (contin u o u discontinu ) e t d u temp s d e seacutejou r dan s le s usine s de s reacutesidu s alcalin s

produits pa r le s troi s industries L e choi x d e ce s paramegravetre s influencer a directemen t l e

rendement d e l a seacutequestratio n d u CO 2 Or d e no s jours limplantatio n dun e nouvell e

technologie n e deacutepen d pa s seulemen t d e so n efficacit eacute eacuteconomique Plusieur s dautre s

aspects rentren t e n lign e d e compte E n fait i l fau t utilise r un e approch e systeacutemiqu e (4R -

VD Reacuteduire Reacuteutiliser Reacuteparer Reacutecupeacuterer Valoriser Disposer ) s i o n veu t teni r compt e

de toute s le s interacfion s e t le s impact s quun e tell e deacutecisio n peu t engendrer L a figur e 4 1

illustre le s interaction s entr e le s quatr e pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e pa r rappor t au x

reacuteductions des eacutemissions du CO2 par les trois industries eacutetudieacutees

La figure 4 1 montr e qu e l e deacuteveloppemen t durabl e e n geacuteneacutera l deacutepen d d e l a quantit eacute e t su r

tout d e l a qualit eacute de s interaction s entr e le s quatr e piliers D e c e fait limplantatio n d e l a

technologie d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 n e deacutepen d pa s qu e d e lefficacit eacute

eacuteconomique mais aussi des lois eacutemises par les institutions politiques

81

^ ^ ^ ^ a ^ J S S Eacute agrave ^ ^ ^

SOCIEacuteT Eacute ^ bull participation agrave la W

pris e des deacutecisions

X^^jpraquo^

ENVIRO gt

^ EacuteCONOMI E bull croissance bull efficacit eacute bull stabiliteacute bull valorisation

DEacuteVELOPPEMENT DURABLE

JNEMENT bull biodiversiteacute

bull ressources naturelles bull pollution

J INSTn rUTIONS bull lois bull regraveglements

bull infiastructure

p

1 II

Figure 41 Deacuteveloppement durable et seacutequestration du CO2

Dune maniegraver e plus simple on peut dire que les institutions politiques on t le pouvoir e t la responsabihteacute dexiger par les entreprises de limiter leurs eacutemissions du CO2 voir agrave supprimer ces demiegraveres agrave la source Mecircme si le processus de la seacutequestration mineacuteral e du CO2 est un pheacutenomegravene nature l exothermique i l faudrai t ufilise r dautre s source s deacutenergi e afi n d e lacceacuteleacuterer et par voie de conseacutequence augmenter le rendement de la seacutequesfi-ation du CO2 I l est preacutefeacuterable de remplacer les combustibles fossiles par des eacutenergies moins polluantes telles que leacutenergie nucleacuteaire et leacutenergie eacutelecfrique etou solaire

La socieacuteteacute peut jouer son rocircle de piher en demandant aux pouvoh-s politiques deacutemettre des lois qui exigent aux entreprises de respecter lenvironnement e t dameacuteliorer l a qualiteacute de vie de la socieacuteteacute Dans le mecircme ordre dideacutees l a socieacuteteacute peut exercer un e pression important e sur les entreprises en utilisant leur pouvoir dachat comme moyen de pression

82

Les reacutesultat s obtenu s lor s d e cett e eacutetud e ont deacutemontr eacute qu e limpac t su r lenvironnemen t es t

positif su r tou t a u nivea u d e l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Dautre s eacutetude s son t neacutecessaire s

pour eacutetudie r leffe t de s autre s composant s gazeu x su r lenvironnemen t e t l a sant eacute humaine

Le fai t dutilise r le s reacutesidus e t les sous-produit s industriel s alcalin s afi n d e seacutequestre r l e CO2

et l a revalorisation d e ces derniers dans plusieurs nouveaux domaine s pourrai t provoque r de s

changements neacutegatif s a u nivau x d e leacuteconomi e (changemen t d e prix augmentatio n d e l a

concurrence entr e le s entreprises ) e t d e l a socieacutet eacute (changemen t d e l a qualit eacute d e vie) D e c e

fait i l import e qu e tou s le s acteur s repreacutesentan t le s quatre pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e

travaillent e n eacutetroit e collaboratio n pou r qu e cett e technologi e soi t viabl e e t e n tota l respec t

avec lenvironnement

CONCLUSIONS

La preacutesente eacutetude avai t pour objecti f d e deacuteterminer le s reacutesidus et le s sous-produits industriel s

alcalins offrant le s meilleurs potenfiels d e seacutequestration d u CO2

Pour c e faire troi s type s d e scories (HF FP FAEacute) de s acieacuteries deux type s d e boues rouge s

(humides e t segraveches ) de s aluminerie s e t deu x type s d e reacutesidu s de s cimenterie s (CK D e t

cendres volantes ) ont eacutet eacute testeacute s e n cuveacutee Afi n d e mieu x eacutevalue r leur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 des seacuterie s d e test s d e 2 4 e t 4 8 heure s on t eacutet eacute reacutealiseacutes Le s condition s

opeacuteratoires eacutetaien t le s suivantes tempeacuterature = 20-22degC pression atmospheacuterique ratio SL =

10 kgkg vitesse de brassage = 200 rpm granulomeacutetrie industrielle eau deacutemineacuteraliseacutee

Les reacutesultat s obtenu s lor s le s essai s d e 2 4 heures on t deacutemontr eacute qu e troi s reacutesidu s alcalin s s e

sont deacutemarqueacutes pa r leurs hauts potentiels de seacutequestration d u CO2

bull le s scories HF 65 kg de C02t de scories

bull le s scories FP 59 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours de cimenteries (CKD) 47 kg de C02t de CKD

En revanche le s reacutesultat s obtenu s lor s le s essais d e 48 heure s ont deacutemontr eacute qu e le s mecircme s

reacutesidus alcalin s permettaien t dobtiermen t d e meilleur s reacutesultat s d e seacutequestratio n d u CO2

mais cette fois ci ce sont le s scories FP qui se trouvent en tecircte

bull le s scories FP 107 kg de C02t de scories

bull le s scories HF 84 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours d e cimenteries (CKD) 79 kg de C02t de CKD

84

Ces reacutesultat s sexpliquen t pa r de s teneur s plu s eacuteleveacutee s doxyde s meacutetallique s tel s qu e le s

CaO MgO AI2O3 Cr203 Ti02 FeO Mn O Si02 dan s ce s troi s reacutesidu s pa r rappor t au x

autres reacutesidu s testeacutes Ce s oxyde s e t leur s hydroxyde s respecfif s reacuteagissen t ave c l e CO 2

dissout dan s lea u e t formen t de s bicarbonate s thermodynamiquemen t stables

Theacuteoriquement l a teneu r eacuteleveacute e e n ion s meacutetallique s s e tradui t pa r u n potentie l d e

seacutequestration d e CO 2 eacuteleveacute Toutefois l a diffeacuterenc e d e reacutesultat s d e seacutequestratio n entr e le s

scories lor s de s deu x essai s a deacutemontreacute qu e mecircm e s i le s meacutecanisme s d e carbonatatio n son t

semblables pour tous le s types de reacutesidus alcalins l a nature e t l a mod e de fabricatio n d e ces

derniers influencen t sensiblemen t leur s potentiel s d e seacutequestration C e consta t es t valabl e

aussi bie n pou r le s reacutesidu s preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes Dailleurs le s test s su r l a

carbonatation de s reacutesidu s filtreacutes (preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes ) on t indiqu eacute qu e le s reacutesidu s

alcalins libegraveren t facilemen t leur s ion s meacutetallique s dan s l a solufio n aqueus e e t qu e le s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 de ce s derniegravere s son t inteacuteressantes Toutefois c e son t le s

reacutesidus non-preacutelixivieacute s e t non-filtreacute s qu i on t enregistreacute s le s meilleur s reacutesultat s d e

seacutequestration

Les autres objectif s d e ce travai l consistaien t agrave eacutetudier leacutevolutio n d e pH de l a conductiviteacute

et du pouvoir alcalin de s reacutesidus testeacutes

Premiegraverement le s valeurs de pH des scories des boues rouges e t des CKD obtenues apregraves l a

carbonatation son t tregrave s semblable s soi t leacutegegraveremen t au-dessu s d e 7 Seulemen t le s cendre s

volantes ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7

Deuxiegravemement le s test s su r l e pouvoi r alcali n de s scorie s ont indiqu eacute qu e le s scorie s

dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute d e neutralisation plu s eacuteleveacutee qu e tous le s autres reacutesidus D e

plus le s scories H F son t le s plus reacuteactives avec une reacuteserve alcalin e de 43 moles de HClk g

de scories L a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n oxyde s

meacutetalliques plu s particuliegraveremen t de s oxyde s meacutetallique s basique s tel s qu e l e Ca O e t l e

MgO scorie s F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

85

Troisiegravemement le s tests de la cineacutetique dadsorption d u CO2 par le s scories FP ont deacutemontr eacute

que l a seacutequestratio n d u CO 2 se reacutealise plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegraveres minute s d e la

reacuteacfion C e reacutesulta t sexpliqu e pa r l e fai t qu e l a formation dun e couch e d e carbonate su r l a

surface de s particule s de s reacutesidu s empecircch e l a libeacuteratio n dan s l a solufio n aqueus e de s ion s

meacutetalliques ayan t pou r conseacutequence l a baisse du taux de carbonatation

Enfin laugmentatio n pa r deux d e la dureacutee de carbonatation (d e 24 agrave 48 heures) ne se tradui t

pas par des doublement s de s potentiels d e seacutequestrafion d u CO 2 par le s reacutesidus alcalin s pou r

les raisons mentionneacutes ci-dessus

Perspectives

Cette eacutetud e sinscri t dan s loptiqu e d e deacuteveloppe r u n proceacuted eacute simpl e e t eacuteconomiqu e d e

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s industriel s alcalins D e c e fait

plusieurs perspective s son t identifieacutee s suite au x reacutesultat s obtenu s pa r cett e eacutetude E n voic i

quelques unes

bull eacutelargi r leacutetud e su r la seacutequestrafion d u CO2 avec dautres reacutesidu s industriel s tels les boues

de deacutesencrage de s papeteries le s reacutesidus d e constmctions e t d e deacutemolitions le s deacutechet s

municipaux le s deacutechet s d e lindustri e de s plastiques le s deacutechet s de s hocircpitau x etc

Plusieurs eacutetude s indiquen t qu e ces reacutesidus son t riche s e n oxyde s meacutetallique s e t peuven t

ecirctre utiliseacutes eacuteventuellement agrave la seacutequestration du CO2

bull puisqu e le s source s dea u douce s son t e n diminutio n constant e a u nivea u planeacutetaire i l

serait inteacuteressan t agrave envisage r l a reacutealisatio n d e cett e mecircm e eacutetud e ave c d e lea u d e mer

Cette perspectiv e pren d un e importanc e particuliegraver e s i o n considegraver e qu e plusieur s pay s

de Moye n Orient o ugrave son t deacutej agrave installeacutee s plusieur s aluminerie s e t cimenteries ont tregrave s

peu de sources deau douce

86

bull reacutealise r de s essai s pilotes e n colonnes afi n d e veacuterifie r l e transfer t d e ce s reacutesultat s dan s

des conditions expeacuterimentales semblables agrave celles industrielles

bull effectue r un e eacutetude eacuteconomique afin de savoir si ce proceacutedeacute est eacuteconomiquement viable

bull effectue r un e eacutetud e d e cycl e d e vi e afi n d e deacuteterminer entr e autres limpac t

environnemental de ce proceacutedeacute

ANNEXES

ANNEXE I

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LALUMINIUM

Bauxite ^

CaO bull

NaOH bull

bull

Raw Material s

1 Digestion

Liquor Heatin g

Liquor Surge

T Evaporation

Removal

1

Steam

Liquor Flashing

Heating

N Impunties

lt

Fuel ^

Steam

Sand Seacuteparation

1 Fuial residue

Cooling

i

Preacutecipitation

seedT ^ Classification

1 Washing

1 Calcination

^

-^^^

SandResidue Wa-shing

JL Solids Liquo r

Solids Disposa i

^ Wate r

^ Alumin a

Figure All Proceacuted eacute Bayer Tireacute de Hind ea (1999)

ANNEXE II

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LACIER

AnninmeacuteratJon

J ^=2=vBB Minefo i d e fe r Chofbon

Haut-Fourneau

o Eacutebauche de formes solide s (demi-produi t ) pa r moulag e de lacie r liquide

Acier liquide mi s

^lanuoncey statio n datfinage

Machine de couleacutee

continue

e Transformation de s eacutebauches e n produits finis par laminage

okerie

Eacutelaboration d e lacie r liquide agrave part ir d e minerai de fer

AciefS plats

Train de laminage

agrave chau d

obinojx

Produit fin i

Figure A21 Proceacutedeacute de fabrication de lacier Tireacute de Arcelor Meacutediterraneacutee

tli(ipwwwarcelormediteiTanee coindecouvertefabricationschemahtm)

EVALUATION O F TECHNICAL POTENTIA L O F THE CO2 MINERAL SEQUESTRATION B Y ALCALINE INDUSTRIA L WASTE S

Shkelzen BEQIR I

ABSTRACT

Nowadays th e industria l activitie s ofaluminum steel an d ceacutemen t produc e large quantifie s o f alkali s residues A par t o f thegraves e residue s ar e use d i n othe r area s suc h a s construction an d hydrometallurgy bu t million s o f ton s ar e stored i n area s posin g a risk t o environment Thegraves e residue s ca n b e use d b y thegraves e industrie s t o sequeste r th e CO2 Severa l techniques o f CO 2 seacutequestratio n exist The purpos e o f thi s master s thesi s i s t o explor e th e possibilities o f CO 2 seacutequestratio n b y alkalis residue s fro m a wid e spectru m o f industrial activities

The batch absorptio n o f CO2 of 24 and 48 hours CO2 absorption batc h test s were performe d on sample s of we t an d dr y re d niud electri c ar c fumac e (EAF) Poch e fumac e (PF) blas t fumace (BF ) slags cernen t kil n dus t an d fly ash Ail test s ar e performe d i n environment operating condition s (tempeacuteratur e 20-22deg C ambient atmospheri c pressure) Tests o f p H and conductivity wer e performe d o n ai l sample s to stud y thei r eacutevolutio n i n the tw o set s o f tests

The results obtained durin g testing were 24 hours demonstrated tha t three residues alkal i ar e separated by high potential fo r CO2 seacutequestration bull Sla g BF 65 kg CO2 1 slag bull Sla g PF 59 kg CO2 1 slag bull Th e ceacutement kiln dus t (CKD) 47 kg of CO2 per tonne of CKD

However th e result s obtaine d durin g testin g o f 4 8 hours showe d tha t th e sam e alkali s residues allow a greater seacutequestration of CO2 by following performances bull Sla g PF 10 7 kg C 0 2 t slag bull S lagBF84kgC02 t s lag bull Th e dust ceacutements kiln dus t (CKD) 79 kg of CO2 per tonne of CKD

Keywords seacutequestration CO2 red mud stee l slags CKD fly ash

TABLE DES MATIEgraveRE S

Page

INTRODUCTION 1

CHAPITRE 1 REVU E D E LA LITTEacuteRATURE 7 11 Probleacutematiqu e d u CO2 7

111 L a chimie du CO2 8 112 Cycl e du carbone 9

12 Technologie s de capture et de seacutequestrafion d u CO2 1 3 121 Technologie s de capture du CO2 1 3 122 Technologie s de seacutequestration d u CO2 1 4

13 Seacutequestratio n d u C02par de s mateacuteriaux alcalin s 2 0 131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriau x alcalin s les fondements 2 0 132 Effe t de s variables sur la carbonatation 3 1 133 Cineacutetiqu e dadsorption d u CO2 3 3 134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s 3 8

CHAPITRE 2 MATEacuteRIE L E T MEacuteTHODES 4 1 21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacutes 4 1

211 Boue s rouges des aluminerie s 4 1 212 Scorie s des acieacuteries 4 3 213 Poussiegravere s de four de s cimenteries 4 6 214 Cendre s volantes 4 6

22 Meacutethode s expeacuterimentales 4 7 221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacutes 4 7 222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductiviteacute 4 7 223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin 4 8 224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestratio n

du CO2 en cuveacutee 4 9 225 Meacutethode s analytiques 5 1

CHAPITRE 3 REacuteSULTAT S E T DISCUSSIONS 5 2 31 Eacutevolufio n d u pH et de la conductiviteacute 5 2

311 Essai s de 48 heures 5 2 312 Essai s de 24 heures 5 9

32 Deacuteterminafio n d u pouvoir alcalin 6 0 33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorpfion e t de seacutequestratio n

du CO2 en solution aqueuse 6 1 331 Essai s de 48 heures 6 1 332 Essai s de 24 heures 6 3

34 Cineacutefiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP 6 5

VII

CHAPITRE 4 DISCUSSIO N GEacuteNEacuteRAL E 7 1 41 Inteacutegrafio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests 7 1

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lors des essais de 24 et 48 heures 7 1

412 Impac t du pouvoir alcalin et de la cineacutefique d e ladsorpfio n du CO2 sur la seacutequestration d u CO2 7 3

42 Impac t environnemental d e la seacutequestrafion d u CO2 7 8 43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins

perspectives d e lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e 7 9

CONCLUSIONS 8 3

ANNEXE I SCHEacuteM A D E FABRICATION D E LALUMINIUM 8 8

ANNEXE I I SCHEacuteM A D E FABRICATION D E LACIER 8 9

ANNEXE II I SCHEacuteM A D E FABRICATION D U CIMENT 9 0

ANNEXE I V REacuteSULTAT S COMPLET S DE S ESSAIS DE 48 HEURES EN CUVEacuteE 9 1

ANNEXE V REacuteSULTAT S COMPLET S DE S ESSAIS DE

24 HEURES EN CUVEacuteE 9 7

ANNEXE V I REacuteSULTAT S DE S TITRAGES DE S REacuteSIDUS ALCALINS 10 2

ANNEXE VII RESULTAT S D E LEacuteTUDE D E LA CINEacuteTIQU E DE LADSORPTION D U CO2 EN SOLUTION PA R

SCORIES FP NON-PREacuteLIXIVIEacuteES 10 6

ANNEXE Vll l MONTAG E DE S ESSAIS EN CUVEacuteE 10 7

LISTE DE REacuteFEacuteRENCES BIBLIOGRAPHIQUE S 10 8

LISTE DES TABLEAU X

Page

Tableau 1 1 Proprieacuteteacute s physico-chimiques d u CO2 9

Tableau 1 2 Teneu r en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins 2 2

Tableau 1 3 Compositio n chimique moyenne des boues rouges 2 5

Tableau 1 4 Composifio n chimiqu e moyenne des scories 2 6

Tableau 1 5 Composifio n chimiqu e moyenne des CKD 2 7

Tableau 1 6 Compositio n chimique des cendres volantes 2 8

Tableau 21 Compositio n chimiqu e moyenne des boues rouges humides et segraveches 4 2

Tableau 2 2 Paramegravetre s dexpeacuterimentation 4 8

Tableau 23 Meacutethode s analytiques appliqueacutees 5 1

Tableau 3 1 Valeur s des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacutes 5 3

Tableau 3 2 Le s valeurs des conducfiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacutes 5 5

Tableau 33 Reacuteserve s alcalines des huit reacutesidus 5 9

Tableau 41 Reacuteserve s alcalines et potentiel d e seacutequestratio n des reacutesidus alcalins 7 6

Tableau 42 Reacutesum eacute des reacutesultats seacutequestration d u CO2 obtenus par dautres eacutetude s 7 7

Tableau 43 Reacutesum eacute des eacutemissions par les trois industries e t les baisses respectives de leurs eacutemissions suite agrave la seacutequestration du CO2 par leurs reacutesidus alcalins 7 9

LISTE DES FIGURE S

Page

Figure 1 1 Reacutepartitio n pa r activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004 7

Figure 1 2 Cycl e du carbone organique 1 2

Figure 1 3 Cycl e du carbone inorganique 1 2

Figure 1 4 Seacutequestratio n d u CO2 par carbonatafion mineacuteral e 2 3

Figure 21 Photo s des boues rouges humides et segraveches 4 2

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP 4 3

Figure 23 Phot o des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD) 4 5

Figure 24 Phot o des cendres volantes 4 6

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee 5 0

Figure 3 1 Eacutevolufio n d u pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) etnon-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 48 heures 5 4

Figure 32 Eacutevolufio n d e la conducfiviteacute de s huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 6

Figure 33 Eacutevolutio n du pH des six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) et non-preacutelixivieacute s (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 7

Figure 34 Eacutevolutio n de la conducfiviteacute de s six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 8

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FAE FP et HF en fonction d u volume dacide ajout eacute 5 9

X

Figure 3 6 Courbe s de titrage des CKD Cl e t C2 en foncfio n du volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 3 7 Courbe s de titrage des boues rouges segraveches et humides en foncfion d u volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 38 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 8 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (A) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 48 heures 6 2

Figure 39 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 6 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (C) et preacutelixivieacutes (D) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 24 heures 6 4

Figure 310 Eacutevolufio n d u pH des scories FP filtreacutees e t non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 6

Figure 311 Eacutevolutio n de la conductiviteacute des scories FP filtreacutees et non filtreacutes en fonction d u temps de barbotag e au CO2 6 7

Figure 312 Eacutevolutio n du pouvoir de seacutequestration d u carbone de scories FP filtreacutees et non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 8

Figure 313 Vitess e dadsorption d u CO2 en foncfion d u temps par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes et non filtreacutes 6 9

Figure 41 Deacuteveloppemen t durabl e et la seacutequestration d u CO2 8 1

LISTE DE S ABREacuteVIATIONS SIGLES ET ACRONYME S

AIE

AMPERE

CKD

EacuteTS

FAEacute

FHWA

FP

Agence internationale d e leacutenergi e

Commission pou r lAnalyse de s Modi Redeacuteploiement de s Eacutenergies

Cernent kiln dus t

Ecole de technologie supeacuterieur e

Four agrave arc eacutelectriqu e

The Feacutedeacuteral Highway Administratio n

Four Poch e

GES Ga z agrave effet d e serre

GIEC Group e dexpert s intergouvemementau x su r leacutevolution d u climat

HF Hau t fournea u

ICP-AES Inductivel y Couple d Plasma-Atomi c Emissio n Spectrometr y

MEA Mon o eacutethylamin e

PSA Pressur e Swin g Adsorptio n

STEPPE Statio n Expeacuterimental e des Proceacutedeacutes Pilotes en Environnemen t

TSA Therma l Swin g Adsorptio n

LISTE DES SYMBOLES ET UNITEacuteS DE MESURES

m

kg Mt

Gt

t

degC

Pa

atm

S

min

ppm

gmol

L

Ka

Ma

kJ

pH

rpm

trmin

IN

megravetre

kilogramme

Million de tonnes

Milliard d e tonnes

tonne

degreacute Celsiu s

pascal

atmosphegravere

Siemens

minute

parties par million par volume

grammes par mol

Litre

milliers danneacutees

millions danneacutees

kilo joules

potentiel hydrogegraven e

rotations par minute

tours par minute

1 X Normale

INTRODUCTION

Probleacutematique impact de s activiteacutes industrielle s

Lactiviteacute industriell e mondial e augment e san s cess e anneacute e apregrave s anneacutee L e bie n ecirctr e de s

millions d e personne s partou t dan s l e mond e e n deacutepend Toutefois lindustri e n a pa s creacute eacute

seulement d e l a richesse ell e a engendr eacute auss i plusieur s problegraveme s environnementaux U n

des problegraveme s environnementau x es t leacutemissio n de s ga z agrave effe t d e serr e (GES) I l exist e

plusieurs GES L e dioxyd e d e carbon e (CO2) l e meacutethan e (CH4) l e protoxyd e dazot e o u

loxyde nitreu x (N2O) lozon e (O3) le s chlorofluorocarbone s (CFC) le s hydrocarbure s

halogegravenes (HFC PFC) lhexafluomr e d e soufr e (SFOcirc ) son t le s principau x GE S (GIEC

2007)

Ces gaz don t l e dioxyd e d e carbon e (CO2) jouent u n rocircl e majeu r dan s l a reacutegulatio n d e l a

tempeacuterature terrestre ca r il s laissen t passe r le s radiafion s solaires mai s absorben t certaine s

radiations infrarouge s (chaleur ) eacutemise s pa r l a surfac e chaud e d e l a Terr e c e qu i fa h

augmenter l a tempeacuteratur e d e latmosphegravere L e dioxyd e d e carbone avec un e dureacute e d e vi e

exceacutedant 12 0 an s e t un e contributio n pou r enviro n 5 5 d u reacutechauffemen t planeacutetaire s e

trouve e n tecirct e de s ga z agrave effe t d e serr e (Coolin g et al 2006) Entr e 197 0 e t 2004 le s rejet s

annuels d e CO2 l e principa l ga z agrave effe t d e serr e anthropique son t passeacute s d e 2 1 agrave 3 8

gigatonnes (Gt) soi t un e augmentatio n denviro n 8 0 Ce s rejet s repreacutesentaien t 7 7 de s

eacutemissions totale s d e GE S anthropique s e n 200 4 (GIEC 2007) L e Group e dexpert s

intergouvemementaux su r leacutevolution d u climat (GIEC 2007) estime que l a teneur moyenn e

en CO 2 dan s latmosphegraver e a augment eacute plu s d e 30 depui s l e deacutebu t d e legraver e industrielle

passant d e 28 0 ppm v agrave 37 9 ppmv D e plus lAgenc e intemational e d e leacutenergi e (AIE )

constate qu e le s eacutemission s d e dioxyd e d e carbon e lieacutee s au x activiteacute s humaine s devraien t

atteindre 4 3 G t pa r a n dic i 2030 soi t un e augmentatio n d e 6 0 (Gielen 2008) Ce s

augmentations pourraien t provoque r l a hausse de l a tempeacuterature d e l a surface d e la Terre e n

moyenne entr e 14deg C a u minimu m e t 4deg C a u maximu m su r l a peacuteriod e d e 199 0 agrave 210 0

(GEIC 2007)

Selon Environnemen t Canad a (2007) ce s augmentation s d e tempeacuterature s peuven t ecirctr e agrave

lorigine de s fonte s de s glaces d e laugmentatio n de s catastrophe s naturelle s e t d e l a

disparition d e plusieurs espegraveces animales et veacutegeacutetales

Contexte eacuteconomico-politiqu e

Les activiteacute s de s alumineries de s acieacuterie s e t de s cimenterie s produisen t chaqu e anneacute e de s

millions d e tonne s d e reacutesidu s alcalin s e t eacutemetten t dan s latmosphegraver e de s quantiteacute s

consideacuterables d e CO 2 L e tablea u ci-dessou s lillustr e le s eacutemission s d u CO 2 par le s troi s

industries

Type dindustri e

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Eacutemissions du CO2 (en Gt)

015

L7

18

Quantiteacutes de reacutesidus alcalins (en Mt)

90

350-420

480 (30 MT de CKD + 450MT de cendres

volantes de tout genre )

Sources

Institut Intemafional d e

laluminium (2008) Kumar eacutetal (2006 )

Miclos (2000) Gielen (2008)

Eloneva (2008) Konsta-Gdoutos et Shah (2003) Kumar et al

(2005)

Illustration de s eacutemissions d e CO2 et les quantiteacutes des reacutesidus alcalins produit s au niveau mondia l pa r les trois industries

Les eacutemission s d e CO 2 augmentent danneacute e e n anneacute e malgr eacute le s effort s de s entreprise s agrave le s

reacuteduire Pourtant l e protocole du Kyoto (1997) a fixeacute des objectifs d e reacuteduction d e GES pour

tous le s pay s signataires L e protocol e d u Kyot o a fixeacute a u Canad a agrave reacuteduir e d e 6 se s

eacutemissions d e GE S entr e 200 8 e t 201 2 pa r rappor t agrave lanneacute e 199 0 (Environnemen t Canada

2007)

Les quinz e pay s signataire s d e lUnio n Europeacuteenn e on t deacutej agrave attein t lobjecfi f d e 8

reacuteduction d e GES fixeacute pa r Kyoto (AEacuteE 2009) Des pays tels que la France LAllemagne l a

Gregravece l a Suegraved e l e Royaume Un i ont mecircme deacutejagrave attein t u n niveau infeacuterieu r agrave leur objectif d e

Kyoto Le s projection s reacutealiseacutee s pa r lAgenc e Europeacuteenn e pou r lEnvironnemen t (AEacuteE )

deacutemontrent qu e le s politique s climatique s e n vigueu r agrave lheur e actuell e permettron t d e fair e

une reacuteductio n suppleacutementair e d e 3 5 dic i 201 2 gracircc e agrave lacha t d e creacutedit s issu s d e projet s

de reacuteductio n de s eacutemission s meneacute s dan s le s pays tier s (AEacuteE 2009) L e Canad a e t le s Eacutetat s

Unis au contraire ont augmenteacute plus du double leurs eacutemissions de GES

Lameacutelioration d e lefficacit eacute leacutenergeacutetiqu e e t lutilisafio n d e source s alternative s deacutenergi e

pourraient reacuteduir e le s eacutemissions d e CO2 mais ces mesures seron t insuffisante s pou r atteindr e

les objectifs d e Kyoto ca r l a demande mondial e e n matiegravere premiegraver e augment e agrave un rythm e

soutenu Le s besoin s e n acie r e t e n aluminiu m connaicirctron t un e croissanc e d e 3 0 e t 60

par deacutecennie e t lInde estimen t Kuma r et al (2006) Kharoune (2006) ce qui rend neacutecessair e

la recherche d e nouvelle s technologie s d e seacutequestration d u CO2 De plus l a Chine e t lInd e

connaicirctront de s croissance s d e 8 0 agrave 100 pa r deacutecenni e dan s le s mecircme s domaines

Lindustrie d e lacier d e la Chine rejette 5 0 des eacutemissions mondiales du CO2 Dailleurs il

est agrave noter qu e le s eacutemissions d u CO2 par lindustri e d e production d e laluminiu m eacutetaien t d e

96 Mt en 199 0 au niveau mondia l e t elles ont eacuteteacute reacuteduites agrave moins de 25 Mt de CO2 en 2007

une reacuteductio n d e 7 4 alor s qu e l a productio n daluminiu m a doubl eacute pendan t l a mecircm e

peacuteriode d e 19 5 agrave 38 M t (GEIC 2006) Entre 199 0 et 2002 le secteur canadie n d u ciment a

ameacutelioreacute l e rendemen t d e se s four s d e 1 2 e t diminueacute se s eacutemission s d e GE S pa r tonne d e

produits cimentaire s d e 71 En chiffres absolus l a production total e nett e deacutemission s d e

CO2 a augmenteacute d e 23 de 199 0 agrave 2004 Toutefois l a production d e ciment a augmenteacute de

25 a u cour s d e cett e peacuteriode c e qu i expliqu e e n grand e parti e laccroissemen t de s

eacutemissions (Environnemen t Canada 2007) Dan s le s anneacutee s 1950 l a productio n mondial e

dacier eacutetai t denviro n 20 0 millio n d e tormes meacutetriques E n 2006 l e chiffr e seacutelevai t agrave 124 0

Mt dacier

Le Japo n fai t un e bonn e figure dan s l e cadr e d e reacuteduction s d e GES So n industri e dacie r a

reacuteduit d e 6 s a consommatio n deacutenergi e e n 200 5 pa r rappor t a u nivea u d e 199 0 (GEIC

2006) Le s entreprise s eacutemettrice s d e CO 2 doiven t fair e preuv e d e plu s dinnovation s e t d e

recherches technologique s dan s c e sens Louvertur e d e l a bours e d e carbon e depui s ma i

2008 agrave Montreacutea l leu r perme t deacutechange r leur s creacutedit s deacutemissio n d e GE S e t d e s e voi r

reacutecompenseacutees pour leurs efforts

Technique d e reacuteduction de s eacutemissions d e CO2 proposeacutee

Plusieurs proceacutedeacute s son t utiliseacute s pou r limite r le s eacutemission s atmospheacuterique s d e CO 2 qu i

agissent principalemen t su r l a captur e e t l a seacutequestrafio n d e c e gaz Alor s qu e le s proceacutedeacute s

membranaires e t dabsorption son t utiliseacutes pour l e captage d u CO2 le stockage e n reacuteservoir s

geacuteologiques o u miniers e n aquifegravere s salin s o u encor e pa r enfouissemen t oceacuteaniqu e son t

utiliseacutes pour l a seacutequestration (Bonenfan t et al 2006)

Lutilisation de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s issu s de s activiteacute s industrielle s telle s qu e

les alumineries le s acieacuterie s e t le s cimenterie s offren t d e nouvelle s possibihteacute s s e

seacutequestrafion d u CO2 Cett e technologi e es t baseacute e su r u n pheacutenomegraven e chimiqu e simpl e la

formation d e carbonate s stable s suite agrave labsorptio n d u CO 2 par de s composeacute s alcalin s tel s

que le s oxydes de calcium (CaO ) e t de magneacutesium (MgO) Lideacutee dutilise r le s reacutesidus e t les

sous-produits alcalin s afin d e seacutequestrer l e CO2 a eacuteteacute lanceacutee pour l a premiegravere foi s par Seifrit z

(1990) et a eacuteteacute eacutetudieacute en en profondeur pa r Lackner (1995)

La reacuteductio n de s eacutemission s d e CO 2 agrave l a sourc e sinscri t dan s l e cadr e du n processu s d e

gestion durabl e de s matiegravere s reacutesiduelle s e t preacutesent e u n inteacuterecirc t eacuteconomiqu e manifeste Agrave cet

effet l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuteral e e n milieu x aqueu x preacutesent e un e

alternative tregrave s inteacuteressant e (Huijge n et al 200 5 Bonenfan t et al 2006) 1 1 sagit du n

processus nature l menan t agrave l a formatio n de s carbonates produit s thermodynamiquemen t

stables et sans effet neacutefast e su r lenvironnement (Boenfan t et al 2006)

Les mateacuteriau x employeacute s dan s ce s eacutetude s son t de s sou s produit s e t reacutesidu s industriel s agrave

pouvoir alcali n tel s qu e le s scorie s de s acieacuteries le s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s

cendres volante s e t poussiegravere s de s four s de s cimenteries Cett e technologi e pren d un e

importance particuliegraver e s i o n parl e e n terme s d e quantiteacute s de s reacutesidu s produit s pa r ce s troi s

industries (voi r tableau 11 page 6) et qui peuvent ecirctr e utiliseacutes afin d e seacutequestrer l e CO2

En fait le s technologie s existante s d e seacutequestratio n d u CO2 agrave l a diffeacuterenc e d e l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s industriel s alcalins preacutesenten t de s coucirct s eacuteleveacute s d e 5 0 agrave

100 $ par tonn e d e CO 2 seacutequestreacute (Bonenfan t et al 2006 Eloneva 2008) Ces coucirct s eacuteleveacute s

empecircchent leu r application agrave grande eacutechelle

Objectifs d e leacutetud e

Le bu t d u preacutesen t travai l consist e agrave deacuteterminer expeacuterimentalemen t le s meilleurs pouvoirs d e

seacutequestration d u CO 2 pa r le s reacutesidu s e t le s sous-produit s industriel s alcalin s dan s de s

conditions ambiante s dutilisatio n tempeacuterature t = 20degC temps T= 2 4 et 48 heures pression

atmospheacuterique ambiante granulomeacutetrie industrielle)

De cet objectif deacutecoulen t le s sous-objectifs speacutecifique s suivant s

bull deacutetermine r le s critegraveres dutilisation de s mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r leffe t d u pH de la conducfiviteacute e t du pouvoir alcalin des reacutesidus en milieux

aqueux su r la capaciteacute de seacutequestration d u CO2 par les mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r F effet d e la preacutelixiviation de s reacutesidus sur leurs capaciteacutes de seacutequestratio n

du CO2

Pour c e faire de s essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute meneacute s su r troi s type s d e scorie s (HF FP FAEacute)

deux type s d e boue s rouge s (humide s e t segraveches) deu x type s d e reacutesidu s d e cimenterie s

(poussiegraveres de fours e t cendres volantes)

Le preacutesent meacutemoire es t organiseacute comme sui t

Le Chapitr e 1 preacutesent e le s notion s fondamentale s d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO2

Apregraves avoi r list eacute le s plu s grand s eacutemetteur s de s ga z agrave effet s d e serr e nou s feron s l a lumiegraver e

sur le s caracteacuteristique s chimique s d u CO 2 e t le s technologie s existante s d e l a seacutequestratio n

mineacuterale d u CO 2 par le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalins L e Chapitre 2 aborde l a

meacutethodologie de caracteacuterisation de s reacutesidus alcalins Dans cette partie nous nous pencheron t

sur le s critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacutes l a faccedilo n don t le s

paramegravetres e t le s condition s dexpeacuterimentation s son t eacutetabli s e t su r l a meacutethod e danalys e

choisie L e Chapitr e 3 preacutesent e le s reacutesultat s obtenu s lor s de s essais L e Chapitr e 4 a pou r

objectif dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s obtenu s dan s l e cadr e d e cett e

eacutetude Enfin un e conclusion complegravete l e meacutemoire

CHAPITRE 1

REVUE DE LA LITTEacuteRATURE

11 Probleacutematiqu e du CO2

Les activiteacute s humaine s eacutemetten t de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e GE S don t l e CO 2 L a deacuteforestation e t lindustrie de leacutenergie sont les principaux responsables (voir figure 11) Les rejets mondiaux en 2007 suite agrave la deacuteforestafion son t denviron 8 4 Gt de CO2 sur une totale de 38 Gt de CO2 eacutemis dans latmosphegravere La Terre absorbait environ 1 1 Gt de CO2 en 2007 On retrouve un suppleacutement dans latmosphegravere de 27 Gt selon le GIEC (2007)

Les eacutetude s qu i traiten t l e reacutechauffemen t globa l d ucirc au x eacutemission s d e CO 2 pa r lactivit eacute humaine sont tregraves nombreuses Leffet d e serre est un pheacutenomegravene normal et neacutecessaire agrave la vie su r terre C e pheacutenomegraven e s e produi t pa r laccumulatio n de s ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere 1 1 perme t d e mainteni r un e tempeacuterature moyerm e agrave la surface d e l a terre de +18degC (GIEC 2001) San s leffe t d e serr e l a tempeacuterature moyenn e d e l a terre serai t d e -15degC

Deacutef 0 r estatio n et suite s

Proceacutedeacutes industriels

2sltyo ^

r 7 Bacirctiments

reacutesidentiels e t comnterciaux

9ltyo

Industr ies d e leacutenergie

27lty o

) ~ Transpor t

1 7

Figure 11 Reacutepartition par activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004

Tireacute de GIEC (2007)

Pour mieu x comprendr e l a probleacutematiqu e d u reacutechauffemen t planeacutetaire i l import e d e bie n

connaicirctre le s caracteacuteristique s chimique s e t l e cycl e d u CO2 Le s page s qu i suiven t s e

proposent d e faire l a lumiegravere sur le sujet

111 L a chimi e du CO 2

Le dioxyd e d e carbon e a eacutet eacute identifi eacute pou r l a premiegraver e foi s dan s le s anneacutee s 175 0 pa r l e

physicien e t chimist e eacutecossai s Josep h Blac k (Villiers 2009) A tempeacuteratur e ambiant e (20 -

25C) l e dioxyd e d e carbon e es t u n ga z san s couleu r n i odeur qu i es t faiblemen t acid e e t

inflammable I l es t preacutesen t dan s latmosphegraver e dan s un e proportio n approximativemen t eacutegal e

agrave 00375 en volume soi t 375 ppmv (Bourque 2009)

La formul e moleacuteculair e d u dioxyd e d e carbon e es t l e CO2 Cett e moleacutecul e lineacuteair e es t

triatomique composeacute e du n atom e d e carbon e qu i es t reli eacute pa r doubl e liaiso n agrave deux atome s

doxygegravene 0=C=0 Le s atomes doxygegravenes dan s cett e formul e son t seacutepareacute s agrave des angles de

180 deg et son t lieacute s agrave latom e d e carbon e pa r de s liaison s covalente s qu i l a ren d no n polair e

selon Sienk o (1965) Dissou t dan s leau i l form e d e lacid e carboniqu e qu i peu t interagi r

avec de s composeacute s alcalin s tel s le s oxyde s meacutetallique s d e calciu m e t d e magneacutesiu m e t le s

zeacuteolites (Sienko 1965 Auroux et Gervasini 1990)

CO2 + H2 O - ^ H2CO 3 (11 )

Dans leau d e maniegravere reacuteversible lacid e carboniqu e reacuteagi t ave c lea u pou r forme r l e catio n

hydronium HsO^ et lion bicarbonate HCO suivant l a reacuteaction suivant e

H2CO3 + H2 O - ^ HCOs + HsO ^ (12 )

Il peu t seulemen t ecirctr e solid e agrave une tempeacuteratur e infeacuterieur e agrave -78degC L e dioxyd e d e carbon e

liquide existe principalement quan d i l est dissout dans leau

Le dioxyd e d e carbon e es t seulemen t solubl e dan s lea u lorsqu e la pressio n dinjectio n es t

maintenue Les proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2 sont deacutecrites au Tableau 11

Tableaull Le s proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2

Tireacute de Goj et al (2002) Tardat-Hemy e t Beaudry (1984 )

Proprieacuteteacute Masse molair e

Graviteacute speacutecifiqu e agrave 21C Densiteacute critiqu e

Concentration dan s lai r Stabiliteacute Liquide Solide

Constante dHenry d e solubilit eacute Solubiliteacute dans leau agrave agrave 20 degC

Valeur 4401

153 agrave21 468

3703 10 Eleveacutee

Pression lt 4158 Tempeacuterature

29815 09

Uniteacute gmol

-kgm ppm

-kPa

lt -78 degC mol kg bar

volvol

Ces proprieacuteteacutes permetten t a u CO2 de capter le s rayons infr a rouge s provenan t d e la Terre de

lemmagasiner e t passe r agrave u n nivea u deacutenergi e supeacuterieur Lexceacuteden t deacutenergi e es t libeacuter eacute

apregraves dans latmosphegravere causan t ains i leffe t d e serre (GIEC 1990)

112 Cycl e du carbon e

Le carbone es t un eacuteleacutement essenfie l agrave la vie Le carbone sui t u n certain itineacuterair e su r la terre

qui es t appeleacute cycl e du carbone L e cycle du carbone se compose en deux parties le cycle du

carbone organiqu e e t celui d u carbon e inorganique Cett e seacuteparatio n (Bourque 2009 ) es t

artificielle car en reacutealiteacute ces deux cycles se reacutealisent en mecircme temps

Le cycle du carbone es t baseacute sur le dioxyde de carbone (CO2) qui peut ecirctre foumi agrave lair sou s

forme d e ga z e t agrave lea u sou s form e dissoute Le s plante s terrestre s utilisen t l e dioxyd e d e

carbone d e latmosphegraver e pou r creacutee r leur s propre s source s deacutenergi e e t pou r assure r leu r

croissance

10

Lors le processus naturel appeleacute l a photosynthegravese le s plantes libegraveren t de loxygegravene essentie l

agrave l a vie animale Ces t gracircc e agrave l a chlorophyll e qu e le s plantes e t certaine s bacteacuterie s peuven t

effectuer la photosynthegravese

La reacuteaction totale de la photosynthegravese est

6CO2 + 6H2O + Eacutenergie solaire -gt COcircH^O Ocirc + 6O2 (13 )

Les animau x qu i consommen t loxygegraven e libeacuter eacute pa r le s plante s sappellen t de s

consommateurs Ce s dernier s relacircchen t l e dioxyd e d e carbon e dan s latmosphegraver e duran t l e

processus d e l a respirafion L a respiratio n es t linvers e d e la photosynthegravese Agrave parti r d e

loxygegravene libr e O2 elle transforme tout e mafiegravere organiqu e en CO2 selon leacutequatio n chimiqu e

suivante

C6H12O6 + 6 O2 gt 6 CO2 + 6 H2O (14 )

La deacutecompositio n aeacuterobi e e t l a fermentatio n permetten t au x microorganisme s d e libeacutere r l e

CO2 dans latmosphegravere Toutefois l e carbone peu t auss i ecirctr e stock eacute sou s forme d e biomass e

dans le s racine s de s arbre s e t dautre s matiegravere s organique s duran t de s anneacutees Lorsqu e le s

couches d e seacutediment s compressen t cett e matiegravere de s combustible s fossile s seron t formeacutes

apregraves plusieur s siegravecles De s proceacutedeacute s geacuteologique s agrave long term e pourron t expose r l e carbon e

de ce s combustible s agrave lai r apregrave s un e longu e peacuteriode mai s habituellemen t l e carbon e de s

combustibles fossile s es t relacircch eacute lor s d e proceacuted eacute d e combustio n reacutealis eacute pa r lhomm e

(Bourque 2009) Bie n qu e l a combustio n de s combustible s fossile s ajout e d u dioxyd e d e

carbone agrave lair certai n dentr e eu x son t auss i relacircch eacute lor s d e proceacutedeacute s naturels te l qu e le s

eacuteruptions volcaniques Dan s leacutecosystegravem e aquatique l e dioxyde d e carbon e peu t ecirctr e stock eacute

dans le s roche s e t le s seacutediments I l prendra u n lon g temp s avan t qu e l e dioxyd e d e carbon e

soit relacircch eacute pa r l a deacutesagreacutegatio n de s roche s o u de s processu s geacuteologique s qu i apporten t le s

seacutediments agrave la surface d e leau (Bourque 2009)

11

Le dioxyd e d e carbon e stock eacute dan s lea u ser a preacutesen t agrave l a foi s comm e ion s carbonate s o u

bicarbonates Ce s ions fomient un e partie importante des tampons naturel s qui empecircche lea u

de deveni r tro p acid e o u tro p basique Lorsqu e l e solei l chauff e leau le s ion s carbonate s e t

bicarbonates retourneron t dan s latmosphegravere sou s forme d e dioxyde de carbone (Falkowsk i et

al 1998 Huntzinger 2009)

En 2003 Yamasak i estimai t agrave 1 4 G t l a quantiteacute d e carbone captur eacute d e latmosphegraver e pa r le s

systegravemes terrestre s agrave laid e d e l a photosynthegravese Selo n ce t auteur loceacutea n emmagasin e plu s

de carbon e qu e l a veacutegeacutetafio n terrestre soi t 3 8 000 Gt L e phytoplancto n emmagasin e 5 0 agrave

100 G t d e carbon e qu i soi t un e quantit eacute beaucou p plu s important e qu e cell e emmagasineacute e

par la veacutegeacutetation terrestre

Les figure s 1 2 e t 1 3 montren t qu e l e gran d reacuteservoi r d e carbon e es t constitu eacute

principalement pa r le s roche s seacutedimentaires Loceacutea n repreacutesent e auss i u n autr e grand

reacuteservoir surtou t agrave de s profondeur s supeacuterieure s agrave 10 0 m L e seacutejou r d u carbon e dan s le s

reacuteservoirs deacutepend du type de reacuteservoir ougrave il se trouve

Le seacutejou r d u CO 2 est d e quatr e an s dan s latmosphegravere d e 1 1 ans dan s l a biosphegravere d e 38 5

ans dan s lhydrosphegraver e superficiell e (oceacutean d e 0 agrave 10 0 m) d e plu s d e 10 0 K a (millier s

danneacutees) dan s loceacutean profon d e t de quelques 200 Ma (millions danneacutees) dan s la lithosphegraver e

(Bourque 2009) Le cycl e d u carbone es t composeacute d e plusieurs sous-cycle s qu i duren t d e l a

deacutecennie (l e recyclag e d u CO 2 pa r le s plantes ) au x centaine s d e million s danneacutee s (l e

recyclage d u carbon e organiqu e pa r lintermeacutediair e de s roche s seacutedimentaire s o u de s

hydrocarbures pa r exemple)

12

C y c l e y c o u r t gt v

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1 O O O O O O O

bull V o i o u - s C n Ccediljs ^ g g a i 3 T - raquo r gt t s d t c a t o o ^ s o - t o n K u m o K a s t i n p o l C a r i ^ ^ l O ^ D P O O Icirc V C O M

)

N

gt a 1 1

Figure 12 L e cycle du carbone organique Tireacute de Bourque (2009)

Figure 13 L e cycle du carbone inorganique Tireacute de Bourque (2009)

13

12 Technologie s d e captage et de seacutequestration du CO2

121 Technologie s d e captage du CO2

Afin d e contre r le s effet s neacutefaste s d u reacutechauffemen t climatiqu e plusieurs technologie s d e

captage e t de seacutequestration d u CO2 on t eacuteteacute deacuteveloppeacutees ce s derniegraveres anneacutees L a majoriteacute d e

ces technologie s n e son t pa s encor e implanteacute e agrave leacutechell e industrielle ca r leur s faible s

efficaciteacutes e t leur s coijt s eacuteconomique s eacuteleveacute s ont empecirccheacute s leu r implantatio n (Herzo g et al

1997 Herzog 2001 Yang et al 2008) Dan s cett e partie nou s deacutecrieron s briegravevemen t le s

technologies d e captag e d u CO 2 et nou s nou s attarderon s plu s e n deacutetai l su r le s technologie s

de seacutequestration d u C02par des mateacuteriaux alcalins

Proceacutedeacutes dadsorption pa r les amineacutes

Les technologie s baseacutee s su r labsorptio n d u CO 2 par le s amineacute s son t le s plu s freacutequemmen t

ufiliseacutees dan s le s industrie s peacutetroliegraveres dextractio n d u ga z nature l e t d e l a productio n

dammoniaque (Lia o et al 2002 Ra o et al 2002) L a mon o eacutethylamin e (MEA ) pa r

exemple reacuteagi e ave c l e CO 2 e t form e l e carbamat e d e MEA O n utilis e l a solutio n d e ce t

composeacute afin dextrair e d u CO2 tregraves pur (Stewart e t Hessami 2005)

Ces technologie s offren t de s rendement s d e captag e d u CO 2 varian t d e 7 5 agrave 9 0 e t de s

grades d e puret eacute d u CO 2 supeacuterieur s agrave 9 9 Malgr eacute de s rendement s satisfaisants ce s

technologies ont de s inconveacutenient s majeur s le s coiit s dinvesfissemen t e t dexploitatio n

sont eacuteleveacutes lufilisatio n dinhibiteur s d e corrosio n e t doxydafio n e t leur s rendement s

deacutependent de s condifion s dutilisafio n (Jo u et al 1995) L a consommatio n deacutenergi e es t

eacutegalement tregrave s eacuteleveacutee (Fauth et al 2005)

Proceacutedeacutes dadsorptio n pa r les zeacuteolites e t les charbons actif s

Les mateacuteriaux tel s que le s zeacuteolites e t les charbons actif s ont de s surfaces speacutecifique s eacuteleveacutee s

(gt 150 0 m^g ) e t adsorben t seacutelectivemen t diffeacuterent s ga z e n fonctio n d e leu r superficie l a

taille des pores et les volumes de pores (Rege et Yang 2001)

14

Ce processu s repos e su r la neutralisatio n du n ga z acid e for t (CO2 ) pa r un e bas e faibl e

(absorbant) Il s opegraverent agrave des cycles dites de pression PSA (Pressure-Swing-Adsorption) o u agrave

des cycles thermiques TSA (Thermal-Swing-Adsorption)

Ce typ e dadsorpfio n peu t atteindr e u n rendemen t denlegravevemen t d u CO 2 denviro n 9 2

Toutefois le s zeacuteolithe s n e son t pa s efficace s pou r capte r l e CO 2 eacutemi s pa r le s centrale s agrave

charbon car la consommation deacutenergi e es t tregraves eacuteleveacutee (Maroto-Valer 2005)

Proceacutedeacutes membranaire s

Ces technologie s utilisen t de s membrane s constitueacutee s du n polymegraver e deacutepos eacute su r u n suppor t

microporeux o u meacutetalliqu e o u du n film liquid e absorban t immobilis eacute su r u n suppor t d e

polymegravere (Fero n et al 1992 Herzog et a1997 Herzog 2001) L e CO2 est mis en contac t

avec l a membran e e t l e polymegraver e o u l e film liquid e qu i facilit e so n transpor t agrave traver s l a

membrane a u deacutetrimen t de s autre s polluants Ce s proceacutedeacute s offren t plusieur s avantage s pa r

rapport au x autre s proceacutedeacute s pa r leur s simpliciteacute s e t leur s stabiliteacutes Toutefois ce s

technologies preacutesenten t d e seacuterieu x deacutesavantage s don t de s coucirct s dutilisatio n eacuteleveacutes de s

rendements d e captag e d u CO 2 infeacuterieur s agrave 8 0 un e faibl e seacutelectiviteacute e n plu s d e n e

pouvoir traiter que des effluents ayan t de faibles concentration s en CO2 (Yang et al 2008)

122 Technologie s d e seacutequestration d u CO 2

Laugmentation constant e de s activiteacute s industrielle s de s acieacuteries de s cimenterie s e t de s

alumineries a pour conseacutequenc e no n seulemen t laccroissemen t de s eacutemission s d u CO 2 mais

aussi laccumulatio n d e millions de toimes de reacutesidus alcalins partout dan s l e monde Le deacutef i

pour ce s entreprise s e t pou r l e mond e d e l a recherch e es t d e taill e utilise r ce s reacutesidu s

industriels afi n d e limite r (seacutequestrer ) un e parti e d u CO 2 eacutemi s dan s latmosphegravere E n fait

cest depui s le s quinz e demiegravere s anneacutee s qu e l a recherch e essay e agrave reacutepondr e agrave cett e

probleacutemafique

15

Les effort s le s plus consistant s reposen t su r l e deacuteveloppement dun e technologi e utilisan t le s

scories de s acieacuterie s e t le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s comm e matrice s afi n d e

seacutequestrer l e CO 2 (Hujge n e t al 2005 Kharoune 2006) Quan t agrave lutilisatio n de s boue s

rouges de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e cimenterie s son t dan s leur s

premiegraveres phases dessais

Les technologie s d e seacutequestratio n d u CO 2 o n peu t le s classifie r e n quatr e cateacutegorie s l a

seacutequestration oceacuteanique l a seacutequestratio n biologiques l a seacutequestratio n geacuteologiqu e e t l a

seacutequestration mineacuterale s des mateacuteriaux alcalins Il importe de mentionner qu e la deacutefinition d e

technologie es t peut-ecirctr e inexacte ca r l e pheacutenomegraven e d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r de s

matiegraveres alcaline s es t u n pheacutenomegraven e naturel Toute s ce s laquotechnologies raquo permetten t l a

seacutequestration d u CO2 agrave tregraves long s termes (plusieur s millier s agrave plusieurs million s danneacutees ) agrave

lexception d e l a seacutequestration d u CO2 par l a biomasse de s veacutegeacutetaux qu i n e l e seacutequestre qu e

pour une cinquantaine danneacute e (Santos 2006)

La seacutequestration oceacuteaniqu e

Les oceacuteans ont u n potentie l d e seacutequestration d u CO2 tregraves eacuteleveacute plus de 100 0 Gt (AMPERE

2006) mai s l a dureacute e d e reacutetentio n d u CO 2 est beaucou p plu s court e qu e le s autre s type s d e

seacutequestration L e CO2 injecteacute agrave 1500 m de profondeur libegraver e 1 8 de la quantiteacute seacutequestr eacute du

CO2 apregraves 200 ans de stockage (Hanish 1999) Ceci sexpliqu e pa r l e fai t qu e le CO2 dissout

dans lea u s e transforme e n acid e carboniqu e H2CO 3 qui baiss e l e p H d e lea u marine De s

ions bicarbonates HCO3 et des ion s carbonates COs^ sont libeacutereacute s dans lea u qu i agrave leu r tou r

vont reacuteagi r ave c le s ions meacutetallique s qu i s e trouvent dans lea u pou r former de s sel s tels que

la calcit e CaCO s (carbonat e d e calcium ) e t l a dolomit e CaMg(C03)2 L a formatio n d u

carbonate d e calciu m CaCO j produi t deu x pheacutenomegravenes l e premie r es t celu i d e

laugmentation d e la concentration e n acide carbonique qu i peut auss i seacutecrir e CO 2 + HO et

par voi e d e conseacutequence d e cell e d u CO 2 et l e deuxiegravem e es t celu i d e l a reacuteductio n d e l a

concentration e n ions bicarbonates ce qui va provoquer une baisse du pH

C02(g) + CaC03(s) + H2O -^ Ca-(aq ) + 2 HCO3 (aq) (15 )

16

Les concentration s eacuteleveacutee s d e CO 2 suites agrave l a productio n d e CaCO s provoquen t l a creacuteatio n

dun gradien t entr e loceacutea n e t latmosphegravere qu i favoris e un e diffusio n d u CO 2 de loceacutea n ver s

latmosphegravere (Bourque 2009)

Un autr e inconveacutenien t d e cett e meacutethod e es t l a distanc e su r laquell e l e CO 2 reacutecupeacuter eacute de s

usines doi t ecirctr e transporteacute pou r atteindre loceacutean L e coiagravet de cette meacutethod e d e stockage a eacuteteacute

estimeacute entre 1 8 et 12 8 $ par tonne de CO2 seacutequestreacute (AMPERE 2006)

La seacutequestration geacuteologiqu e

Le stockag e geacuteologiqu e d u CO 2 preacutesente un e autr e alternativ e inteacuteressant e pou r limite r le s

eacutemissions d e ga z dan s latmosphegravere LOues t canadie n pa r so n relie f e t se s caracteacuterisfique s

geacuteologiques sembl e lendroi t ideacuteal car les reacuteservoirs geacuteologique s peuvent recevoi r toute s le s

eacutemissions de CO2 qui seront produites au Canada dans les prochaines anneacutees

Toutefois plusieur s chercheur s sinquiegraveten t d e limpact d e ce gaz stockeacute agrave des pressions tregrave s

eacuteleveacutees su r le s paroi s rocheuse s (Reeve 200 0 His 2003 Thoma s e t Kerr 2005 Montes -

Hemandez 2009) L a dissolutio n d u CO 2 peu t cause r l a formatio n de s carbonates de s

oxydes meacutetallique s e t de s hydroxyde s qu i agrave longues terme s peuven t affecte r l a solidit eacute de s

reacuteservoirs (Montes-Hemande z 2009) L a seacutequestrafio n geacuteologiqu e d u CO 2 s e deacuteroul e e n

trois eacutetape s l e captage l e transpor t e t linjectio n d u gaz L e captag e es t leacutetap e l a plu s

coucircteuse du processus (GIEC 2005)

De plus plus des deu x tier s du coucirc t du captage e t du stockage d u CO2 provenant de s ga z de

combustion y sont accapareacute s pa r sa seacuteparation e t so n traitement Ce s coucircts eacuteleveacutes preacutesenten t

(40 agrave 7 0 $ ustonne d e CO2 ) l e principal obstacl e agrave l a commercialisatio n de s technologie s

de stockage du CO2 au Canada (Reeve 2000)

17

Stockage dans les gisements de gaz ou de peacutetrole

Cette technologie es t en cours de deacuteveloppement Le s gisements de gaz et de peacutetrole peuven t

servir d e reacuteservoir s naturel s d u CO2 Ce s reacuteservoir s offren t de s potentiel s d e seacutequestratio n

supeacuterieurs agrave 18 0 Gt de CO2 (Reeve 2000)

De nombreuse s expeacuterimentation s son t e n cour s a u Japon au x Eacutetats-Uni s e t e n Europe L e

CO2 capt eacute peu t ecirctr e inject eacute e t emprisonn eacute dan s de s structure s geacuteologique s telle s qu e de s

veines d e charbo n inexploitables de s gisement s eacutepuiseacute s d e ga z o u d e peacutetrol e o u de s roche s

poreuses Un e foi s aboutie cett e technologi e permettrai t d e reacuteduir e massivemen t le s

eacutemissions d e c e ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere U n aspec t inteacuteressan t d e cett e

technologie es t le transport direc t du CO2 des usines vers les sites de stockage

Les grand s eacutemetteur s d e CO 2 tel s qu e le s alumineries le s acieacuteries le s cimenterie s e t le s

raffineries d e peacutetrol e peuven t utilise r facilemen t cett e technologi e (Montes-Hemandez

2009)

Stockage dans le s formations houillegravere s

Une autr e possibilit eacute d e seacutequestrafio n d u CO 2 es t linjecfio n dan s le s formafion s houillegravere s

(Mastalerz et al 2004) Le meacutethane (CH4) a la proprieacuteteacute de saccrocher au x paroi s rocheuse s

mais l e CO2 une foi s injecteacute deacuteplac e l e meacutethan e pou r prendr e s a place Cett e technologi e

preacutesente u n avantage consideacuterable l a vente du meacutethane ains i produi t peu t aide r agrave compenser

le coucirc t d e l a seacutequestratio n d u CO2 Deacutependan t d u typ e d e charbo n utilis eacute le s eacutetude s d e

laboratoire indiquen t quentr e deu x e t di x moleacutecule s d e CO 2 son t absorbeacutee s pou r chaqu e

moleacutecule d e meacutethan e libeacuter eacute (Stanto n et al 2001 Pa n e t Connell 2009) Linconveacutenien t

majeur d e cett e technologi e es t l a faible porosit eacute d e l a surface d u charbo n qu i s e tradui t pa r

un mauvais contac t du CO2 avec lensemble de la surface d u charbon

18

Stockage dans le s aquifegraveres salin s

Les reacuteserves planeacutetaires en eau saline deacutepassent largemen t celle s du peacutetrole e t de gaz naturel

Leurs potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 sont consideacuterables plu s 700 0 milliard s d e tonne s

de CO2 (Yang 2008)

Les aquifegraveres son t de s formation s geacuteologique s constitueacutes d e roches permeacuteable s contenan t d e

leau mobiliseacute e quelle s son t capable s d e restitue r naturellemen t (Herzo g et al 1997

Herzog 2001) Une telle technologie es t deacutejagrave utiliseacute e en Norvegravege o ugrave l a plate-forme offshor e

de ga z nature l d e Sleipne r inject e u n millio n d e tonne s d e CO 2 par anneacute e agrave 100 0 megravetr e d e

profondeur dan s la mer du Nord (Santos 2005)

Stockage dans la biomass e

Tel qu e expliqu eacute agrave l a sectio n 11 2 lor s d u processus d e l a photosynthegravese le s plantes verte s

absorbent d u CO 2 de latmosphegraver e afi n d e l e converti r e n glucos e e t e n dautre s substance s

indispensable agrave leu r survie Lor s d e l a respirafio n cellulair e l e glucos e es t laquobmleacute raquo pou r

produire d e leacutenergi e qu i ser t agrave mainteni r le s foncfion s vitale s de s veacutegeacutetau x (Campagna

1996) Les forecircts e t les algues marines sont les principaux reacuteservoir s vert s du CO2

Les forecirct s

Les arbre s duran t leu r croissance absorben t e t stocken t l e CO 2 de lai r jusquagrave c e qu e leu r

bois soi t brucircl eacute o u deacutecompos eacute naturellement Le s forecirct s contiennen t 8 0 d e l a biomass e

continentale (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s fonctionnen t donc duran t u n certai n temp s

comme de s puit s d e CO 2 e t contribuen t agrave reacuteduir e leffe t d e serre Un e forecirc t es t consideacutereacute e

comme pui s d e carbon e quan d ell e absorb e e t stock e l e CO 2 d e maniegraver e durabl e dan s l a

biomasse faisan t d e sort e qu e l a teneu r e n CO 2 d e latmosphegraver e diminue L a biomass e

aeacuterienne de s jeunes forecirct s agrave croissance rapid e fixe plus de gaz carbonique quell e nen rejett e

(Campagna 1996) Toutefois le s arbres mures des forecircts seacutequestren t tregrave s peu de CO2 Apregraves

une peacuteriode de 50 ans la forecirct es t consideacutereacutee mature

19

Ce nest pa s l e taux de fixation d u carbone qu i es t deacuteterminant mai s l e temps pendant leque l

il es t stock eacute dan s l a biomass e (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s e t le s autre s type s d e

veacutegeacutetation peuven t capte r e t transforme r entr e 2 0 e t 30 de s eacutemission s causeacutee s pa r la

combustion deacutenergie s fossiles e t cett e valeu r pourrai t encor e ecirctr e augmenteacute e pa r de s

reboisements Cependant o n admet que tous les puits de CO2 du monde seron t satureacute s dici agrave

2050 Pa r ailleurs le s puit s actuel s pourraien t auss i deveni r de s source s d e CO 2 s i

latmosphegravere devai t s e reacutechauffer Fischli n et al (2006 ) considegraver e que n ca s d e

reacutechauffement climatiqu e selo n le s modegraveles preacutevisionnels actuels le s peacuteriodes de seacutecheress e

(entraicircnant u n risqu e acc m dincendi e e t u n affaiblissemen t de s arbres) voir e le s tempecirctes

pourraient s e muhiplie r globalemen t e t localement dougrave entr e autres un e possibl e

augmentation de s attaque s pa r de s insectes Tou s ce s facteur s pourraien t fair e mouri r le s

arbres qui agrave leur tour une fois deacutecomposeacutes libeacutereront du CO2 dans latmosphegravere

Algues marine s

Les algue s marine s agrave l a surfac e de s oceacutean s jouen t u n rocircl e importan t dan s leacutecosystegravem e

marin Le s micros-algue s utilisen t le s rayon s d u solei l pou r leu r croissanc e eacutetan t donn eacute

quelles son t source s deacutenergi e e t permetten t d e transforme r l e CO 2 e n composant s

organiques (Herzo g et al 1997 Herzog 2001) Elle s repreacutesenten t l a base nutrifionnell e d e

la vi e marin e e t terrest e car elle s produisen t plu s d e 9 0 d e lactivit eacute photosyntheacutetiqu e

repreacutesentant pa r l e fai t mecircm e l a premiegravere sourc e doxygegravene su r la Terre Les expeacuteriences ont

deacutemontreacute qu e le s rendement s d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s algue s marines l e

zooplancton e t les bacteacuteries ont quadmpleacute suite agrave la fertilisation de s algues en ajoutant 800k g

de fe r su r un e surfac e d e 4 9 k m dan s loceacutea n Atlantiqu e Su d mai s ell e peu t repreacutesente r

certains dangers comme l e deacuteseacutequilibre de la flore marine (Herzog 2001)

La manipulatio n geacuteneacutetiqu e es t un e autr e voi e qu i permettr a au x algue s agrave augmente r leu r

pouvoir de seacutequestration d u CO2

20

Cette voie a eacuteteacute envisageacutee pour creacuteer des algues reacutesistantes agrave un environnement pauvr e en fe r

et ains i augmente r l a prolifeacuteratio n de s algue s marines mai s de s plante s marine s pouvan t

prolifeacuterer abondammen t dan s u n milie u carenc e e n fe r pourraien t induir e de s reacuteaction s e n

chaicircnes impreacutevisible s dan s le s eacutecosystegravemes marin s (Herzog 2001) Le s eacutetudes portant su r l a

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s son t beaucou p moin s

nombreuses

13 Seacutequestratio n d u CO2 par des mateacuteriaux alcalin s

Puisque l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s es t lobjecti f

principal d e l a preacutesent e eacutetude l a revu e deacutetailleacute e d e l a litteacuteratur e su r l e suje t es t preacutesenteacute e

dans cette section

Plusieurs recherche s (Lackne r et al 199 5 Stolarof f et al 200 5 Huijge n et al 2005 -

2006 Soong et al 200 6 Bonenfant et al 200 8 Montes-Hemandez et al 2008-2009 ) ont

proposeacute l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 comme un e altemativ e afi n reacuteduir e le s eacutemission s

de CO2 dans latmosphegravere e n ufilisant le s reacutesidus alcalins tels que les deacutechets municipaux le s

cendres volante s de s fours d e l a saumure le s deacutechet s d e beacuteto n e t d e ciment le s scorie s

dacier e t les boues de deacutesencrage des papeteries

131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriaux alcalins les fondement s

Lideacutee d e la seacutequestration mineacuteral e du CO2 a eacuteteacute lanceacutee par Seifritz e n 199 0 et a eacuteteacute eacutetudieacute en

en profondeur pa r Lackne r dan s les deacutebuts des anneacutees 90 Cette technologi e es t baseacutee su r un

pheacutenomegravene chimiqu e simpl e la formation d e carbonates stable s suit e agrave ladsorption d u CO2

par de s composeacute s alcalin s tel s qu e le s oxyde s d e calciu m (CaO ) e t d e magneacutesiu m (MgO )

(Lackner 1995) Les efforts le s plus consistants son t poseacutes su r linvention dun e technologi e

utilisant le s scorie s de s acieacuteries le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s e t le s mineacuterau x

alcalins tels que lolivine l a serpenfine l e wollostonite comm e matrice s afi n d e seacutequestrer l e

CO2

21

Quant agrave lutilisatio n de s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e

cimenteries son t dan s leur s premiegravere s phase s dessais E n fait i l exist e deu x type s d e

seacutequestration mineacuterale du CO2 ex-situ et in-situ

La seacutequestration ex-situ

Cette technologie es t appeleacutee ex-situ car on utilise les mineacuteraux alcalin s qui se trouvent dan s

la nature tel s que la serpentine lolivine l e wallostonite l e talc et c pou r l a seacutequestratio n d u

CO2 Linteacuterecirc t dutilise r le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalin s pou r l a seacutequestratio n

du CO 2 consiste dan s l e fai t qu e c e processus es t exothermiqu e e t qui l perme t l a formatio n

de carbonate s stable s (Lackner 199 5 Khoo e t Tan 2006 ) gracircc e agrave leur s teneur s eacuteleveacutee s e n

oxydes de magneacutesium (MgO ) et de calcium (CaO ) (Proctor et al 2000 ) comme l e deacutemontre

le tableau 12

La serpenfin e e t lolivin e ont eacutet eacute identifieacutee s pa r plusieur s (Beara t et al 2006 Kho o e t Tan

2006 Checircne al 2006 Huijge n et al 200 6 Krevor e t Lackner 200 9 Prigiobbe et al

2009) comme les mineacuteraux le s plus prometteurs agrave utiliser pour l a seacutequestration d u CO2 gracircce

agrave leurs pouvoirs alcalins et les quantiteacutes eacuteleveacutees quon trouve dans l a nature

Ces mineacuterau x doiven t ecirctr e transporteacute s pregrave s de s usine s eacutemettrice s d e CO 2 et broyeacute s avan t

decirctre utiliseacute s pour l a seacutequestration d u CO2 Le concept es t baseacute su r l e pheacutenomegravene nature l d e

lalteacuteration de s mineacuterau x alcalin s pa r l e CO 2 dan s leque l le s silicate s d e calciu m o u d e

magneacutesium son t transformeacute s e n carbonates L a carbonatatio n mineacuteral e engloban t tou s le s

mineacuteraux alcalin s es t preacutesenteacutee par les reacuteactions ci-dessous (Kho o et Tan 2006)

(Ca Mg)Si03(s) + C02(g) -gt (Ca Mg)C03(s) + Si02(s) + 90 kJmole (16 )

La reacuteactio n 1 6 deacutemontr e l e potentie l d e transforme r naturellemen t de s mineacuterau x riche s e n

silicates de magneacutesium e t de calcium en carbonates e t en silice

22

Tableau 12 La teneur en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Mateacuteriaux (mineacuterau x

alcalins)

Peridotite Dunit e (olivine )

Hazburgite

Lhezhorlite

Serpentine

Gabro

Basait

Talc

Wallastonite

Teneur en Mg O

masse

495

454

281

400

100

62

440

-

Teneur en CaO

masse

03

07

73

0

130

94

-

350

De tout e eacutevidence l a capacit eacute d e seacutequestre r l e CO 2 pou r le s reacutesidu s alcalin s deacutepen d

directement de la proportion des oxydes meacutetalliques de calcium et de magneacutesium (CaO et de

MgO) e t leur s hydroxyde s respectif s Ca(0H) 2 e t Mg(0H 2 contenue s dan s l a matric e de s

deacutechets (Montes-Hemandez et al 2009)

Dans de s condition s ideacuteale s e n suivan t l a reacuteacfio n 16 un e tonn e d e serpentin e peu t

seacutequestrer enviro n une demi-tonne de CO2 et une tonne de lolivine peu t seacutequestrer enviro n

deux fiers dune tonn e d e CO 2 (Khoo e t Tan 2006) L a reacuteaction es t exothermiqu e e t ell e

libegravere 90 kJmole de CO2 Le s eacutetudes deacutemontrent que le processus de carbonatation aqueuse

suit deu x eacutetapes a ) l a dissolutio n de s cafion s e n solutio n suiv i pa r b ) l a nucleacuteatio n e t l a

croissance des preacutecipiteacutes de carbonate (Park et Fan 2004 Maroto-Valer et al 200 5 Krevor

et Lackner 2009)L a raiso n principal e d e lutilisatio n d e ce s mineacuterau x es t labondanc e d e

ces derniers dans la nature

23

Les quanfiteacutes de serpentine en particulier son t largement disponibles dans le monde entier de te l poin t quo n peu t seacutequestre r tou t l e CO 2 qui peu t ecirctr e geacuteneacuter eacute agrave parti r d e toute s le s reacuteserves planeacutetaires en charbon Leur faible coucirct combineacute avec le caractegravere exothermique du processus d e carbonatation (reacuteacfio n 16 ) son t le s deu x principaux argument s qu i peuven t justifier l e deacuteveloppement d e ce proceacutedeacute au niveau industrie l (voi r figur e 14) Malgr eacute le s avantages deacutecrit s ci-dessus l a seacutequestratio n d u CO2 par l a carbonatatio n mineacuteral e es t un processus qu i est limiteacutee par l a lenteur de la reacuteaction de carbonatation e t notamment d e la lenteur d u taux d e dissolution de s silicate s dans des conditions faiblement acide s (Chen et al 2008)

^bulliltNr- -gtv v

Serpentine

r-^BoMWraquo iuml ^ Olivine

Pipeline

Vision 21 Power Plant bullwr

ww-

mdashp

1

te Minerai Carbonation Plant

AfSOk^KP^

^agnesItB amp Sillca Constructio n Mateacuteriel Industiial Reagents Mine Reacuteclamation

Figure 14 L a seacutequestration du CO2 par carbonatation mineacuterale Tireacute de Goldberg (2001 )

Le renforcement d e la vitesse de la dissolution a eacuteteacute identifieacute comm e lune des principales opportiiniteacutes pour la reacuteduction des coucircts directs de ce processus (Krevor et Lackner 2009) Les coucircts dutilisation d e ces mineacuteraux sont faibles mais les coucircts de transports eacuteleveacutes Ils peuvent donc limiter leur utilisation en grande eacutechelle pour la seacutequesti-ation du CO2 La consommation deacutenergi e associeacute e a u broyage de s mineacuteraux repreacutesenten t 7 5 du coucirct total de leacutenergie demandeacutee de tout le processus de seacutequestration du CO2

24

Ces coucirct s peuvent augmente r jusqu agrave 90 s i on vise agrave obtenir un e granulomeacutetri e d e moin s

de 75 mm (Krevo r e t Lackner 2009) De plus les mineacuteraux alcalin s ne se comportent pa s de

la mecircm e faccedilo n lor s l e processu s d e l a carbonatafion Le s serpentine s reacuteagissen t plu s

facilement tandi s qu e l a peridotit e es t l a plu s difficil e agrave carbonater Pou r avoi r de s

rendements satisfaisant s (4 0 agrave 8 0 ) d e carbonatation i l fau t augmente r l a tempeacuterature au -

dessus d e 150deg C et ajoute r de s solutions tampons telle s qu e l e chlorure d e sodium (NaCI ) et

bicarbonate d e sodiu m (NaHCOs ) o u ajoute r de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e acid e

chlorhydrique (HCl ) afi n dacceacuteleacutere r l a reacuteactio n d e formatio n de s carbonate s (Che n et al

2008)

La seacutequestration in-situ

Lutilisation de s reacutesidu s e t de s sous-produit s alcalin s issu s d e lactivit eacute industriell e de s

alumineries des acieacuteries e t des cimenteries est une autre altemative d e seacutequestration d u CO2

Ces mateacuteriau x alcalin s (boue s rouges scories poussiegravere s d e fou r e t cendre s volantes ) son t

produits pa r ce s usine s e t gracircc e agrave leur haute teneur e n Mg O e t CaO il s peuvent ecirctr e utiliseacute s

sur place (in-situ) pou r seacutequestrer l e CO2 eacutevitant ainsi le s coucircts de transport

Les boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouge s son t de s reacutesidus industriel s issu s du processus dextractio n daluminiu m agrave

partir d e l a bauxit e (proceacuted eacute Bayer) Ce s reacutesidu s (Doy e e t Duchesne 2003 ) on t u n p H

supeacuterieur agrave 1 2 et sont produit s agrave un taux de 2 tt daluminium commercialis eacute (Vacho n et al

1994) Le s boue s rouge s son t stockeacutee s soi t a u fon d de s oceacutean s (France Allemagne) soi t

preacutes des usines comme au Canada (Vachon et al 1994)

La production de s boues rouges en 2006 ses t chiffreacutee agrave 90 Mt dan s l e monde dont 3 Mt au

Canada e t o n preacutevoi t un e augmentatio n d e productio n d e 6 0 pa r deacutecenni e (Kharoun e et

al 2006) Le s grande s aluminerie s peuven t e n geacuteneacutere r jusqu agrave 67 5 00 0 tonne s pa r anneacute e

(Doye et Duchesne 2003)

25

Le tablea u 1 3 deacutemontr e qu e le s boue s rouge s on t un e teneu r eacuteleveacute e doxyd e d e calciu m

(CaO) et elles peuvent donc ecirctre ufiliseacutees afi n d e seacutequestrer l e CO2

Tableau 1 3 L a composition chimiqu e moyenne des boue s rouge s

Tireacute de Cabeza e t al (2003)

Composition en masse

AI2O3

10-20

CaO

2-8

FejOj

30-60

NazO

2-10

SiOz

3-50

TiOj

trace-10

Les scories des acieacuterie s

Lindustrie canadienn e d e lacieacuterag e constitu e l e secteu r l e plu s importan t d e l a meacutetallurgi e

du pay s (Mikhai l e t Aota 2006) Dix-sep t acieacuterie s exploiten t 2 1 usine s dan s hui t province s

canadiennes Dan s le s usine s inteacutegreacutees toute s situeacutee s e n Ontario de s haut s foumeau x

produisent d u fe r primair e agrave partir d e matiegraveres brute s comm e d u minera i d e fer d u charbo n

et de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006)

Les quatr e cateacutegorie s de s scorie s (Kharoun e et al 2006 ) deacutesigneacutee s selo n leu r proceacuted eacute d e

fabrication son t le s scorie s FO P (fou r agrave oxygegraven e pur) le s scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c

eacutelectrique) le s scorie s H F (hau t foumeau ) e t le s scorie s F P (fou r poche) Lutilisatio n de s

scories dan s l e bu t d e seacutequestre r l e CO 2 es t important e s i o n considegraver e qui l s e produi t

actuellement 1 4 Mt a u Canada 2 1 M t au x Eacutetat s Uni s e t 35 0 M t d e scorie s dan s l e mond e

dont 19 0 M t d e typ e H F (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e tonn e dacie r produit 02 8 agrave 1

tonne CO2 sont eacutemis dans latmosphegravere

Ce son t le s pH eacuteleveacute s (1 2 agrave 13 ) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxyde s meacutetallique s (Huijge n et

al 2005 ) le s raisons principale s d e lutilisatio n de s scories comm e substra t d e seacutequestratio n

du CO2 comme l e deacutemontre l e tableau 14

26

Tableau 1 4 La composition chimiqu e moyenne de s scorie s

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Composants (Vo en masse )

CaO Si02

A1203 MgO FeO MnO

Types de scorie s

FAEacute 30-40 10-20 lt10 lt10

15-35 lt10

FOP 42-52 9-13 05-3

1-8 15-35 3-10

FP 48-52 8-10 15-25 8-10 2-4 lt4

HF 39-42 33-39 9-13 6-9

0-01 01-05

Les scories FOP et FP sont plus riches en calcium qu e celle FAEacute tandis que les scories FP

sont plus riches on oxyde daluminium Le s teneurs en meacutetaux lourd s sont faibles pou r les

trois types de scories eacutetudieacutees

Les poussiegraveres de four des cimenterie s

Les poussiegravere s d e fou r d e cimenterie connue s auss i sou s l e no m d e laquo ceacutemen t kil n dus t raquo

(CKD) son t de s reacutesidu s industriel s reacutecupeacutereacute s pa r le s filtres eacutelectrostatique s lor s d e l a

fabrication d u clinke r (Doy e e t Duchesne 2003) Geacuteneacuteralement 1-1 5 tonne s d e calcair e e t

de 0 5 tonne s d e charbo n son t utiliseacute s pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e clinker L a

consommation deacutenergi e pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e cimen t seacutelegravev e agrave 4000 M J dont

pregraves de 80 est dorigine thermiqu e e t le reste de leacutenergie eacutelectrique E n outre 08-1 tonn e

de CO 2 est eacutemis e dan s latmosphegraver e pa r tonn e d e clinke r produit e (Kuma r et al 2006) L a

production mondial e des CKD seacutelegraveve agrave 30 millions de tonnes Une tregraves faible proportio n (15

) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x dan s le s industrie s agricole s e t d e l a

construction (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003)

Il fau t note r qu e jusque agrave l a fin des anneacutees 9 0 pregraves d e 4 millions d e CK D s e retrouvaient e n

tas ou dans des eacutetangs agrave cocircteacute des usines en Ameacuterique du Nord (Doy e e t Duchesne 2003) De

nos jours presqu e toute s le s CK D son t recycle s dan s l e processu s d e fabricatio n d u cimen t

(Huntzinger 2009)

27

Le tableau 1 5 deacutemontr e qu e le s CK D son t rich e e n oxyde s d e calcium Elle s possegraveden t u n

potentiel ne t d e neutralisatio n tregrave s eacutelev eacute (42 6 k g CaC03t) u n p H d e 126 un e reacuteserv e

importante e n sulfate s (10 3 SO4 ) ains i qu e de s concentration s e n meacutetau x lourd s plu s o u

moins importantes de lordre d e ppm tels que Cr Pb et Zn (Doye e t Duchesne 2003)

Tableau 1 5 La composifion chimiqu e moyenne des CK D

Tireacute de Corish et Coleman (1995)

Composition en mass e

Poussiegraveres d e four (CKD )

AI2O3

3-6

CaO

38-50

FczO

1-4

MgO

0-2

NaO

0-2

SiOj

11-16

Les cendres volante s

Les cendres volante s repreacutesenten t de s reacutesidus tregraves fins issus entre autre s de la combustion d u

charbon pulveacuteris eacute e t pouss eacute dan s l a chambr e d e combustio n du n fou r pa r de s ga z

deacutechappement Le s cendre s volante s son t classifieacutee s selo n leur s teneur s e n Ca O e t d u typ e

du charbon brucircl eacute (voi r tableau 16) e n deux classes F et C (Biemacki et al 2007)

Les cendres volantes de classe F confiennent moin s de 1 0 de CaO et sont utiliseacutees pou r la

fertilisation de s sols Le s cendres volante s d e classe C contiennent plu s d e 1 0 de CaO e t

elles son t plu s communeacutemen t utiliseacutee s pou r l a fabricatio n d u beacuteto n (Montes-Hernande z et

al 2009)

La production de s cendres volantes seacutelevait agrave 4800000 tonnes a travers l e Canada en 2001

dont 450000 tonnes on t eacuteteacute utiliseacutees pour la fabrication d u ciment (Bouzouba a e t Foumier

2003)

28

Tableau 1 6 La composition chimiqu e des cendres volante s

Tireacute de Soong et al (2006 )

Composition masse

Sulfur

0-002

C

0-15

AI2O3

59-187

CaO

18-29

Fe203

5-85

K2O

03-24

MgO

14-64

NazO

06-55

Si02

14-516

En Europe e t selo n le s anneacutees de 2 agrave 3 Mt de cendres volantes su r une production total e d e

43 M t son t utiliseacutee s dan s l a constructio n d e route s soi t u n tau x dutilisatio n globa l dan s c e

secteur dactiviteacute d e 8

On enregistre actuellemen t 7 Mt en Australie 70 8 M t (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003 ) au x

Eacutetats Unis de s centaine s de s meacutegatonne s e n Chin e e t 10 0 M t dan s de s deacutecharge s e n Inde s

(Kumar et al 2005) Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestre r jusquagrave 2 6 kg de CO2

(Montes-Hemandez ea 2009)

Il exist e deu x type s d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s industriel s alcalin s l a

carbonatation direct e e t la carbonatation indirect e des oxydes meacutetalliques

A) L a carbonatation direct e

Ce proceacuted eacute perme t dinjecte r d u CO 2 gazeu x directemen t su r de s reacutesidu s alcalin s agrave leacuteta t

solides L e CO2 reacuteagit ave c le s oxydes meacutetalliques d e CaO e t MgO et formes de s carbonate s

stables selon les eacutequations suivante s (Lackner et al 1995)

CaO + CO2 -^ CaC0 3 + 17 9 kJmole

MgO + CO2 -gt MgC0 3 + 11 8 kJmole

(17)

(18)

Pour c e typ e d e seacutequestratio n le s quantiteacute s d e Ca O e t d e Mg O neacutecessaire s pou r lie r l e CO2

produit par la combustion dun e tonn e de carbone son t respectivement d e 47 et 34 tonnes

29

B) Carbonatatio n de s oxydes meacutetalliques en milieux aqueu x acide s

La seacutequestratio n indirect e d u CO2 soit l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s

alcalins e n milieu x aqueu x basiques es t l a meacutethod e l a plu s eacutetudieacutee Mecircm e s i leacutetud e de s

meacutecanismes qu i reacutegissen t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s n e fai t pa s parti e de s

objectifs d e ce meacutemoire i l importe de deacutecrire briegravevement le s principaux meacutecanisme s afi n d e

mieux comprendr e c e processus Dun e faccedilo n plu s deacutetailleacutee l a carbonatatio n s e deacuteroule e n

cinq eacutetapes 1) La diffusion d u Ca sur la surface de s particules de l a scorie 2) l a dissolutio n

du C a dan s l a solution 3 ) l a dissolufio n d u CO2 4 ) l a conversio n d u CO 2 dissou t e n ion s

bicarbonate e t 5) la preacutecipitation du CaC03 (Huijgen et al 2005)

Le CO 2 reacuteagi t ave c d e lea u e t form e d e lacid e carboniqu e (H2CO3 ) selo n le s eacutequation s

suivantes (lizuka et al 2004 )

CO2 + H2O ^ H2CO 3 (19 )

H2CO3 ^ H ^ + HCO3 (110 )

H C 0 3 ^ H ^ + C03^ (111 )

Le CaO peut eacutegalemen t reacuteagi r avec lea u pou r produire des cations calcium selo n l a reacuteaction

suivante (Huijgen e t Comans 2003)

CaO + H2O ^ Ca^ ^ + 2 OH (111 )

Tous le s produit s de s reacuteaction s 1 9 agrave 11 2 peuven t reacuteagi r ave c l e CO 2 pou r forme r de s

carbonates L a reacuteactio n entr e ce s oxydes l e CO 2 e t lea u a pou r reacutesulta t l a formatio n de s

monocarbonates e t bicarbonates (Bonenfan t et al1006 Soon g et al 2006)

Hujgen et al (2006 ) on t deacutetermin eacute le s meacutecanisme s reacuteacfionnel s d e Ca-carbonatatio n

(modegravele geacuteothermique ) comm e sui t

Ca(0H)2 + CO 2 - ^ CaC0 3 + H2 O (113 ) portlandite calcit e

30

Ca6(Al)2(OH)2(S04)326 H2O + 6H2O -gt 6CaC03 + 2A1^^ +3S04^- + 32H2O (114 ) ettringite calcit e

Ca-silicate (CSH) + CO2 CaC0 3 (calcite) +Si02 (partiel ) (L15 )

Reacuteactions 1 9 agrave 11 1 repreacutesenten t l a dissociatio n d e l a dissolutio n CO 2 dan s leau le s

reacuteactions d e 11 2 et 11 3 repreacutesentent lextracfio n de s ions calciu m de s reacutesidu s alcalins Le s

reacuteactions 11 4 e t 11 5 repreacutesentent l a preacutecipitation d u carbonate d e calcium

Le meacutecanisme reacuteactionne l d u CO2 avec le MgO en milieu aqueux es t semblable agrave celui de

CaO (Femacircndezera 1999)

C02(g) + H20(l) ^ C02(aq ) (L16 )

MgO(s) + H20(l) - Mg(0H)2(s ) (117 )

C02(aq)--C02(i) (118 )

CO2 + Mg(0H)2(s) + (n-1 ) H20(aq) ^ MgC0 3 nH20(s) (119 )

MgC03 nH20(s) + CO2 ^ Mg^ ^ (i)+ 2 HCO^Xi) + (n-1) H2O (120 )

Mg^^i) + 2 HC03- (i) -^ M g q ) + 2 HCO^(aq) (1-21 )

ougrave le C02(i) le Mg^(i) et le HCO(i) son t les produits formeacutes eto u adsorbeacutes agrave linterface

La reacuteaction 12 0 ougrave l e carbonate d e magneacutesium form eacute agrave la surfac e de s particules reacuteagi t ave c

le CO2 pour forme r d u bicarbonate d e magneacutesium repreacutesent e leacutetap e l a plus importante d e ce

meacutecanisme

Toutefois lorsqu e l a concentration d e Mg O e n solutio n excegraved e 05 5 gL l a preacutecipitation d u

carbonate de magneacutesium peu t devenir l a reacuteaction dominante (Evan s et St-Clair 1949)

Les reacuteaction s 1 9 agrave 12 1 deacutemontren t qu e c e processu s s e produi t spontaneacutement san s

neacutecessiter de la chaleur

31

Dun poin t d e vu e thermodynamique l e maximu m d e conversio n d e calciu m conten u dan s

les reacutesidu s alcalin s deacutepen d d e deu x facteurs l a solubilit eacute de s ion s d u calciu m dan s l e

processus dextractio n e t d e l a solubilit eacute de s ion s calciu m dan s l a preacutecipitation L e produi t

net d e l a productio n d e CaC03 deacutepen d d e l a diffeacuterenc e d e solubilit eacute entr e l e processu s

dextraction e t celui de la preacutecipitation (lizuk a et al 2004)

132 Leffe t de s variables sur la carbonatatio n

Plusieurs variable s affecten t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s e t sous -

produits alcalins Nombreux chercheur s ont eacutetudieacute leffe t de s variable s su r l e processus de la

carbonatation (Stolarof f e al 2003 Druckenmille r e t Maroto-Valera 2005 Maroto-Valer a

et al 2005 Stolarof f e r al 2003 Hujge n et al 2003-2006 Bonenfan t 2008) Leffe t de s

variables su r l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s basique s e n solutio n peu t ecirctr e seacutepar eacute

en deux cateacutegories

Variables affectan t l a solubiliteacute du C02dans lea u

Le pH la tempeacuterature e t la saliniteacute de leau ains i que la pression partielle du CO2 ont un effe t

direct su r l a solubiliteacute du CO2 dans leau Plu s le pH est basique plus l a solubiliteacute du CO2 est

eacuteleveacutee L a solubilit eacute d u CO 2 se fai t selo n l a lo i dHenr y pou r de s pression s supeacuterieure s agrave 5

atm (Vas Bhat 2000)

[C02]aq=KHpC02= 0032 pC02 (122 )

KH es t l e coefficien t d e solubilit eacute o u constant e dHem y d u CO 2 qu i es t deacutependant e d e l a

tempeacuterature e t de la saliniteacute et pC02 est la pression partielle du CO2

32

Lapproche d e Setcheno w qu i illustr e linfluenc e de s sel s su r l a solubilit eacute d u CO 2 peu t

sappliquer agrave diffeacuterents sel s mineacuterales comme sui t

X = xO exp(-Acirc) (123 )

ougrave X e t xO sont le s fracfions molaire s d u gaz acide dans lea u pur e e t dans l a solution saline

K es t la constante de Setchenow e t I est la force ioniqu e du sel

Variables affectan t directemen t l a carbonatation de s oxydes meacutetallique s basique s en solution

La granulomeacutetri e de s particules l a concentratio n (rati o solideliquide ) doxyd e meacutetalliqu e

dans l a solution l e temps la tempeacuterature d e reacuteaction l a pression partiell e e t le deacutebit du CO2

ainsi qu e l a vitesse d e brassag e d e l a solutio n son t le s variables qu i influencen t directemen t

la carbonatation de s oxydes meacutetalliques basiques en solution

Il fau t note r qu e l a vitess e d e brassag e nes t pa s influenceacute e e t ninfluenc e pa s le s autre s

variables lors le processus de carbonatation

Granulomeacutetrie de s particule s

La granulomeacutetri e de s particule s joue u n rocircl e tregrave s importan t su r l a carbonatatio n de s oxyde s

meacutetalliques Le s eacutetude s d e Hujge n et al (2006) Bonenfan t et al (2008) Baciocch i et al

(2009) on t deacutemontreacute s qu e le s quantiteacutes de s carbonate s e t des silicate s d e magneacutesium eacutetaien t

plus eacuteleveacute s agrave de s granulomeacutetrie s d e scorie s e t d e wallastonit e lt 38pm L a conversio n d u

CaO d e scorie s dacieacuterie s e n carbonate s pass e d e 2 4 agrave 74 lorsqu e l a granulomeacutetri e de s

particules diminu e d e lt 2 mm agrave lt 38 pm Reacuteduire la granulomeacutetrie pa r deux peu t augmente r

la conversion d e 32 agrave 62 (Hujgen 2005)

Vitesse de brassage

La conversio n d e CO 2 e n carbonate s nes t pa s influenceacute e pa r l a vitess e d e brassag e gt 50 0

rpm (Hujge n et al 2006 ) mais peu t empecircche r l a preacutecipitatio n d u Mg O (Femacircnde z et al

1999) E n revanche baisse r l a vitess e d e brassag e d e 50 0 agrave 10 0 rp m reacutesult e e n un e

diminution marqueacute e de la conversion de CO2 en carbonates (Hujge n et al 2006)

33

Ratio solideliquide (LS )

Plus l a solution es t dilueacutee plus l a conversion d u CO2 en carbonates es t eacuteleveacutee (Hujgen et al

2006 Bonenfan t et al 2008) Autremen t dh plu s l e rafi o L S es t eacutelev eacute plus l e degr eacute d e

carbonatation es t eacuteleveacutee Toutefois leffe t d e c e paramegravetr e su r l a carbonatatio n deacutepen d de s

autres paramegravetre s tel s qu e l a tempeacuteratur e e t l a pressio n d e lexpeacuterimentatio n (Baciocch i et

al 2009)

La tempeacuterature e t la pression du CO

Ces deu x variable s son t tregrave s lieacutee s lun e agrave lautre L a tempeacuteratur e peu t avoi r de s effet s

contradictoires su r l a carbonatation Agrave haute tempeacuterature l a lixiviatio n d u C a d e l a matric e

peut ecirctr e tregraves rapide mais l a solubiliteacute d u CO2 dans l a solution peu t diminue r (Hujge n et al

2005) Agrave un e pressio n d e 2 0 bar s d e CO 2 l a carbonatafio n augment e s i l a tempeacuteratur e n e

deacutepasse pa s le s 15O C e t attein t so n maximu m agrave 200C L a conversio n diminu e abruptemen t

au-dessus d e 200C C e reacutesulta t es t d ucirc au x effet s contradictoire s d e l a tempeacuteratur e

laugmentation d e l a tempeacuterature augment e l a vitesse de reacuteaction e t l e transfert d e masse de s

ions d e calciu m (lixiviation ) mais d e lautr e coteacute ell e provoqu e l a baiss e de s ion s

bicarbonate dan s lea u (Montes-Hemande z et al 2009) L a formatio n de s carbonate s es t

plus eacuteleveacutee aux basses pressions et agrave de hautes tempeacuteratures (Och s et al 1998)

133 Cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2

La cineacutetique dadsorptio n d u CO 2 deacutepend comm e o n vien t d e voir d e plusieur s paramegravetres

La vitesse d e reacuteaction deacutepen d grandemen t d e la tempeacuterature e t de l a pression (Huijge n et al

2006) Alor s qu e l a premiegraver e eacutetap e es t rapid e e t caracteacuteriseacute e pa r la formatio n d e CaCO j e n

quantiteacute relativement importante l a seconde eacutetape est plus lente (Gmpta e t Fan 2002)

En effet l e CaC0 3 form eacute preacutealablemen t dan s l a premiegraver e eacutetape constitu e un e barriegraver e qu i

gecircne la reacuteactio n d u Ca O disponibl e ave c l e CO 2 D e c e fait ladsorptio n d u CO 2 se trouv e

limiteacutee

34

Par conseacutequent l e pheacutenomegravene d e diffusion de s composants chimique s agrave travers l a couche d e

CaC03 form eacute constitu e u n paramegravetr e cl eacute qu i gouvern e l a cineacutetiqu e d e l a second e eacutetape L e

processus de lixiviation influenc e don c le degreacute de carbonatation L e transfert d e masse dans

les pores d u solid e es t difficil e agrave eacutevaluer selo n Ochsenkuhn-Petroloulo u et al (2002) car i l

est impossibl e d e deacutefini r l a form e de s canau x empmnteacute s pa r l a mafiegravere O n peu t toutefois

selon ce s auteurs obteni r un e esfimatio n approximativ e d u transfer t de s particule s dan s l a

solution agrave laide d e leacutequation suivant e

Dnidt=kA(Cs-c)b (124 )

ou

A est Faire de linterface solide-liquid e

b est leacutepaisseur d u film entourant le s particules

c est la concentration (mv ) du soluteacute

t est le temps

Cs est la concentration d e la solution satureacutee en contacte avec les particules

m est l a masse des particules transfeacutereacutees dan s le temps t

k es t le coefficient d e diffusion

Lair d e linterfac e solide-liquid e es t proportionne l au x nombre s de s particule s solide s dan s

la solution e t l e ratio L S es t l a fraction d e lair e speacutecifiqu e de s particule s d u reacutesid u alcali n

qui participent dan s l e processus de lixiviafion (Ochsenkuhn-Petroloulo u et al 2002) Ainsi

la taille de s pore s d e Ca O e t leu r distributio n deviennen t de s facteur s important s quan t agrave l a

conversion d e Ca O e n CaC03 A ce propos des performance s d e conversio n d e 7 0 e t 8 2

ont eacutet eacute reacutealiseacutees pa r Bhati a an d Perlmutte r (1983 ) e t Mess et al (1999 ) respecfivement pou r

des granulomeacutetries de 81-173pm et 15-2 0 pm

35

Pour exprime r d e faccedilo n apparent e l a cineacutetiqu e d e cett e conversio n d e Ca O e n CaC03 u n

modegravele matheacutematique a eacuteteacute proposeacute par Lee (2004)

X = k b t(b+t) e t dXdt - k (1-XXu)^ (125 )

ougrave X e t X u son t l a conversio n e t l a conversio n ultim e d e CaO k es t un e constant e d e l a

vitesse de cineacutetique b est le temp s neacutecessaire atteindre Xu2 e t t est l e temps

Pour deacutecrir e l a vhess e d e conversio n d e Mg O e n MgC03 u n modegravel e matheacutematiqu e a eacutet eacute

proposeacute par Femacircndez et al (1999 )

kt= l-(l-XMgO)^ ^ (126 )

ougrave XMgO repreacutesente l a conversion d e MgO k est une constante de la vitesse d e cineacutetique

t est le temps

Lors de ces reacuteactions l e CO2 sattache chimiquemen t agrave l a surface de s oxydes meacutetalliques d e

MgO CaO Ti0 2 pou r forme r de s unidentate s dan s l e ca s d e Ca O (Aurou x e t Gervasini

1990) e t d e unidentates (u n seu l atom e es t donneur deacutelectrons ) e t bidentate s (deu x atome s

sont des donneurs deacutelectrons) dan s le cas de MgO et de Ti02 (Udovic e t Dumestic 1984)

Laluminium es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quanfiteacute s dan s le s solution s de s boue s rouges

mais i l form e beaucou p moin s d e carbonate s compareacute s au x Ca O e t MgO Coolin g et al

(2002) ont deacutemontr eacute qu e l a soude caustiqu e e t l e TCA-6 ( 3 Ca(0H)2 2 A1(0H)3) adsorben t

respectivement 29 0 e t 469 du CO2 adsorbeacute par le s boues rouges L e Si02 ne forment pa s

de carbonates mecircm e si l adsorb e un e bonne quantit eacute d e CO 2 (Ueno e t Bennet t 1978 Bal et

al 2001) E n revanche le s bicarbonates s e formen t suit e agrave ladsorption d u CO 2 sur les site s

acides fort s de s oxyde s selo n u n meacutecanism e d u typ e Langmuir-Hinshellwood Ce s

meacutecanismes impliquen t lisotherm e d e Langmuir (cas I et III)

36

Cette isotherm e peu t ecirctr e deacutecrite en termes de taux d e reacuteaction agrave la surface d e ladsorban t O

(Erzeng 2006)

0 = nombre de sites dadsorption occupeacute s (L27 ) nombre de sites dadsorpfion disponible s

O = 0 ~ l

Ce meacutecanism e (Langmuir-Hinshellwood ) sappliqu e dan s l e ca s d e ladsorpfio n d e deu x

reacuteactifs su r une surface san s dissociation

A(g) + B(g) ^ A(ads ) + B(ads) -^ Produi t (128 )

La vitesse de cette reacuteaction est donneacutee par

ri = k [A] [B] = k copyAO B (129 )

Lisotherme d e Langmuir sapplique comm e sui t

copyA = BOAPA +BOAPA+BOBPB (130 )

copyB=BOBPB1+BOAP)+BOBP5 (131 )

ougrave B est le coefficient dadsorptio n ( A et B) et PA et PB le s pressions partielles de A et B

La vitesse deacuteriveacutee de lisotherme d e Langmuir cas III sillustr e comm e sui t

r = kBoABoB^sl +BOAPA + BOBPB (132 )

De no s jours aucun e eacutetud e n a eacutelucid eacute complegravetemen t le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t

ladsorption d u CO 2 en milieu x aqueu x de s oxyde s meacutetallique s basique s preacutesent s dan s le s

scories dacieacuterie s (Bonenfant 2008) U n nombr e importan t d e variable s peu t ralenti r o u

acceacuteleacuterer l a vitesse de la reacuteaction de ladsorption d u CO2

37

Plusieurs meacutethode s on t eacutet eacute examineacutee s jusqu agrave preacutesen t pa r le s chercheur s y compri s

laugmentation d e la surfac e de s particule s d e roch e pa r pulveacuterisation lutilisatio n d e

catalyseurs d e reacuteactio n tel s qu e lacid e chlorhydrique lacid e aceacutetiqu e o u hydroxyd e d e

lithium de s solution s tampon s telle s qu e bicarbonat e d e sodiu m e t l e carbonat e d e fe r

(Krevor e t Lackner 2009 ) e t des tempeacuteratures e t de s pressions eacuteleveacutee s o ugrave l e CO2 est en eacuteta t

supercritique (lizuk a et al 2004) Prigiobb e et al (2009 ) on t remarqu eacute qu e le s sel s

inorganiques tels que NaCl NaHCOs et KHCO3 ont ameacutelioreacute l a carbonatafion de s silicates

Ils ont concl u qu e l a variation d u pH peu t influence r l a dissolution d u CO 2 dans l a solufion

En revanche l a variafio n de s tau x d e HCl d e LiO H o u d e l a salinit eacute a produi t u n

changement dan s l a valeu r d u p H c e qu i agrave so n tou r condui t agrave un changemen t d u tau x d e l a

dissolution d u CO 2 mais i l n y avai t pa s d e preuve s du n effe t direc t e t indeacutependan t d e ce s

paramegravetres su r le taux de dissolution d u CO2

La variatio n d e p H n a pa s l a mecircm e influenc e su r toute s le s matrice s alcalines Lolivin e

semble decirctre l e mineacuteral alcali n l e plus influenceacute pa r l a variation d u pH s i on parle en termes

de dissolutio n d u CO2 I l n y a pa s deffe t dinhibitio n su r l a dissolutio n d u CO 2 agrave u n p H

supeacuterieur agrave 5 Ce constat es t important car agrave ces valeurs de pH e t agrave des tempeacuteratures d e 25 agrave

150 C le s preacutecipitations d e carbonates son t les plus eacuteleveacutees (Prigiobbe et al 2009) Lorsque

le pH de ce systegraveme es t presque neutre la dissolution d u CO2 est lente e t donc la dissolutio n

des mineacuteraux dans ces conditions es t moindre (Krevor e t Lackner 2009)

Liu et al (2005 ) ont deacutevelopp eacute un e meacutethode biomeacutetrique dan s laquell e lenzym e anhydras e

carbonique jou e l e rocircl e d e catalyseu r biologique Le s reacutesultat s obtenu s on t deacutemontr eacute qu e

lenzyme a acceacuteleacutereacute l a carbonatation de s oxydes meacutetalliques dans le milieu aqueux

En conclusion plusieur s paramegravetre s influence s l a cineacutefiqu e dadsorptio n d u CO 2 e t l a

formation de s carbonates C e son t donc laugmentatio n d e l a tempeacuterature d u rappor t LS

du temps de reacuteaction e t de l a pression partiell e d u CO2 les principaux facteur s qu i favorisen t

la conversion d u Ca en carbonates

38

134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s

Les boues rouge s des aluminerie s

La production de s boues rouges en 2006 sest chiffreacutee agrave 90 millions de tonnes dans le monde

dont troi s million s d e tonnes au Canada e t on preacutevoit un e augmentatio n d e production d e 6 0

par deacutecennie (Kumar et al 2006)

Le stockag e de s boue s rouge s repreacutesent e no n seulemen t u n problegravem e eacuteconomique agrave caus e

des coucirct s d e preacuteparatio n e t d e maintenanc e de s sites mai s auss i u n problegravem e

environnemental d ucirc agrave leur nature caustique

Les boues rouges son t ufiliseacutees dan s les domaines de (Sglavo et al 2000 Gupta et al 2001

Brunori et al 2005 Li et al 2006 )

constmction de s routes agrave cause de leur soliditeacute et de leur durabiliteacute

production d u ciment agrave cause de leur reacutesistance au gel et leur bas prix

fertilisation de s sols gracircce agrave leur teneur eacuteleveacutee en potassium e t en phosphate

extraction des oxydes de fer de scandium de plomb et de titan

fabrication d e ceacuteramique

neutralisation de s eaux des mines et des sites contamineacutes

Les scories des acieacuterie s

Lutilisation de s scorie s dans l e but de seacutequestrer l e CO2 est important e s i on considegravere qui l

se produi t actuellemen t 1 4 million s d e tonne s a u Canada 2 1 million s d e tonne s au x Eacutetat s

Unis e t 35 0 million s d e tonnes de scorie s dans l e monde (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e

tonne dacie r produit 02 8 agrave 1 tonne CO 2 son t eacutemi s dan s latmosphegravere Le s scorie s son t

utiliseacutees dan s plusieurs domaine s de leacuteconomie Le s principales ufilisation s de s scories son t

dans l e domain e d e l a constructio n (bitume ) e t comm e mateacuteriau x d e rembla i (Kharoune

2006) Des technique s reacutecente s permetten t l a reacutecupeacuteratio n d u phosphor e de s eau x useacutee s

(Soulard 2001)

39

Les scorie s d e typ e F P (Fou r Poche ) son t certifi eacute pou r u n usag e comm e amendemen t

calcique de s sol s (Procto r et al 2000) Dautre s utilisation s connue s de s scorie s son t dan s

les domaine s d e neutralisatio n de s eau x d e drainag e de s mines contr e leacuterosio n de s sols

comme mateacuterie l d e drainag e e t dadsorptio n de s meacutetau x lourds Mecircm e s i plusieur s

utilisations de s scorie s son t reacutepertorieacutees actuellemen t plusieur s dizaine s d e million s d e

tonnes de scories se trouvent accumuleacutee s su r des terrains partout dans l e monde

Les poussiegraveres de four des cimenteries (CKD )

La production mondial e de s CKD seacutelegravev e agrave 30 millions d e tonnes (Konsta-Gdouto s e t Shah

2003) Un e tregrave s faibl e proportio n (1 5 ) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x

dans le s industrie s agricole s e t d e l a construction Un e bonn e parti e (jusqu agrave 6 7 ) es t

reacuteutiliseacutee dan s le s fours d e production d u ciment e t le reste des CKD s e retrouvent e n pile ou

dans de s eacutetangs agrave proximiteacute de s usines On esfime agrave quatre million s d e tonnes d e poussiegravere s

accumuleacutees en Ameacuterique du Nord (Van Hoss et Padovani 2003)

Gracircce agrave leu r teneu r eacuteleveacute e e n calciu m e t potassiu m le s CK D son t tregrave s utiliseacutee s dan s l a

fertilisation de s sol s e t l a stabilisafio n de s eau x useacutee s e t de s boue s de s station s deacutepuration

Les CK D son t eacutegalemen t ufiliseacutee s avec succegrave s comm e remplissan t bitumineu x dan s l e

pavage e t l a toitur e dasphalte E n outre le s CK D e t le s cendre s volante s carbonate s

(utiliseacutees pour la seacutequestration du CO2) sont riches en carbonate d e calcium (CaC03 ) et de ce

fait elle s peuven t ecirctr e reacuteutiliseacutee s comm e mafiegravere s premiegravere s dan s l a fabricatio n d u ciment

Dans c e cas l e processu s d e carbonatatio n peu t ecirctr e consideacuter eacute comm e u n processu s d e

recyclage du ciment (lizuka et al 2004)

Les cendres volantes de s cimenterie s

Aux Eacutetat s Unies 708 millions de tonnes de cendres volante s d e tout genr e ont eacuteteacute produite s

en 2004 Preacutes de 40 de ces reacutesidus son t utiliseacutes comme additi f de ciment (Biemack i et al

2007) dan s de s bloc s d e maccedilonnerie comm e mateacuterie l e n alliage s leacutegers comm e matiegravere s

dagreacutegation fluides dan s l a chausseacuteeconstruction d e piste et comm e granule s de toiture

40

La plu s grand e applicafio n de s cendre s volante s es t dan s l e ciment bie n que d e nouvelle s

ufilisations creacuteatrice s pou r le s cendre s volante s soien t activemen t chercheacutee s (Konsta -

Gdoutos et Shah 2003 Kim 2004)

Pour l a peacuteriod e 200 3 agrave 2005 les centrales alimenteacutee s a u charbo n a u Canad a on t produi t e n

moyenne 45 2 M t de cendres volante s pa r anneacutee (Panagapko 2005) Dans lensemble 2 8

des cendre s volante s ont eacutet eacute reacuteutiliseacutes L e gyps e syntheacutetiqu e entr e dan s l a fabricatio n d e

panneaux d e placoplacirctre e t est utiliseacute agrave titre dadditif agrave ciment (Panagapko 2005) En Inde la

production d e cendre s volante s es t supeacuterieur e agrave 11 0 millions d e tonne s pa r a n e t seulemen t

20-25 de ces reacutesidus sont utiliseacutes agrave la fabrication d u ciment (Kumar et al 2005)

Reacutecemment Soon g et al (2006 ) on t propos eacute lutilisatio n de s cendre s volante s e t de s

solutions d e saumur e afi n d e seacutequestre r l e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuterale E n Europ e e t

selon le s anneacutees de 2 agrave 3 millions d e tonnes d e cendres volantes su r un e productio n total e

de 43 millions son t utiliseacutees en constructions d e routes soi t un taux dutilisatio n globa l dan s

ce secteur dactiviteacute d e 8

CHAPITRE 2

MATEacuteRIEL E T MEacuteTHODE S

Ce chapitr e preacutesent e l a meacutethodologie suivi e e t le s critegravere s d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacute s

lors d u projet boue s rouge s de s alumineries scorie s de s acieacuteries poussiegravere s d e fou r e t le s

cendres volantes des cimenteries

21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacute s

Des critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n on t eacutet eacute appliqueacute s pou r chacu n de s mateacuteriau x

cibleacutes Pa r critegravere s d e preacuteseacutelection o n sous-enten d tout e proprieacutet eacute physiqu e d e reacutesidu s

susceptible agrave preacutesente r de s danger s pou r l a sant eacute humain e telle s qu e de s odeur s

nauseacuteabondes deacutegagemen t d e ga z toxiques etc Le s reacutesidu s industriel s demandan t de s

proceacutedeacutes suppleacutementaire s afi n d e le s rendre non-toxique s o u ufilisable s avan t d e le s ufilise r

au laboratoir e on t eacutet eacute eacutecarteacute s d e l a preacutesent e eacutetude L a teneu r e n oxyde s meacutetallique s (CaO

MgO Si2 0 etc) l a teneu r e n meacutetau x lourd s (lixiviation) l e pH l a conductiviteacute l a

granulomeacutetrie son t le s principau x critegravere s d e seacutelectio n de s reacutesidus Huit reacutesidu s e t sous -

produits alcalin s ont eacuteteacute choisis pour reacutealiser leacutetud e su r l a seacutequestration d u CO2 deux type s

de boue s rouge s (humide s e t segraveches) trois types d e scorie s (FAEacute HF FP ) e t deu x type s d e

reacutesidus des cimenteries (poussiegraveres de four cendre s volantes)

211 Le s boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouges on t eacuteteacute foumies pa r Alcan Inc (Vaudreuil Queacutebec Canada) stockeacutee s dan s

des conteneur s hermeacutetiquemen t fermeacute s agrave 2 2 C L a couleu r roug e (Figur e 21 ) es t du e agrave l a

forte teneu r e n fe r e t so n p H eacutelev eacute es t l a conseacutequenc e d u traitemen t d e l a bauxit e agrave

lhydroxyde d e sodium (NaOH)

42

Boues rouge s humides

Boues rouge s segraveches

Figure 21 Photos des boues rouges humides et segraveches

Les boues rouges ont une granulomeacutetrie tregraves fine comprise entre 01 agrave 1000 pm une surface speacutecifique d e 1 0 agrave 4 0 m g e t un e mass e volum e trique qu i vari e d e 3 0 agrave 3 5 gcm ^ (Bonenfant et al 2006) Les boues rouges humides ont une sicciteacute de 50

Tableau 21 La composition chimique moyenne des boue s rouges Tireacute de Bonenfant (2006)

Composition en masse

Boues rouges

humides Boues rouges segraveches

AI2O3

193

19

CaO

58

77

FczOj

352

335

MgO

07

08

Na20

143

8

S1O2

53

96

43

Les oxydes preacutesenteacute s au tableau 21 font parti e des principales phases ( Hind et al 1999 Coolmg et al 2002 Cabeza et al 2003 ) comm e la portlandite (Ca (0H)2) le carbonate de sodium (Na2C03) le naal (0H)4 Na6[AlSi04]6 la cristalline dheacutematite (Fe203) la goethite (a-FeOOH) la gibbsite (Al (0H)3) la boehmite (y-AlOOH) la sodalite (Na4Al3Si30i2Cl) la anastase (Ti02) la mtile (Ti02) la katoite (Ca3Al2Si04(OH)i2) le gypse (CaS04 2H2O) et le quartz (Si02)

212 Le s scories des acieacuteries

Les scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c eacutelectrique) H F (hau t foumeau ) e t F P (fou r Poche ) on t eacutet eacute

foumies par la compagnie Mittal Canada Inc (Contrecoetu Queacutebec Canada)

Dans les usines inteacutegreacutees toutes situeacutees en Ontario des hauts fourneaux (voi r le scheacutema de production d e lacier Annex e II ) produisen t d u fe r primair e agrave parti r d e matiegravere s bmte s comme du minerai d e fer d u charbon e t de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006) Les scories sont inodore s e t ont une granulomeacutetrie fm e d e 0 agrave 5mm mais elles son t commercialiseacutee s aussi agrave une granulomeacutetrie de 5 agrave 14 mm (voir figure 22)

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP

Sont les pH eacuteleveacutes (12 agrave 13) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxydes meacutetalhques (Huijgen et al 2005) Les raisons principales de lutilisation des scories comme substrat de seacutequestration du

CO2

44

Les scorie s FO P et FP sont plus riches en calcium qu e cell e FAEacute tandis qu e le s scorie s F P

sont plu s riche s o n oxyd e daluminium Le s teneur s e n meacutetau x lourd s son t faible s pou r le s

trois types d e scorie s eacutetudieacutees Les scories d e type FO P et FA Eacute son t diffeacuterente s de s scorie s

HF (Figur e 22) Elle s son t plu s leacutegegravere s e t plu s riches e n fe r (Bonenfan t et al 2006) Le s

scories H F ayan t un e mass e volumiqu e d e 200 0 kgm ^ sont le s plu s leacutegegraveres tandi s qu e le s

scories FOP et FAEacute ont une masse volumique de 3000 kgm

Plusieurs phase s mineacuteralogique s composen t le s scorie s don t le s principale s son t l a

portlandite (Ca(0H)2 ) qu i es t geacuteneacuteralement l a phase dominante l a calcite l a magneacutesite le s

silicates e t diver s oxyde s tel s qu e de s oxyde s d e calcium d e magneacutesium d e fer d e

manganegravese e t de silicium (voi r tableau 14)Selo n Huijgen et al (2005) les conditions dan s

lesquelles le s scorie s son t geacuteneacutereacutee s deacuteterminen t le s proportion s d e ce s phase s dan s le s

scories (Huijgen et al 2005)

213 Le s poussiegraveres de four des cimenteries

Les poussiegravere s d e fou r on t eacutet eacute fourni e pa r le s cimenterie s St-Lauren t Inc (Longueuil

Queacutebec Canada) et Ciment Queacutebec Inc (St-Basil Queacutebec Canada)

Les poussiegraveres de four de cimenterie (voir figure 23) connues aussi sous le nom de laquocernen t

kiln dustraquo (CKD) sont des reacutesidus industriel s reacutecupeacutereacutes pa r les filtres eacutelectrostatiques (Doy e

et Duchesne 2003 ) lor s d e l a fabricatio n d u clinke r (voi r l e scheacutem a d e l a fabricatio n d u

ciment Annexe III) Les CKD ont une granulomeacutetri e tregrave s fine variant de 01 agrave 10 0 pm une

surface speacutecifiqu e d e 46 agrave 14 0 m g Les CKD ont une masse volumique de 480 kgm mai s

compacteacutees leur masse volumique peut atteindre 135 0 agrave 150 0 kgm^ (The Feacutedeacutera l Highway

Administration 2006) L a compositio n chimiqu e moyenn e de s CK D es t repreacutesenteacute e a u

tableau 15

45

Figure 23 Photo des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD)

Tireacute de Doye et Duchesne (2003)

Les CKD hbegraveren t tregrave s rapidemen t d e fortes concentration s e n potassium e n sulfat e e t en alcaliniteacute (Doye et Duchesne 2003) La quantiteacute doxyde de CKD deacutepend du type de four la source des matiegraveres du type de carburant utiliseacute et la maniegravere dont les CKD ont eacuteteacute reacutecupeacutereacute par le systegraveme

Lanalyse mineacuteralogiqu e de s CKD montre quelles sont composeacutees de calcite (CaC03) de dolomie (CaMg(C03)2 d u quart z (Si02) l e portlandit e (Ca(0H)2 de s sel s darkanit e (K2SO4) d e gyps e (CaS04) d e sylvit e (KCl) dhalit e (NaCl ) e t dettrengit e (Ca6(Al)2(OH)i 2(804)326 H2O + 6 H2O)

214 Le s cendres volantes

Les cendres volante s (voi r figure 24) on t eacutet eacute fournie s pa r le s cimenteries St-Lauren t Inc (Longueuil Queacutebec Canada)

46

Figure 24 Phot o des cendres volantes

Les particule s d e cendre s volante s son t l a plupar t d u temp s spheacuterique s avec un e surfac e

speacutecifique d e 25 0 agrave 60 0 m kg Les cendre s volante s d e class e C on t u n p H d e 1 2 e t un e

masse volumiqu e d e 234 0 kgm ^ (Biemack i et al 2007) L a compositio n chimiqu e de s

cendres volantes es t deacutecrite au tableau 16

Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestrer jusquagrave 2 6 kg de CO2 (Montes-Hemandez

2009)

En geacuteneacuteral le s phase s mineacuterale s preacutesentes (Biemack i et al 2007 ) dan s cendre s volante s

sont l e quartz (Si02) l a mullite (3AI2O 3 JE 2Si02) l a plagioclase (Na Ca (Si Al) 40raquo) l a

gehlenite (Ca2A l [AlSiO]) lanhydrit e (CaS04) lheacutematit e (Fe203) Fhalit e (NaCl) l a

sylvinite (KCl) et la calcite (CaC03)

47

22 Meacutethode s expeacuterimentale s

221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacute s

La compositio n chimiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s (scorie s e t boue s rouges ) a eacutet eacute eacutevalueacute e pa r

fluorescence agrave rayon X agrave laid e du n spectromegravetr e Philip s PW2400 Ell e a permis lanalys e

quantitative de s principaux composant s tels que 1 e CaO le FeO et le MgO Ces mesures ont

eacuteteacute reacutealiseacutee s e n triplicat a su r de s eacutechantillon s d e diffeacuterent s lot s de s mateacuteriau x cibleacute s e t

utiliseacutees pour lensemble de s expeacuterimentations

222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductivit eacute

Le p H e t l a conductivit eacute de s meacutelange s lixivieacute s on t eacutet eacute mesureacute s selo n le s meacutethode s

respectives normaliseacutee s 4500-H^- B e t 2510- B (APHA 1989 ) ave c l e pH-megravetr e numeacuteriqu e

PHM 250 ION Analyser ains i que le conductimegravetre numeacuteriqu e CD M Conductivit y Mete r de

la compagni e MaterLab^^ Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute on t eacutet eacute mesureacutee s pou r

chacun des mateacuteriaux cibleacutes avant et apregraves la carbonatation ains i que sur tous les eacutechantillon s

preacutelixivieacutes e t non preacutelixivieacutes filtreacutes e t non-filtreacutes L a filtration a eacuteteacute reacutealiseacute agrave laide d e filtres

Filtropur steacuterile s en aceacutetates de cellulose ayant un diamegravetre de 045 pm

223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin

Lalcaliniteacute de s mateacuteriau x a eacutet eacute mesureacute e agrave laid e d u fitreur automatiqu e TIM86 5 Titrafio n

manager e t d u logicie l Titramaste r 85V130 L e titrag e a eacutet eacute effectu eacute ave c d e lacid e

chlorhydrique (HCl ) 1 N Afi n deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestrafio n de s hui t mateacuteriau x

testeacutes le s reacuteserve s alcaline s de s matrice s on t eacutet eacute mesureacutee s dan s de s eacutechantillon s ayan t de s

granulomeacutetries industrielles Le s eacutechantillons contenaien t 1 0 g de mateacuteriaux cibleacute s e t 20 mL

deau deacuteioniseacute e e t ont eacuteteacute agiteacutes agrave 20degC et 200 rpm et titreacutes par titrage automatique ave c HCl

IN L e bu t d e lactivit eacute eacutetai t deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestratio n de s mateacuteriau x cibleacute s e n

partant de leurs pH naturel jusqu agrave pH 8 3 soi t le pH limite de formafion de s carbonates

48

224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en cuveacutee

Des essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute reacutealiseacute s ave c le s hui t reacutesidu s alcalin s cibleacutes Le s capaciteacute s

dabsorption de s mateacuteriau x choisi s on t eacutet eacute deacutetermineacutee s pa r l e barbotag e d u CO 2 (15 e n

volume CO2N2 ) e n fonctio n d e temp s donneacute s d e reacuteactio n 24 e t 4 8 heures L e choi x d u

meacutelange 1 5 e n volume CO2N 2 a eacutet eacute fai t e n tenan t compt e de s eacutemission s reacuteel s e n CO 2

quune chemin eacute dusine rejett e dan s latmosphegravere ( 8 agrave 1 5 ) Cette opeacuteration a eacuteteacute effectueacute e

dans des Erleinmeyer d e 250 mL qui contenaient 2 0 g de reacutesidu e t 200 mL deau deacuteioniseacute e agrave

20 C avec u n deacutebi t d e 5 mlmin duran t 2 4 e t 4 8 heures sou s un e agitatio n d e 20 0 rpm L e

tableau ci-dessous illustr e le s paramegravetres dexpeacuterimentation

Tableau 22 Paramegravetre s dexpeacuterimentatio n

Paramegravetres Temps

Tempeacuterature Pression

Granulomeacutetrie Volume deau distilleacute e Rapport liquidesolid e

(LS) Vitesse de rotation

Mesures 2448

Constante Atmospheacuterique

Industrielle 200 10

200

Uniteacutes Heures 20degC atm pm mL

kgkg

rpm

Le pH e t l a conductivit eacute ont eacutet eacute mesureacute s selo n le s technique s deacutecrite s preacuteceacutedemment Le s

quantiteacutes d e carbon e absorbeacutee s ont eacutet eacute mesureacutee s agrave laid e danalyseu r DC-85 A TO C d e l a

compagnie Dohrman n Divisio n C o muni dun fou r agrave combustion (800degC) dun flux conten u

doxygegravene e t du n tub e agrave catalyse contenan t d e loxyd e d e cobal t su r alumine Lanalyseu r

est eacutetalonn eacute ave c un e solutio n d e biphtalat e d e potassiu m agrave un e concentratio n e n carbon e

organique d e 200 0 mg-CL Le s concentration s e n carbon e organiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s

lixivieacutees non-lixivieacutees filtreacutees e t non-filtreacutees on t eacutet eacute mesureacutees apregrave s linjectio n d e 20-40 p L

dans le four d u TOC-megravetre

Avant linjectio n dan s l e fou r d u TOC-megravetr e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute agiteacute s ave c u n

baveau magneacutetiqu e agrave environ 50 0 trmin

49

Les concentration s e n carbon e organiqu e d e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute eacutevalueacutee s pa r l a

soustraction de s quantiteacute s d e carbon e mesureacutee s avan t e t apregrave s l a carbonatatio n d e ce s

eacutechantillons

La seacutequestratio n d u CO 2 a eacuteteacute fait e e n bouteille s d e Pyre x d e 25 0 mL Ce s dernier s eacutetaien t

ouverts agrave latmosphegravere L e CO 2 a eacuteteacute inject eacute agrave partir du n meacutelang e d e ga z de reacuteservoir e t l e

deacutebit d e ga z a eacutet eacute controcircl eacute agrave laid e du n deacutebitmegravetr e agrave flotteur e n acie r inoxydabl e d e Cole -

Pamier Instmment Co La reacutepartition uniform e d u gaz dans la boue rouge en milieu aqueux a

eacuteteacute reacutealiseacute e agrave laid e du n diffuseu r poreu x situ eacute agrave linteacuterieu r d e chaqu e fiole coniqu e (voi r

figure 2 5 et photo Annexe VIII) Les eacutechantillons ont eacuteteacute jeteacutes apregraves chaque analyse

Deux types dessais on t eacuteteacute conduits

bull essai s de barbotage preacutelixivieacute s pour lesquels le s eacutechantillons ont eacuteteacute lixivieacutes pendant 24 h

et 48h puis barbotes avec le meacutelange enrich i en CO2 pour une mecircme dureacutee

bull essai s de barbotage non preacutelixivieacutes pour lesquels leacutetape d e lixiviation a eacuteteacute supprimeacutee

Il fau t note r qu e pou r le s deu x temp s dadsorptio n d u CO 2 le s eacutechanfillon s utiliseacute s pou r l a

seacuterie de 24 heures sont diffeacuterents d e ceux utiliseacutes pour la seacuterie de 48 heures

50

Vent to atmosphegravere

Suspension of red mud or leachate

Diffuser mdash

Ecirc3

izzi nz o o o o Shaker

^ H = ^

Flowmeter

Gas mixture reacuteservoir

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee Adopteacute de Bonenfant et al (2008 )

Capaciteacute dadsorption du CO2

La capaciteacute dadsorption (Kco2 ) du C02^ par les reacutesidus alcalins a eacuteteacute deacutetermineacutee en fonction

du rapport liquide solide (LS) agrave la fois pour des essais preacutelixivieacutes et non preacutelixivieacutes

Celle-ci est donneacutee par la formule suivante

^ TOGeacuteiunJ(ppmQ - TOQireacuteppmQ) M(CCh)I MQ KC02 (g COicirclOOg de reacutesidu) = a bull

1000 (21)

ougrave M(C02) et M(C) sont respectivement les masses molaires (gmol) de CO2 et de C

Et a es t un facteur de conversion qui se calcule comme suit

a 100

ms(g) ms( 2)

( ^ ^ +200mL)000mLL) ps(glmL)

ms masse de reacutesidus utiliseacute dans lessai en g

ps masse volumique du reacutesidu alcalin en gcm^

51

225 Meacutethode s e t appareillages analytique s

Le tableau 2 3 reacutesum e le s meacutethodes e t les appareillages utiliseacute s pour le s diffeacuterentes analyse s

qui ont eacuteteacute reacutealiseacutees au cours de la preacutesente eacutetude

Tableau 23 Meacutethodes et appareillages analytique s appliqueacutee s

Type danalyse

pH

Conductiviteacute

Alcaliniteacute

Ca Na K Mg Fe

Carbone organiqu e

Meacutethodes danalys e

4500-H+-B PHM APHA 198 9

2510-B APHA 198 9

2320B APHA 198 9

3500 APHA 198 9

APHA 198 9

Appareillage

pH-megravetre 250 Ion Analyser

(MeterLabiM) Conductimegravetres numeacuteriqu e CDM Conductivity Mete r

(MeterLabiumlM) TIM865 Titration manage r + logiciel Titramaste r 8 5

V130 ICP-AES-IRIS ADVANTAGE

THERMOELECTRIQUE 2000

Analyseur DC-85 A TO C Dohrmann Divisio n Co

Apollo 9000 TOC Combustion Analyze r de

la compagnie Dohrmann Divisio n Co

CHAPITRE 3

RESULTATS ET DISCUSSION S

Les reacutesultat s obtenu s suite s au x essai s reacutealiseacute s seron t preacutesenteacute s e t discuteacute s dan s c e chapitre

Afin d e seacutelectionne r le s troi s reacutesidu s alcalin s ayan t le s meilleur s potentiel s d e seacutequestratio n

du CO2 des essais de seacutequestration d u CO2 de 24 et 48 heures ont eacutet eacute reacutealiseacutes Pour ce faire

les reacutesultats de leacutevolution d u pH de la conductiviteacute du potentie l d e seacutequestration d u CO2 et

du pouvoi r alcali n seron t preacutesenteacutes Enfin le s reacutesultat s de s essai s d e l a cineacutetiqu e d e

ladsorpfion d u CO 2 reacutealiseacute s ave c l e mateacuteria u ayan t deacutemontr eacute l e meilleu r potentie l d e

seacutequestration seron t discuteacutes

31 Evolutio n du pH et de la conductivit eacute

311 Essai s d e 4 8 heures

La figur e 3 1 illustr e l a variation d u pH des huit reacutesidu s apregrave s 48 heures d e seacutequestratio n d e

CO2 L e graphiqu e deacutemontr e clairemen t qu e tou s le s reacutesidu s on t sub i de s baisse s

remarquables d e p H apregrave s 4 8 heure s dadsorptio n d e CO2 Le s p H initiau x (voi r tablea u

31) de s troi s scorie s varien t d e 11 2 agrave 11 9 e t il s on t baisseacute s d e preacute s d e 6 uniteacute s pou r

atteindre l a valeu r d e 7 2 pou r le s scorie s S3 La figur e 3 1 deacutemontr e qui l y a tregraves pe u d e

variation d e p H entr e le s deu x valeur s extrecircme s d u p H conceman t le s deu x type s d e boue s

testeacutees En effet l a variation du pH concemant le s boues rouges humides preacutelixivieacutee s e t non

preacutelixivieacutes ne deacutepasse pas les deux uniteacutes Dans le cas des boues rouges segraveches (preacutelixivieacutes e t

non preacutelixivieacutes) la diffeacuterenc e es t moindr e soi t 1 5 uniteacutes E n revanche l a diminufio n de s

valeurs d u p H pa r rappor t agrave l a valeu r d u p H initia l es t remarquabl e du 12 6 agrave 72 Le s

poussiegraveres d e fours C l e t C2 ont obtenu le s plus fortes baisse s de pH dan s leur s formes non -

filtreacutees Toutefois seulemen t l e C 2 preacutelixivieacutee s e t non-filtr eacute a subi e un e baiss e d e p H

infeacuterieur agrave 70 soi t pregraves de 68 uniteacutes

53

Il fau t souligne r qu e le s diffeacuterence s d e p H entr e le s quatr e eacutechantillon s d e C l son t minime s

soit 0 1 unit eacute contrairemen t agrave celle s d e C 2 qu i son t di x foi s plu s grande s soi t un e uniteacute E n

revanche tous le s eacutechantillons de s cendres volantes F subis des baisse s remarquable s d e pH

variant de 66 agrave 68 uniteacutes

Ces reacutesultat s prouven t qu e l a lixiviation e n geacuteneacuteral jou e u n rocircl e minim e su r l e p H pe u

importe l e reacutesid u utiliseacute Toutefois le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s

meacutetallique tell s qu e Ca Mg Al Fe ^ selon Bonenfan t (2008) Ce son t ce s ions e t leur s

oxydes respectifs qu i assurent le pH et les conductiviteacutes eacuteleveacute s des reacutesidus cibleacutes

Tableau 31 Le s valeurs des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouge s humides (Bl )

Boues rouges segraveche s (B2)

Scories SAE (SI ) Scories FP (S2) Scories HF (S3)

CKD St-Lauren t C l CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

pH

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

115

115

115 116 118 126

-

-

48 heures

126

121

116 118 116 127 125

95

Non-filtreacute 24

heures 117

116

119 116 119 130

-

-

48 heures

126

121

119 119 117 127 127

92

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

121

120

112 114 115 128 125

88

Non-filtreacute -

124

122

115 124 117 128 126

89

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute (figur e 32) s i on compare ce s reacutesultats avec ceux d u

pH on peut constate r qui l exist e un lie u direct entr e leacutevolutio n d u pH e t leacutevolutio n d e la

conductiviteacute plu s le s valeur s d e p H augmentent plu s le s valeur s d e l a conductivit eacute

augmentent aussi Cett e relatio n peu t sexplique r pa r un e teneur plu s eacutelev eacute de s meacutetau x dan s

la solution surtou t dans les solutions de CKD

54

B1 B 2 S I 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

C2

Figure 31 Eacutevolution du pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutees ( bull ) non filtreacutes (o ) lors des essais de 48 heures

Il est coimu quen geacuteneacuteral les ions meacutetalliques en solution tels que Ca Mg Na^ forment

des eacutelectrolyte s beaucou p plu s puissant s qu e ceu x de s non-meacutetau x dougrave le s valeur s plu s

eacuteleveacutees de conductiviteacute des CKD (Cl) Toutefois s i on compare les valeurs de conductiviteacutes

initiales reacutesumeacutees au tableau 32 des scories FAEacute HF et les cendres volantes F on remarque

que contrairemen t au x autre s reacutesidus leur s valeur s d e conductivit eacute apregrave s 4 8 heure s d e

carbonatation ont augmenteacutes Ces reacutesultats corroborent ceux obtenus par Bonenfan t (2008)

Bonenfant expliqu e cet eacutecart par la preacutesence des oxydes amphotegraveres dans la solution tels que

lAl203 qu i diminuen t substanfiellemen t leur s influence s su r l e p H de s mateacuteriau x cibleacute s

comparafivement agrave ceux des oxydes fortement basique s tels que les oxydes de calcium et de

sodium

55

Tableau 3 2 Les valeurs des conductiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories SA E

(SI) Scories FP (S2) Scories HF (S3 ) CKD St-Lauren t

Cl CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

Conductiviteacute e n mS

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

58

43

05

69 11

243

-

-

48 heures

72

44

03

77 18

187

69

18

Non-filtreacute 24

heures 63

47

06

66 15

262

-

-

48 heure s

78

49

07

71 19

251

85

16

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

59

44

06

59 10

208

92

14

Non-filtreacute -

62

45

07

61 14

172

100

14

En revanche l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s daluminiu m dan s le s lixiviat s de s boue s

rouges e t des scorie s FA Eacute es t susceptibl e decirctre en partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees d e

conductiviteacute d e ce s troi s solution s selo n Bonenfan t (2008) I l es t inteacuteressan t d e constate r

encore un e foi s qu e l a preacutelixiviation comm e dan s l e cas d u pH a tregraves pe u dincidenc e su r

leacutevolution d e l a conductiviteacute E n fait i l nexist e aucun e diffeacuterenc e significafiv e d e

conductiviteacute entre le s reacutesidus preacutelixivieacutes et non-preacutelixivieacutes comme le deacutemontre l a figure 32

56

21

co18

bull^12

bullB 9 o ^ 6 O O 3

B1 8 2 81 82 8 3 C 1 C 2

Types de reacutesidus

Figure 32 Eacutevolution de la conductiviteacute des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) no n filtreacutes (bull) etnon-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull) no n filtreacutes (0) lors des essais de 48 heures

312 Essai s de 24 heures

Tel quexpliqu eacute preacuteceacutedemment le s essai s d e seacutequestratio n d u CO 2 d e 2 4 heure s on t eacutet eacute

reacutealiseacutes dans le but de deacutecouvrir sil existai t une diffeacuterence significativ e entr e les deux temps

de seacutequestratio n d u d e CO 2 eacutetudieacutes 24 e t 4 8 heures Pou r c e faire le s reacutesidu s qu i on t

obtenus le s meilleurs reacutesultat s de seacutequestration du CO2 lors des essais de 48 heures ont eacuteteacute

soumis agrave des tests de seacutequestration de 24 heures Ces reacutesidus sont le s boues rouges (humides

et segraveches) les scories (FAEacute FP HF) et les CKD St Laurent

La figure 33 illustre les reacutesultats de leacutevolution du pH apregraves 24 heures de barbotage de CO2

On remarque que les valeurs de pH des Bl B2 SI S3 et Cl son t tregraves semblables Ils varient

de 69 (Cl preacutelixivi eacute filtreacute) agrave 82 imiteacutes (SI non - preacutelixivi eacute filtreacute)

57

12 n

m lU

0

4

2

0

i I -i IM i i [ML 1

i I I Lli 1

m 1 i I m 1

i i i ji I

n 1 i Lli -] B1 8 2 8 1 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

Figure 3 3 Eacutevolutio n d u pH de s si x reacutesidu s preacutelixivieacute s filtreacutes (D) no n filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes (bull) no n filtreacutes (s ) lors des essais de 24 heures

Les scories S2 se deacutemarquent par leurs valeurs de pH eacuteleveacutees soient de 93 (preacutelixivieacute filtreacute)

agrave 100 4 (non-preacutelixivieacute non-filtreacute) Ce s reacutesultat s deacutemontren t qu e le s scorie s S 2 relacircchen t

plus difficilemen t le s ion s meacutetalliques qu e l e reste de s reacutesidus alcalins Rappelon s qu e le s

CKD (Cl ) on t obten u le s plu s forte s baisse s d e p H pa r rappor t au x valeur s avan t l a

carbonisation soi t plu s d e 6 uniteacutes Toutefois le s diffeacuterence s d e p H entr e le s eacutechantillon s

preacutelixivieacute e t non-preacutelixivi eacute son t moin s significative s soien t d e 0 1 agrave 1 uniteacute Ce s reacutesultat s

deacutemontrent encore une fois qu e la preacutelixiviation a peu dincidence sur leacutevolution du pH

Quant agrave leacutevolution d e la conductiviteacute l a figure 3 4 permet d e constater qu e le s valeurs de

conductiviteacute obtenues sont tregraves semblables avec celles obtenues lors les essais de 48 heures

car les meacutecanismes qui reacutegissen t la libeacuterafion des ions meacutetalliques sont identiques

58

30

lto25 E S 20

gt 15 o = 10

B1 62 81 8 2

Types de reacutesidus

83 CI

Figure 34 Eacutevolution de la conductiviteacute des six reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull ) non filtreacutes (3) lors des essais de 24 heures

32 Deacuteterminatio n du pouvoir alcalin

Les reacutesultats de s essai s d e titrage reacutealiseacute s avec le s hui t reacutesidu s (voi r le s reacutesultat s complet s

Armexe VI ) son t illustreacute s respectivemen t pa r le s figure s 3 5 agrave 37 Le s reacuteserve s alcaline s

calculeacutees agrave parti r d e ce s figure s son t reacutesumeacute s dan s l e tablea u 33 Ce s reacutesultat s indiquen t

clairement qu e le s quantiteacutes dacide chlorhydriqu e (acide fort ) neacutecessaire s pour atteindre le

pH 8 3 (p H d e saturatio n e n CaC0 3 dun e solutio n agrave leacutequilibr e e t agrave l a pressio n

atmospheacuterique) son t d e 8 agrave 1 1 foi s plu s eacuteleveacutee s dan s l e ca s de s scorie s dacieacuterie s

comparativement au x boues rouges de 2 agrave 27 fois plus eacuteleveacutees que les CKD et jusqu agrave 38

fois plus eacuteleveacutees que les cendres volantes Les cendres volantes ont un pouvoir alcali n tregraves

faible seulement 2 mL de HCl on suffit pou r baisser le pH initial en-dessous de 5 uniteacutes Les

CKD preacutesentent des pouvoirs tampons les plus eacuteleveacutes parmi les reacutesidus alcalins suivis par les

scories HF et FP

59

Tableau 33 Reacuteserves alcalines des huit reacutesidus

Type de reacutesidu

Boues rouges humides ( B 1 ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FAE (SI ) Scories FP (S2 ) Scories HF (S3 ) CKD (Cl ) CKD (C2 ) Cendres volantes (F )

pH

83

Reacuteserve alcaline (mole de HCIkg de reacutesidu)

038 04 31 39 43 14 16

012

En revanche le s boue s rouge s on t u n pouvoi r tampo n beaucou p plu s faibl e compar eacute au x

autres reacutesidus mentionneacutes ci-dessus mais plus eacuteleveacute que les cendres volantes Les particules

solides contribuent pou r 7 6 du pouvoir neutralisant de s boues rouges e t l a phase liquide

pour 24 constate Bonenfant et al (2008)

14 1

12

10 -

8 -

6 -

4 -

2 -

n -u 1

(

icirc-~~-icircraquo^^

1

) 1 0

bull ^

1 1 1

20 3 0 4 0

HCIlNenml

V

I

50

1

60

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FA E (bull) FP (bull) e t HF (0) en fonction du volume dacide ajouteacute

60

Figure 36 Courbes d e titrage des CKD Cl (bull ) e t C2 (bull) e n fonctio n du volume dacide ajouteacute

16-

14 A

pH

00 O

to

1 1 1

r-1

6 -

4 -

2 -n -

4P

^ ^HU

u T 1

0 1 0

Vp-

^9laquo^--f^-^^

20 3 0 4 0

H C I l N e n m l 50

Figure 37 Courbes de titrage des boues rouges segraveches (D ) et humides (bull) en fonction d u volume dacide ajouteacute

61

Ces reacutesultats indiquen t qu e les scories dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute de neutralisation plu s

eacuteleveacutee qu e tou s le s autre s reacutesidus D e plus le s scorie s H F son t le s plu s reacuteactive s ave c un e

reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en solution aqueus e

Cette eacutetap e d e la preacutesent e eacutetud e a consist eacute agrave mesure r le s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 en

solution pa r le s hui t reacutesidu s alcalins Lobjecfi f principa l d e cett e eacutetap e eacutetai t deacutevalue r l a

variation d u potentie l d e seacutequestratio n pa r le s matrice s de s reacutesidu s e t d e leur s lixiviat s

pendant 2 4 e t 4 8 heure s afi n d e seacutelectionne r le s reacutesidu s ayan t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration Cett e eacutetap e visai t eacutegalemen t agrave deacutetermine r si l exist e un e diffeacuterenc e

significative de s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s entr e le s deu x temp s d e

seacutequestration Enfin leacutetud e d e l a cineacutetiqu e d e seacutequestratio n pa r l e reacutesid u alcali n ayan t

obtenu l e meilleur rendemen t dadsorptio n d u CO2 lors les deux seacuterie s dessais a pour bu t de

mieux comprendre c e processus

331 Essai s de 4 8 heures

Les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit reacutesidus sont repreacutesenteacutes agrave la figure 38 Le CO2

injecteacute agrave deacutebi t constan t s e transform e e n phas e aqueuse c e qu i impliqu e un e baiss e d e p H

mais auss i un e adsorptio n d e CO2 Il s deacutemontren t qu e le s scorie s H F e t F P obtiennen t le s

meilleures reacutesultat s (voi r le s reacutesultats complet s Annex e IV ) dadsorpfion d u CO2 suivies pa r

les CKD d e type C l e t C2 Les de boues rouges humides (Bl ) e t segraveche s (B2 ) preacutesentent de s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 beaucoup moin s importante s mais plu s importante s qu e

les cendres volantes (F) La figure 38A indiqu e les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit

reacutesidus non-preacutelixivieacutes O n remarqu e qu e le s eacutechantillon s non-filtreacutee s (matrice s + lixiviats )

des scorie s S 2 e t S 3 obfiennen t le s meilleurs reacutesultat s dadsorpfio n d u CO 2 soien t 008 3 e t

0084 g de C02g de reacutesidu suivies par les Cl qu i preacutesente des capaciteacutes dadsorption d e 008

g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

62

Bl B2 S I 8 2 S 3 C I 0 2

Types de reacutesidus

15 07|

F

81 82 S I S 2 S 3 C I C 2

Types de reacutesidus

1214

Ll F

Figure 38 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 8 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes (D ) e t non- filtreacutes (bull ) lor s des essais de 4 8 heures

63

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s segraveche s e t humide s non-filtreacutee s offren t de s rendement s

infeacuterieurs agrave 60 compareacutes agrave ceux de s scories S 2 et S3 Les cendres volante s offre s le s plus

faibles reacutesultat s dadsorption soi t 0015 g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

Si o n compar e le s graphique s A e t B o n remarqu e qu e l a lixiviatio n a e u de s impact s

diffeacuterents su r le s hui t reacutesidu s testeacutes Le s boue s rouge s humide s e t segraveche s e t le s cendre s

volantes ont eacutet eacute plus sensibles agrave la lixiviation e n deacutemontrant de s reacutesultat s presqu e identique s

dadsorpfion d u CO2 L a figur e 48 B illustr e u n autr e fai t inteacuteressant Le s meacutelange s

(matrices+ lixiviats ) de s scorie s S 2 e t de s poussiegraveres d e fou r de s cimenterie s C 2 offren t de s

meilleurs tau x dadsorptio n d u CO 2 que le s lixiviat s seuls C e reacutesulta t peu t sexplique r pa r

tme preacutesence plus eacuteleveacutee des ions meacutetalliques dans les matrices que dans la solution

Les scorie s F P ont u n pouvoi r d e seacutequestratio n d u CO 2 qui peu t atteindr e 010 7 g de C02 g

de scorie s soi t l e tripl e d u pouvoi r de s boue s rouges C e hau t nivea u dadsorpfio n peu t

sexpliquer pa r l a teneur eacuteleveacute e en CaO jusquagrave 31 7 de Si0 2 (91) e t MgO (6 ) selo n

Huijgen et al (2005) Ce s oxyde s on t l a proprieacutet eacute d e reacuteagi r facilemen t ave c l e CO 2 e t d e

former de s carbonates stables

332 Essai s de 2 4 heure s

La figure 3 9 illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 apregraves 2 4 heure s d e carbonatatio n pa r

les si x reacutesidu s seacutelectionneacute s (voi r le s reacutesultat s complet s Armex e V) Lallur e geacuteneacuteral e de s

graphiques de la figure 39 sapparent e agrave celle de la figure 38 Comme dans l e cas des essai s

de 4 8 heures le s scorie s S2 S 3 e t le s CK D typ e C l no n - preacutelixivieacute s offren t le s meilleur s

reacutesultats dadsorptio n d u CO2 Les boues rouge s segraveche s (non-filtreacutes ) preacutesente s de s capaciteacute s

dadsorption d u CO2 20 supeacuterieures agrave celles humides e t 45 infeacuterieure s au x scorie s S3

La figure 39 A illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 par le s si x eacutechantillon s preacutelixivieacute s

pendant 2 4 heures

64

CM O O agt

O)

O)

O)

o 0)

laquo - s = ltr t

O) I -V)

laquoM O O 0)

bullo o

7 4gt

bull O

O) o o mdash lt1) -gt (A 0) 3

(A

(A 3

bull O

res

h

5 ^

4

3 18

A

29

6

5

4

3

2

1

0

B

35

65

36

81 8 2 S 1 S 2 S 3

Types de reacutesidus

Bl B 2 8 1 8 2 8 3

Types de reacutesidu s

CI

CI

Figure 3 9 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 6 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacute s (B ) filtreacutes (D ) e t non - filtreacutes (bull ) lor s de s essai s d e 24 heures

65

La preacutelixiviatio n sembl e davoi r u n impact e positi f su r ladsorptio n d u CO 2 pa r le s troi s

types de scories et les boues rouges humides non-filtreacutes

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s humide s ont augment eacute respectivemen t leu r pouvoi r

dadsorpfion d e CO 2 d e 5 2 e t d e 27 pa r rappor t au x eacutechantillon s non-preacutelixivieacutes Le s

faibles reacutesultat s dadsorption d u CO2 par les eacutechantillons preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes

deacutemontrent qu e le s carbonates s e trouvent majoritairemen t dan s le s matrices e t non dan s le s

lixiviats

La comparaison de s reacutesultats obtenus de la seacutequestration d u C02 lor s des deux seacuterie s de tests

permet d e constate r qu e le s diffeacuterence s d e gain s son t tregrave s diffeacuterentes Le s plu s grande s

diffeacuterences d e gain s son t enregistreacutee s pa r le s scories S 3 e t S 2 respectivement lor s des essai s

de 2 4 e t 4 8 heures D e plus le s scorie s S 2 obtiennen t le s plu s haut s gain s sou s leu r form e

preacutelixivieacutee contrairemen t au x scorie s S 3 qu i obtiennen t le s meilleur s reacutesultat s sou s leu r

forme non-preacutelixivieacutee D e ce fait o n peut conclur e qu e l a carbonatation peu t ecirctr e influenceacute e

par l e temps d e preacutelixiviation de s oxydes meacutetallique s s i la preacutelixiviation es t supeacuterieur e agrave 24

heures

34 Cineacutetiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP

Leacutetude de s potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 par le s hui t reacutesidu s testeacute s a releveacute qu e le s

scories F P (S2 ) offren t l e meilleu r potentie l d e seacutequestration D e c e fait i l import e don c

deacutetudier l a cineacutefique dadsorpfio n d u CO2 par ce reacutesidu alcalin afi n d e mieux comprendr e c e

processus L e choi x de s scorie s non-preacutelixivieacutee s s e justifi e pa r leur s rendement s d e

seacutequestrafion d u CO 2 qui son t plu s eacuteleveacutes par rappor t agrave celles preacutelixivieacutees Pou r c e faire le s

reacutesultats d e leacutevolutio n d u pH de conducfiviteacute e t de ladsorpfio n d u CO 2 seront preacutesenteacute s e t

analyseacutes

66

Les figures 31 0 e t 311 illustrent leacutevolutio n d u pH et de la conducfiviteacute de s scories F P non-

preacutelixivieacutees apregrave s 8 heures de carbonatation (voi r le s reacutesultats comple t agrave F Armexe VII) Huit

mesures de s valeur s d e pH e t conductiviteacute ont eacutet eacute reacutealiseacutees soi t apregrave s 0 25 5 10 20 60

120 et 480 minutes

1 12 bull

11 -

X ^ 10 -

9-

8-

7 1

^ ^ _

^ ^ ^ N gt N L

1 1

l 1 0 10 0 Temps d e barbotage a u C02 (e n min)

1

1000

Figure 31 0 Eacutevolutio n d u p H de s scorie s F P filtreacutees (bull) no n filtreacutees (D) e n fonction d u temps de barbotage au CO2

Le pH et l a conductiviteacute son t lieacute s par les mecircmes meacutecanismes soi t ceu x d e libeacuteration de s ion s

meacutetalliques d e calciu m e t d e magneacutesiu m dan s l a solufio n pa r le s particule s solide s degrave s l e

deacutebut d e l a reacuteaction Le s baisse s de s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute sexpliquen t pa r l a

reacuteaction de s ion s meacutetallique s ave c l e CO 2 qu i es t transform eacute preacutealablemen t e n acid e

carbonique e t l a formation de s carbonates Le s ions e t le s oxydes amphotegravere s reacuteagissen t pe u

dans l a solufio n e t d e c e fait il s ont pe u dimpac t su r l e p H e t l a conducfiviteacute Ces t

seulement apregrave s les dix premiegraveres minutes quon observ e une baisse significative de s valeur s

de pH et de conductiviteacute

67

Ce consta t es t e n accord ave c le s reacutesultats obtenu s pa r Hujge n et al (2006 ) e t Bonenfan t et

al (2008) Mecircm e s i ces auteur s ont travaill eacute ave c de s scorie s ayan t un e granulomeacutetri e plu s

fine (38-16 0 pm) le s preacutesent s travau x conduisen t agrave l a mecircm e conclusio n queu x le s ion s

meacutetalliques s e libegraveren t de s matrice s degrave s l e deacutebut d u processus d e carbonatatio n soi t entr e l e

deuxiegraveme e t l a dixiegravem e minute Selo n ce s auteurs l a concentratio n d e calciu m augment e

presque lineacuteairemen t agrave laugmentatio n d u temp s d e reacuteaction jusquagrave enviro n 1 0 min Apregrave s

cela l a concentratio n nivegravel e o u diminue L a sursaturatio n a e u lie u parc e qu e l e tau x d e

deacutepocirct d e carbonat e d e calciu m agrave parti r d e l a solutio n eacutetai t beaucou p plu s len t qu e l e tau x

dextraction de s ions calcium agrave partir des deacutechets de ciment (lizuk a et al 2004)

CZ5

3 -a S O

6

5

^ 4

f 3 2

1

0 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee de barbotage d u CO2 (en min) 481

Figure 31 1 Eacutevolutio n d e l a conductivit eacute de s scorie s F P non -preacutelixivieacutees filtreacutees (D ) et no n filtreacutes (bull ) e n fonctio n du temp s d e barbotage a u CO2

Le CO 2 reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates C e reacutesulta t c e confirm e auss i pa r le s figures 31 2 e t 31 3 qu i illustren t

leacutevolution d u potentiel de seacutequestration d u CO2 en fonction d u temps

68

lt3gt bull O

(SX)

C l U agt bull -

S cr

O

8

7

6

5

4

3

2

1

0 D-

1 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee d e barbotag e du CO2 (en min)

481

Figure 31 2 Eacutevolutio n d u pouvoi r d e seacutequestratio n du carbon e de s scories F P non-preacutelixivieacutee s filtreacutees (D) non-filtreacutee s (bull ) e n fonctio n du temps de barbotage au CO2

On remarqu e qu e le s quantiteacute s d e CO 2 adsorbeacutes le s plu s eacuteleveacute s son t attein t apregrave s 8 heure s

soit 7 4 g de CO2100g de scorie s F P mais cest entr e l a deuxiegraveme e t dixiegraveme minut e quo n

observe qu e l a vitess e d e seacutequestrafio n es t plu s eacuteleveacute e (figur e 313) Te l qu e expliqu eacute

preacuteceacutedemment dan s cett e eacutetude c e son t le s matrice s qu i offren t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 A l a diffeacuterenc e de s temp s d e seacutequestratio n d e 2 4 e t 4 8 heures i l

semble que le temps de huit heures est trop court pour que le s solutions filtreacutees reccediloiven t de s

quanfiteacutes suffisante s dion s meacutetallique s pour seacutequestrer l e CO2 agrave des quantiteacutes notables

69

006 bull ] u a M 00 5 -0 - p u E

I 3 E 00 4 bull Tl -v

1 C ^ ^ 9 CL 003 bull

bullJ L L

i 0 iuml 0 0 -XI 0

i Q O i = 0 oo i bull 1 0 1 o i ( A mdash icirc l l

icirc s 0 gt

1 i

^

25 5 10 2 0 6 0

Temps en min

120 48 0

Figure 31 3 L a vitess e dadsorptio n d u CO 2 e n fonctio n d u temp s par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes (n) et non filtreacutes (bull)

Synthegravese

Les capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 ont eacutet eacute eacutetudieacutees pou r hui t reacutesidu s alcalin s soi t le s boue s

rouges humide s e t segraveches le s scorie s FP FOP FAEacute le s CK D ( 2 types ) e t le s cendre s

volantes Le s essai s de carbonatation direct e e t indirecte on t eacutet eacute effectueacutes e n cuveacutee agrave un flux

gazeux d e 1 5 d e CO 2 e t 8 5 d e N 2 pendan t 4 8 heure s e t ont permi s d e tire r le s

conclusions suivantes

Les valeur s d e p H de s scorie s e t de s boue s rouge s e t de s CK D son t tregrave s semblable s soi t

leacutegegraverement au-dessu s d e 7 (preacutelixivieacutees e t non-preacutelixivieacutees) Seulemen t le s cendres volante s

ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7 En ce qui concerne l a conductiviteacute

on peu t firer le s mecircme s conclusion s qu e l a variafio n d u p H agrave lexcepfio n de s CK D qu i

obtiennent de s valeur s d e conductivit eacute quatr e foi s supeacuterieure s qu e le s autre s reacutesidus Cett e

diffeacuterence peu t ecirctr e occasionneacute e pa r un e meilleur e teneu r de s ion s meacutetallique s e n solutio n

dans le cas des CKD

70

Quant au x capaciteacute s de s reacutesidus agrave seacutequestrer l e CO2 trois reacutesidus s e sont deacutemarqueacute s lor s de s

deux seacuterie s d e test s les scorie s HF FP e t le s CKD Lor s le s essai s ce s reacutesidus on t obtenu s

les reacutesultats de seacutequestration d u CO2 suivants

bull Essai s de 24 heures

Scories HF (65 pp) gt scories FP (59 pp) gt CKD St-Lauren t (4 7 pp)

bull Essai s de 48 heures

Scories FP (107 pp) gt scories HF (84 pp) gt CKD St-Lauren t gt (79 pp)

Les tests sur le pouvoir alcalin des scories ont indiqueacute que les scories dacieacuterie possegraveden t un e

capaciteacute de neutralisation plu s eacuteleveacutee que tous les autres reacutesidus De plus les scories HF sont

les plus reacuteactives avec une reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

Enfin le s test s d e l a cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2 par le s scorie s F P ont deacutemontr eacute qu e l a

seacutequestration d u CO 2 s e reacutealis e plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegravere s minute s d e l a

reacuteaction

CHAPITRE 4

DISCUSSION GEacuteNEacuteRAL E

Le preacutesen t chapitr e a pou r objecti f dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s

obtenus dan s l e cadr e d e cett e eacutetude C e chapitr e compar e eacutegalemen t le s reacutesultat s obtenu s

lors de s deu x seacuterie s d e test s (2 4 e t 4 8 heures ) ave c ceu x obtenu s pa r dautre s eacutetude s

semblables De plus limpact enviroimementa l de ce proceacutedeacute sera analyseacute e t preacutesenteacute

41 Inteacutegratio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests

Les essai s reacutealiseacute s on t montr eacute qu e l e potentie l d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s

industriels alcalin s vari e e n fonctio n d e leur s caracteacuteristique s physico-chimique s telle s qu e

la teneu r e n ion s meacutetallique s tel s qu e Ca ^ e t Mg^ l e pH la granulomeacutetri e e t auss i de s

conditions expeacuterimentale s choisies L a tempeacuterature l a pression l e ratio L S e t l a vitesse d e

brassage jouent u n rocircle de premier plan sur les reacutesultats de seacutequestration d u CO2

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lor s des essai s d e 24 et 48 heures

Lobservation de s reacutesultat s d e p H e t d e conducfivit eacute obtenu s lor s de s deu x seacuterie s d e test s

deacutemontre qu e le s diffeacuterence s d e pH son t tregrave s semblable s pou r le s Bl B2 SI S3 et Cl E n

fait le s diffeacuterence s d e p H varien t entr e 0 2 agrave 0 8 uniteacute s (sau f le s CKD) tregrave s pe u s i o n

considegravere qu e l a diffeacuterence d e temps es t des deux foi s supeacuterieure s entr e l a deuxiegraveme seacuteri e de

tests Le s CK D manifestemen t conserven t leu r pouvoi r alcali n presqu e inchangeabl e apregrave s

24 heure s d e carbonatation Seulemen t le s scorie s F P (S2 ) on t subi e baiss e d e p H

significafive d e 2 agrave 25 uniteacutes entre les deux seacuteries dessais

72

Ces reacutesultat s deacutemontren t qu e tous ce s reacutesidus alcalin s ont de s excellente s reacuteserve s alcaline s

et quil s relacircchen t se s ions meacutetalliques tregrave s lentemen t dan s l a solution aqueuse Ce s reacutesultat s

sont semblable s agrave ceu x obtenu s pa r plusieur s chercheur s (Hujge n et al 2006 Bonenfan t

2008 Huntziger 2009)

Dans l e ca s de s boue s rouges le s reacutesultat s obtenu s son t e n accor d ave c ceu x obtenu s pa r

Bonenfant (2006) Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute son t plu s eacuteleveacutee s pou r le s boue s

rouges humide s qu e le s boue s rouge s segraveche s e t peuvent ecirctr e expliqueacutee s pa r un e plus grand e

faciliteacute d e libeacuteratio n de s ion s (cation s e t ion s hydroxyles ) de s boue s rouge s humide s

occasionneacutee pa r leu r dissolutio n preacutealabl e dan s l a soud e caustique comparativemen t au x

boues rouge s segraveche s qu i non t pa s subi t c e traitement Ce s reacutesultat s prouven t qu e l a

lixiviation en geacuteneacuteral joue un rocircle minime su r le pH peu import e le reacutesidu ufiliseacute Toutefois

selon Bonenfant (2008) le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s meacutetallique s

tels que Ca Mg Ap^ Fe Ce sont ces ions et leur s oxydes respectif s qu i assuren t l e pH

et le s conductiviteacutes eacuteleveacute s de s reacutesidus cibleacutes Les grandes quantiteacute s dhydroxyd e d e sodiu m

libeacutereacutees dan s le s lixiviat s de s boues rouge s peuven t eacutegalemen t ecirctr e responsable s de s valeur s

eacuteleveacutees de pH e t de conductiviteacute qu i ont eacuteteacute mesureacutees apregraves 24 et 48 heures de lixiviation E n

effet le s grande s quantiteacute s d e solution s dhydroxyd e d e sodiu m on t de s alcaliniteacute s e t

conductiviteacutes eacutelectriques eacuteleveacutees

Hujgen et al (2006 ) on t deacutemontr eacute qu e le s ion s meacutetalliqu e s e libegraveren t de s matrice s de s l e

deacutebut d u processu s d e carbonatatio n soi t entr e l e deuxiegravem e e t l a dixiegravem e minute L e CO 2

reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates

Les bou s rouge s humide s no n - preacutelixivieacutees filtreacutees e t no n filtreacutees s e deacutemarquen t pa r de s

valeurs de pH e t de conductivit eacute leacutegegraveremen t infeacuterieure s pa r rappor t au x boue s rouges segraveche s

et le s scories E n revanche selo n Bonenfant (2008) l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s

daluminium dan s le s lixiviat s de s boues rouge s e t des scorie s FA Eacute es t suscepfibl e decirctr e e n

partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees de conducfiviteacute d e ces trois solutions

73

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute le s valeurs obtenues lor s des deux seacuterie s de tests son t

tregraves semblables ca r le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t l a libeacuteratio n de s ion s meacutetallique s son t

semblables

Liu et al (2003 ) ont deacutemontr eacute qu e l e p H de s boue s rouge s augment e ave c l e temp s d u

stockage L e Ca^ ^ es t plu s facilemen t eacutechangeabl e dan s de s boue s fraicircche s qu e dan s le s

vieilles boues Ce s demiegravere s son t domineacutee s pa r le s eacutechange s d e Na^ Laluminiu m conten u

dans le s boue s rouge s es t preacutecipit eacute d e l a solutio n sou s form e d e dawsonit e NaAlC03(OH) 2

(Nikraz et al 2007)

Les cendre s volante s mecircm e s i elle s on t de s valeur s initiale s d e p H plu s ba s qu e le s autre s

reacutesidus soi t d e 88 6 agrave 895 deacutemontren t de s capaciteacute s d e carbonatatio n inteacuteressante s s i o n

tient compte d e leur faibl e teneu r de CaO Dailleurs selo n Soon g et al (2006) i l nest pa s

utile davoir u n p H tregraves bas car les carbonates se forment agrave un pH eacutega l ou supeacuterieur agrave 78

De ce fait on peut conclure que

bull i l nest peut-ecirctr e pas utile daugmenter l e temps dadsorption d u CO2 au-delagrave de 24

heures car les valeurs de pH et de conductiviteacutes varient tregraves peu

bull le s reacutesidus alcalins ont des meacutecanismes de carbonatation e t des pouvoirs tampons tregrave s

semblables

il existe un lien direct entre la variation du pH et de la conducfiviteacute

bull c e sont le s ions meacutetalliques tels que Ca ^ Mg Na^ qui deacuteterminent e n grande partie

leacutevolution d u pH et de la conductiviteacute

74

412 Limpac t du pouvoir alcalin e t de la cineacutetique de ladsorption du CO2 sur la seacutequestration d u CO2

Il est inteacuteressan t d e noter que l e pouvoir tampon de s reacutesidus s e manifeste agrave des intervalle s de

pH diffeacuterent s entre 1 0 agrave 8 pou r le s scories 8 agrave 6 pou r le s CK D e t 6 agrave 4 pou r le s boue s

rouges Ces reacutesultats son t en accord avec ceux obtenu s par Bonenfant et al (2008) Huijge n

et Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009) Ce s pouvoir s tampon s important s son t du s

probablement a u fai t qu e le s silicate s ont partiellemen t reacuteag i dan s ce s gamme s d e pH

(Baciocchi et al 2009)

Selon Bonenfant (2006) l a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n

oxydes meacutetalliques plus particuliegraverement de s oxydes meacutetalliques basiques tels que l e CaO et

le Mg O scories F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

Bonenfant et al (2008) Huijgen e t Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009 ) ont eacutetudi eacute le

rapport entr e l e pouvoi r alcali n e t l a lixiviatio n de s meacutetau x pa r ce s reacutesidus Le s test s d e

lixiviation meneacute s pa r Baciocch i e t Bonenfan t ont confirm eacute qu e l a quantit eacute de s ion s Ca^ ^

dans les scories es t plus basse agrave des pH gt 8 en raison de la formation d e calcite

Selon Hujge n et al (2005 ) le s scorie s agrave des pH varian t entr e 5 1 agrave 3 5 libegraveren t le s ion s d e

calcium qu i formen t de s silicate s e t des bicarbonates Quan t au x CKD leu r pouvoi r tampo n

eacuteleveacute empecircch e l a formatio n d e bicarbonates Pou r obteni r l a formatio n d e ce s demiegraveres i l

faut ajoute r davantag e dacide chlorhydriqu e e t augmenter l e temps de reacuteaction au-delagrave de 24

heures

Lorsque l e p H attein t un e valeu r infeacuterieur e agrave pK2 = 10 3 d u systegravem e carbonates Feacutequilibr e

se deacuteplac e dan s l e sen s favorisan t l a consommafion de s ion s bicarbonate s CO3 et l e deacutepocirc t

de l a calcit e (CaCOs ) jusqu agrave latteint e dun e limit e qu i deacutepen d d e l a teneu r d e Ca en

solution Selo n Bonenfant (2008) cette situatio n deacutefini t eacutegalemen t l a capacit eacute dadsorptio n

de CO2

75

Le M g s e mobilis e e n mecircm e temp s qu e l e Ca ^ mais se s composeacute s son t plu s soluble s qu e

ceux d u calcium Le s concentrafions d e Ca^ sont en moyenne 1 0 fois plu s eacuteleveacutees qu e cell e

du M g apregrave s 6 heure s d e lixiviatio n e t cett e libeacuteratio n d e cation s (C a ^ et M g ) s e fai t e n

parallegravele ave c laugmentatio n d u p H e t d e l a conductivit eacute d e l a solutio n (Bonenfan t et al

2006)

Les reacutesultat s de s deux seacuterie s de tests (24 et 48 heures) su r le s capaciteacutes dadsorptio n d u CO2

par ce s reacutesidu s ont deacutemontreacute s qui l es t possibl e d e seacutequestre r l e CO 2 agrave parti r d e reacutesidu s e t

sous-produits industriel s alcalin s (voi r tableau 41) Les matrices d e ces mateacuteriaux sembleacute s agrave

posseacuteder un e grand e capacit eacute d e libeacuteratio n de s cation s e t de s ion s hydroxyle s capable s d e

reacuteagir avec l e CO2 Le s cendres volantes on t enregistreacute le s plus faibles reacutesultat s dadsorptio n

du CO 2 (15 pp) e t ce agrave cause des faible s teneur s e n calcium e t magneacutesium ( lt de 1 0 )

Pourtant le s capaciteacutes theacuteoriques dun e tonn e de cendres volante s contenan t 4 1 de chaux

peuvent seacutequestre r 32 2 k g d e C02tonn e d e cendre s volante s (Montes-Hemande z et al

2009) Quan t au x CKD leur s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestratio n d u CO 2 dan s de s

conditions dexpeacuterimentatio n ambiante s son t d e lordr e d e 11 5 kgtonn e d e reacutesid u

(Huntzinger et al 2009)

Lors l a carbonatation de s CK D e t des cendres volante s lettringit e es t transform eacute e n calcite

en quart z e t e n gypse Aucu n reacutesid u nattein t le s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestrafio n d u

CO2 mecircm e apregrave s 4 8 heure s d e carbonatation Ce s reacutesultat s sexpliquen t pa r l a formatio n

dune couch e d e carbonate su r le s particules qu i colmat e le s pores e t de ce fait l a libeacuterafio n

des ion s meacutetallique s d e C a e t M g dan s l a solufio n es t compromis e (Bonenfan t et al 2008

Hujgen et al 2006)

76

Tableau 41 Reacuteserves alcalines et potentiel de seacutequestration des reacutesidus alcalins

Type de reacutesid u

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FA E

(SI) Scories FP

(S2) Scories HF

(S3) CKD (Cl) CKD (C2)

Cendres volantes

(F)

Seacutequestration d e CO2 en 24 heure s (gdeCO2100gde

reacutesidu alcalin ) 35

36

47

59

65

47

-

Seacutequestration d e CO2 en 48 heures (g de CO2100g de

reacutesidu alcalin ) 34

31

36

107

84

79

6

L5

Reacuteserve alcalin e (mole de HClkg de

reacutesidu)

038

04

31

39

43

14

16

012

Selon lizuka (2004 ) mecircm e s i le s calcul s thermodynamique s indiquen t qui l es t

theacuteoriquement possibl e d e convertir plu s de 67 du calcium conten u dan s le s deacutechets de

ciment en carbonate de calcium le taux de conversion pratique est largement deacutetermineacute e par

les facteur s cineacutetique s d e l a reacuteactio n e t l e degreacute d e l a carbonatatio n es t limit eacute agrave quelque s

millimegravetres deacutepaisseur sur la surface des particules

La formation de s silicate s es t un autr e facteu r qu i baiss e l a libeacuteration de s ion s meacutetallique s

dans la solution aqueuse Ces reacutesultats indiquent que les chutes de pH et de conductiviteacute sont

plus eacuteleveacutees dans la solution de scories FP en solution que celles observeacutee dan s la solution

des scories FAEacute des boues rouges humides et segraveches des CKD et des cendres volantes

77

Toutes le s autre s eacutetude s d e seacutequestratio n d u CO 2 ont utilis eacute soi t de s tempeacuterature s e t de s

pressions eacuteleveacutees soit des granulomeacutetries beaucoup plus petites soit tous ces facteurs reacuteuni s

ensemble (voir tableau 42)

Tableau 42 Reacutesumeacute des reacutesultats seacutequestration du CO2 obtenus par dautres eacutetudes

Type de reacutesidus

Boues rouges

Scories

CKD

Cendres volantes

3 ^ ^

Tem

peacutera

(e

ndegC

22

100

70 200

22

22

25

Conditions opeacuteratoire s

S ^ 0 u

A

19

30 3

A

A

30

^

Rat

io L

S (

10

2

05 04

10

12

10

C G

ranu

lom

(e

n pr

r

I

lt38

lt10 lt

01 38-160

I

I

0 _ T3 4 J V -

Vite

sse

bras

ag

ten

ron

300

1000

--

300

-

-

c

Tem

ps (

heur

es

24

05

2 2

24

816

18

CaO e n

de masse

55

317

48

41

Potentiel d e seacutequestr

theacuteorique du C02en kgkg 006^

025

016

003

Reacutesultat de

seacutequestr du C02e n

kgkg

0043

75 du total de Ca

002 013^

025

012^

003

1) Hujgen et al (2005) 2) Eloneva et al (2008) 3) Baciochi el al (2009) 4) Bonenfant et al (2008) 5) Khaitan (2003) 6) Huntzinger (2009) 7) Montez-Hemandez (2009) A=atmospherique I=industrielle

Les reacutesultats obtenus par ces eacutetudes deacutemontrent que dans les cas des scories dacieacuteries e t des

poussiegraveres d e fou r de s cimenteries loxyd e d e calciu m es t loxyd e meacutetalliqu e qu i leu r

confegravere leu r potentiel de seacutequestration du CO2

Dans le cas des boues rouges agrave part le calcium qui joue un rocircle significafif dan s le potentiel

de seacutequestration d u CO2 le sodium qui est libeacutereacute en quantiteacute preacutedominante peut eacutegalement

jouer un rocircle dans la seacutequestration du CO2 (Bonenfant et al 2006)

78

Il es t importan t d e note r qu e seule s le s scorie s F P on t doubl eacute leu r capacit eacute dadsorptio n d u

CO2 lors des essais de 48 heures par rapport aux essais de 24 heures

Selon l a litteacuterature l a taille de s particule s d e scorie s exerc e leffe t l e plu s significati f su r l a

reacuteaction plu s l a taill e de s particule s es t petite plu s l a reacuteactio n ave c l e CO 2 es t eacuteleveacutee L a

tempeacuterature e t l a ration L S eacuteleveacutee s jouent eacutegalemen t u n rocircle importan t su r l a dissolution d e

silicates (Baciocchi et al 2009)

En conclusion i l exist e u n lie n direc t entr e l e pouvoir alcali n e t la capaciteacute d e seacutequestratio n

du CO 2 pa r le s reacutesidu s alcalins Plu s l e pouvoi r alcali n es t eacuteleveacute plu s l a capacit eacute d e

seacutequestration d u CO2 par ces reacutesidus est eacuteleveacutee

42 Limpac t environnementa l d e la seacutequestration du CO2

Les reacutesidu s alcalin s eacutetudieacute s s e caracteacuterisen t pa r de s p H tregrave s eacuteleveacute s gracircc e agrave leur s teneur s

eacuteleveacutes dion s meacutetalliques Aucu n d e ce s reacutesidus n e deacutepassai t le s norme s environnementale s

traitant le s meacutetaux lourd s tels que le chrome le molybdegravene le mercure l e plomb etc

Bonenfant et al (2006) Huijge n et al (2005 ) e t Huntzinge r et al (2009 ) ont deacutemontr eacute

quaucun eacuteleacutemen t dangereu x n e se libegravere lor s de la lixivitaion de s reacutesidus alcalins carbonate s

tels que le s scories le s boues rouge s e t le s poussiegraveres d e four s d e cimenteries Le s eacuteleacutement s

les plu s lixivieacute s son t l e calcium e t l e sodium preacutesent s dan s le s lixiviat s de s boue s rouge s e t

des scories Laluminiu m es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quantiteacute s dan s ce s solufion s

(Bonenfant ea 2006)

En c e qu i concem e l e tau x d e libeacuterafio n de s eacuteleacutement s reacuteactif s de s scorie s FA Eacute d e

granulomeacutetrie 06 3 - 12 5 mm l a concentration d e Ca est e n moyenn e 1 0 fois plu s eacuteleveacute e

que cell e d u Mg ^ et attein t u n maximu m apregrave s 6 h d e lixiviatio n (Bonenfan t et al 2006)

Les autres meacutetaux eacutetudieacutes ne sont preacutesents quen petite s quantiteacutes agrave leacutetat d e trace ou absents

des lixiviats (Proctor et al 2000)

79

Quant au x cendre s volantes aucun e libeacuteratio n d e substance s toxique s meacutetallique s n a eacutet eacute

observeacutee apregraves 1 8 heures de lixiviafion selo n Montes-Hemandez et al (2009) La lixiviatio n

Cr nest pa s influenceacutee pa r le processus de la carbonatation san s doute agrave cause de la faibl e

solubiliteacute de Cr ^ (Baciocchi et al 2009) Agrave ce stade de leacutetude la carbonatation de s reacutesidus

alcalins n e repreacutesenterai t pa s d e dange r su r l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Quan t au x autre s

composeacutes dangereu x eacutemi s dans latmosphegraver e tel s que l e SO2 lesNOx le s fluomres (gazeus e

et particulaire) les dioxines etc i l nexiste pas de donneacutees significatives su r la question

43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins perspective s de lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e

Les reacutesultat s expeacuterimentau x d e l a seacutequestration mineacuteral e d u CO 2 indiquent qui l es t possibl e

dabaisser le s eacutemission s d e c e ga z pa r le s troi s industrie s concemeacutees Toutefois i l fau t

analyser ce s reacutesultat s dan s un e perspectiv e d e deacuteveloppemen t durabl e afi n d e mieu x

comprendre limpac t d e cett e technologi e su r lenvironnement leacuteconomie le s insfitution s

politiques et la socieacuteteacute

Le tablea u 4 3 es t l a suit e d u tablea u d e l a pag e deu x d u preacutesen t travai l e t i l illustr e le s

eacutemissions d u CO 2 par le s troi s industries le s rendements d e l a seacutequestratio n mineacuteral e e t le s

calculs de s reacuteductions de s eacutemission s d u CO2 si cette technologie serai t appliqueacute e agrave leacutechell e

industrielle Dan s l e tablea u 43 le s reacuteduction s calculeacutee s de s eacutemission s d u CO 2 pa r l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s alcalin s de s troi s industrie s son t asse z modeste s s i o n

considegravere qu e le s eacutemission s d e c e ga z eacutemise s pa r le s activiteacute s humaine s seacutelegraveven t agrave 3 8 G t

(GIEC 2007) Toutefois s i o n considegraver e qu e le s troi s industrie s eacutemetten t 1 6 de s

eacutemissions totale s de s acfiviteacute s industrielles le s reacuteduction s de s eacutemission s d u CO 2 proposeacute s

par cette technologie semblen t non-neacutegligeables

80

Tableau 43 Reacutesumeacute des eacutemissions par les trois industries et les baisses respectives de leurs eacutemissions suit e agrave la seacutequestration d u CO2 par leurs reacutesidus alcalin s

Type dindustrie

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Emissions duC02 (en Gt)

015

17

18

Quantiteacutes d e reacutesidus

alcalins (en Mt)

90

350-420

480

Pouvoir de seacutequestration mineacuteral e des reacutesidus industriel s alcalins ( t de C02t de

reacutesidu)

0032

0073

0016

Reacuteduction de s eacutemissions d e

CO2 (en Gt)

00003

0026-003

008

Limplantation d e cett e technologi e agrave leacutechell e industriell e demand e un e eacutetud e eacuteconomiqu e

approfondie Pou r c e faire i l fau t tou t dabor d deacutetermine r le s paramegravetres optimum s d e cett e

technologie tel s que l a dureacutee d e l a seacutequestration l a pression e t la granulomeacutetri e agrave utiliser I l

faut entr e autres teni r compt e d e lintervall e d e production de s quantiteacutes d u typ e d e

transport (contin u o u discontinu ) e t d u temp s d e seacutejou r dan s le s usine s de s reacutesidu s alcalin s

produits pa r le s troi s industries L e choi x d e ce s paramegravetre s influencer a directemen t l e

rendement d e l a seacutequestratio n d u CO 2 Or d e no s jours limplantatio n dun e nouvell e

technologie n e deacutepen d pa s seulemen t d e so n efficacit eacute eacuteconomique Plusieur s dautre s

aspects rentren t e n lign e d e compte E n fait i l fau t utilise r un e approch e systeacutemiqu e (4R -

VD Reacuteduire Reacuteutiliser Reacuteparer Reacutecupeacuterer Valoriser Disposer ) s i o n veu t teni r compt e

de toute s le s interacfion s e t le s impact s quun e tell e deacutecisio n peu t engendrer L a figur e 4 1

illustre le s interaction s entr e le s quatr e pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e pa r rappor t au x

reacuteductions des eacutemissions du CO2 par les trois industries eacutetudieacutees

La figure 4 1 montr e qu e l e deacuteveloppemen t durabl e e n geacuteneacutera l deacutepen d d e l a quantit eacute e t su r

tout d e l a qualit eacute de s interaction s entr e le s quatr e piliers D e c e fait limplantatio n d e l a

technologie d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 n e deacutepen d pa s qu e d e lefficacit eacute

eacuteconomique mais aussi des lois eacutemises par les institutions politiques

81

^ ^ ^ ^ a ^ J S S Eacute agrave ^ ^ ^

SOCIEacuteT Eacute ^ bull participation agrave la W

pris e des deacutecisions

X^^jpraquo^

ENVIRO gt

^ EacuteCONOMI E bull croissance bull efficacit eacute bull stabiliteacute bull valorisation

DEacuteVELOPPEMENT DURABLE

JNEMENT bull biodiversiteacute

bull ressources naturelles bull pollution

J INSTn rUTIONS bull lois bull regraveglements

bull infiastructure

p

1 II

Figure 41 Deacuteveloppement durable et seacutequestration du CO2

Dune maniegraver e plus simple on peut dire que les institutions politiques on t le pouvoir e t la responsabihteacute dexiger par les entreprises de limiter leurs eacutemissions du CO2 voir agrave supprimer ces demiegraveres agrave la source Mecircme si le processus de la seacutequestration mineacuteral e du CO2 est un pheacutenomegravene nature l exothermique i l faudrai t ufilise r dautre s source s deacutenergi e afi n d e lacceacuteleacuterer et par voie de conseacutequence augmenter le rendement de la seacutequesfi-ation du CO2 I l est preacutefeacuterable de remplacer les combustibles fossiles par des eacutenergies moins polluantes telles que leacutenergie nucleacuteaire et leacutenergie eacutelecfrique etou solaire

La socieacuteteacute peut jouer son rocircle de piher en demandant aux pouvoh-s politiques deacutemettre des lois qui exigent aux entreprises de respecter lenvironnement e t dameacuteliorer l a qualiteacute de vie de la socieacuteteacute Dans le mecircme ordre dideacutees l a socieacuteteacute peut exercer un e pression important e sur les entreprises en utilisant leur pouvoir dachat comme moyen de pression

82

Les reacutesultat s obtenu s lor s d e cett e eacutetud e ont deacutemontr eacute qu e limpac t su r lenvironnemen t es t

positif su r tou t a u nivea u d e l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Dautre s eacutetude s son t neacutecessaire s

pour eacutetudie r leffe t de s autre s composant s gazeu x su r lenvironnemen t e t l a sant eacute humaine

Le fai t dutilise r le s reacutesidus e t les sous-produit s industriel s alcalin s afi n d e seacutequestre r l e CO2

et l a revalorisation d e ces derniers dans plusieurs nouveaux domaine s pourrai t provoque r de s

changements neacutegatif s a u nivau x d e leacuteconomi e (changemen t d e prix augmentatio n d e l a

concurrence entr e le s entreprises ) e t d e l a socieacutet eacute (changemen t d e l a qualit eacute d e vie) D e c e

fait i l import e qu e tou s le s acteur s repreacutesentan t le s quatre pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e

travaillent e n eacutetroit e collaboratio n pou r qu e cett e technologi e soi t viabl e e t e n tota l respec t

avec lenvironnement

CONCLUSIONS

La preacutesente eacutetude avai t pour objecti f d e deacuteterminer le s reacutesidus et le s sous-produits industriel s

alcalins offrant le s meilleurs potenfiels d e seacutequestration d u CO2

Pour c e faire troi s type s d e scories (HF FP FAEacute) de s acieacuteries deux type s d e boues rouge s

(humides e t segraveches ) de s aluminerie s e t deu x type s d e reacutesidu s de s cimenterie s (CK D e t

cendres volantes ) ont eacutet eacute testeacute s e n cuveacutee Afi n d e mieu x eacutevalue r leur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 des seacuterie s d e test s d e 2 4 e t 4 8 heure s on t eacutet eacute reacutealiseacutes Le s condition s

opeacuteratoires eacutetaien t le s suivantes tempeacuterature = 20-22degC pression atmospheacuterique ratio SL =

10 kgkg vitesse de brassage = 200 rpm granulomeacutetrie industrielle eau deacutemineacuteraliseacutee

Les reacutesultat s obtenu s lor s le s essai s d e 2 4 heures on t deacutemontr eacute qu e troi s reacutesidu s alcalin s s e

sont deacutemarqueacutes pa r leurs hauts potentiels de seacutequestration d u CO2

bull le s scories HF 65 kg de C02t de scories

bull le s scories FP 59 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours de cimenteries (CKD) 47 kg de C02t de CKD

En revanche le s reacutesultat s obtenu s lor s le s essais d e 48 heure s ont deacutemontr eacute qu e le s mecircme s

reacutesidus alcalin s permettaien t dobtiermen t d e meilleur s reacutesultat s d e seacutequestratio n d u CO2

mais cette fois ci ce sont le s scories FP qui se trouvent en tecircte

bull le s scories FP 107 kg de C02t de scories

bull le s scories HF 84 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours d e cimenteries (CKD) 79 kg de C02t de CKD

84

Ces reacutesultat s sexpliquen t pa r de s teneur s plu s eacuteleveacutee s doxyde s meacutetallique s tel s qu e le s

CaO MgO AI2O3 Cr203 Ti02 FeO Mn O Si02 dan s ce s troi s reacutesidu s pa r rappor t au x

autres reacutesidu s testeacutes Ce s oxyde s e t leur s hydroxyde s respecfif s reacuteagissen t ave c l e CO 2

dissout dan s lea u e t formen t de s bicarbonate s thermodynamiquemen t stables

Theacuteoriquement l a teneu r eacuteleveacute e e n ion s meacutetallique s s e tradui t pa r u n potentie l d e

seacutequestration d e CO 2 eacuteleveacute Toutefois l a diffeacuterenc e d e reacutesultat s d e seacutequestratio n entr e le s

scories lor s de s deu x essai s a deacutemontreacute qu e mecircm e s i le s meacutecanisme s d e carbonatatio n son t

semblables pour tous le s types de reacutesidus alcalins l a nature e t l a mod e de fabricatio n d e ces

derniers influencen t sensiblemen t leur s potentiel s d e seacutequestration C e consta t es t valabl e

aussi bie n pou r le s reacutesidu s preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes Dailleurs le s test s su r l a

carbonatation de s reacutesidu s filtreacutes (preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes ) on t indiqu eacute qu e le s reacutesidu s

alcalins libegraveren t facilemen t leur s ion s meacutetallique s dan s l a solufio n aqueus e e t qu e le s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 de ce s derniegravere s son t inteacuteressantes Toutefois c e son t le s

reacutesidus non-preacutelixivieacute s e t non-filtreacute s qu i on t enregistreacute s le s meilleur s reacutesultat s d e

seacutequestration

Les autres objectif s d e ce travai l consistaien t agrave eacutetudier leacutevolutio n d e pH de l a conductiviteacute

et du pouvoir alcalin de s reacutesidus testeacutes

Premiegraverement le s valeurs de pH des scories des boues rouges e t des CKD obtenues apregraves l a

carbonatation son t tregrave s semblable s soi t leacutegegraveremen t au-dessu s d e 7 Seulemen t le s cendre s

volantes ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7

Deuxiegravemement le s test s su r l e pouvoi r alcali n de s scorie s ont indiqu eacute qu e le s scorie s

dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute d e neutralisation plu s eacuteleveacutee qu e tous le s autres reacutesidus D e

plus le s scories H F son t le s plus reacuteactives avec une reacuteserve alcalin e de 43 moles de HClk g

de scories L a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n oxyde s

meacutetalliques plu s particuliegraveremen t de s oxyde s meacutetallique s basique s tel s qu e l e Ca O e t l e

MgO scorie s F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

85

Troisiegravemement le s tests de la cineacutetique dadsorption d u CO2 par le s scories FP ont deacutemontr eacute

que l a seacutequestratio n d u CO 2 se reacutealise plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegraveres minute s d e la

reacuteacfion C e reacutesulta t sexpliqu e pa r l e fai t qu e l a formation dun e couch e d e carbonate su r l a

surface de s particule s de s reacutesidu s empecircch e l a libeacuteratio n dan s l a solufio n aqueus e de s ion s

meacutetalliques ayan t pou r conseacutequence l a baisse du taux de carbonatation

Enfin laugmentatio n pa r deux d e la dureacutee de carbonatation (d e 24 agrave 48 heures) ne se tradui t

pas par des doublement s de s potentiels d e seacutequestrafion d u CO 2 par le s reacutesidus alcalin s pou r

les raisons mentionneacutes ci-dessus

Perspectives

Cette eacutetud e sinscri t dan s loptiqu e d e deacuteveloppe r u n proceacuted eacute simpl e e t eacuteconomiqu e d e

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s industriel s alcalins D e c e fait

plusieurs perspective s son t identifieacutee s suite au x reacutesultat s obtenu s pa r cett e eacutetude E n voic i

quelques unes

bull eacutelargi r leacutetud e su r la seacutequestrafion d u CO2 avec dautres reacutesidu s industriel s tels les boues

de deacutesencrage de s papeteries le s reacutesidus d e constmctions e t d e deacutemolitions le s deacutechet s

municipaux le s deacutechet s d e lindustri e de s plastiques le s deacutechet s de s hocircpitau x etc

Plusieurs eacutetude s indiquen t qu e ces reacutesidus son t riche s e n oxyde s meacutetallique s e t peuven t

ecirctre utiliseacutes eacuteventuellement agrave la seacutequestration du CO2

bull puisqu e le s source s dea u douce s son t e n diminutio n constant e a u nivea u planeacutetaire i l

serait inteacuteressan t agrave envisage r l a reacutealisatio n d e cett e mecircm e eacutetud e ave c d e lea u d e mer

Cette perspectiv e pren d un e importanc e particuliegraver e s i o n considegraver e qu e plusieur s pay s

de Moye n Orient o ugrave son t deacutej agrave installeacutee s plusieur s aluminerie s e t cimenteries ont tregrave s

peu de sources deau douce

86

bull reacutealise r de s essai s pilotes e n colonnes afi n d e veacuterifie r l e transfer t d e ce s reacutesultat s dan s

des conditions expeacuterimentales semblables agrave celles industrielles

bull effectue r un e eacutetude eacuteconomique afin de savoir si ce proceacutedeacute est eacuteconomiquement viable

bull effectue r un e eacutetud e d e cycl e d e vi e afi n d e deacuteterminer entr e autres limpac t

environnemental de ce proceacutedeacute

ANNEXES

ANNEXE I

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LALUMINIUM

Bauxite ^

CaO bull

NaOH bull

bull

Raw Material s

1 Digestion

Liquor Heatin g

Liquor Surge

T Evaporation

Removal

1

Steam

Liquor Flashing

Heating

N Impunties

lt

Fuel ^

Steam

Sand Seacuteparation

1 Fuial residue

Cooling

i

Preacutecipitation

seedT ^ Classification

1 Washing

1 Calcination

^

-^^^

SandResidue Wa-shing

JL Solids Liquo r

Solids Disposa i

^ Wate r

^ Alumin a

Figure All Proceacuted eacute Bayer Tireacute de Hind ea (1999)

ANNEXE II

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LACIER

AnninmeacuteratJon

J ^=2=vBB Minefo i d e fe r Chofbon

Haut-Fourneau

o Eacutebauche de formes solide s (demi-produi t ) pa r moulag e de lacie r liquide

Acier liquide mi s

^lanuoncey statio n datfinage

Machine de couleacutee

continue

e Transformation de s eacutebauches e n produits finis par laminage

okerie

Eacutelaboration d e lacie r liquide agrave part ir d e minerai de fer

AciefS plats

Train de laminage

agrave chau d

obinojx

Produit fin i

Figure A21 Proceacutedeacute de fabrication de lacier Tireacute de Arcelor Meacutediterraneacutee

tli(ipwwwarcelormediteiTanee coindecouvertefabricationschemahtm)

TABLE DES MATIEgraveRE S

Page

INTRODUCTION 1

CHAPITRE 1 REVU E D E LA LITTEacuteRATURE 7 11 Probleacutematiqu e d u CO2 7

111 L a chimie du CO2 8 112 Cycl e du carbone 9

12 Technologie s de capture et de seacutequestrafion d u CO2 1 3 121 Technologie s de capture du CO2 1 3 122 Technologie s de seacutequestration d u CO2 1 4

13 Seacutequestratio n d u C02par de s mateacuteriaux alcalin s 2 0 131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriau x alcalin s les fondements 2 0 132 Effe t de s variables sur la carbonatation 3 1 133 Cineacutetiqu e dadsorption d u CO2 3 3 134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s 3 8

CHAPITRE 2 MATEacuteRIE L E T MEacuteTHODES 4 1 21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacutes 4 1

211 Boue s rouges des aluminerie s 4 1 212 Scorie s des acieacuteries 4 3 213 Poussiegravere s de four de s cimenteries 4 6 214 Cendre s volantes 4 6

22 Meacutethode s expeacuterimentales 4 7 221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacutes 4 7 222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductiviteacute 4 7 223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin 4 8 224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestratio n

du CO2 en cuveacutee 4 9 225 Meacutethode s analytiques 5 1

CHAPITRE 3 REacuteSULTAT S E T DISCUSSIONS 5 2 31 Eacutevolufio n d u pH et de la conductiviteacute 5 2

311 Essai s de 48 heures 5 2 312 Essai s de 24 heures 5 9

32 Deacuteterminafio n d u pouvoir alcalin 6 0 33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorpfion e t de seacutequestratio n

du CO2 en solution aqueuse 6 1 331 Essai s de 48 heures 6 1 332 Essai s de 24 heures 6 3

34 Cineacutefiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP 6 5

VII

CHAPITRE 4 DISCUSSIO N GEacuteNEacuteRAL E 7 1 41 Inteacutegrafio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests 7 1

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lors des essais de 24 et 48 heures 7 1

412 Impac t du pouvoir alcalin et de la cineacutefique d e ladsorpfio n du CO2 sur la seacutequestration d u CO2 7 3

42 Impac t environnemental d e la seacutequestrafion d u CO2 7 8 43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins

perspectives d e lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e 7 9

CONCLUSIONS 8 3

ANNEXE I SCHEacuteM A D E FABRICATION D E LALUMINIUM 8 8

ANNEXE I I SCHEacuteM A D E FABRICATION D E LACIER 8 9

ANNEXE II I SCHEacuteM A D E FABRICATION D U CIMENT 9 0

ANNEXE I V REacuteSULTAT S COMPLET S DE S ESSAIS DE 48 HEURES EN CUVEacuteE 9 1

ANNEXE V REacuteSULTAT S COMPLET S DE S ESSAIS DE

24 HEURES EN CUVEacuteE 9 7

ANNEXE V I REacuteSULTAT S DE S TITRAGES DE S REacuteSIDUS ALCALINS 10 2

ANNEXE VII RESULTAT S D E LEacuteTUDE D E LA CINEacuteTIQU E DE LADSORPTION D U CO2 EN SOLUTION PA R

SCORIES FP NON-PREacuteLIXIVIEacuteES 10 6

ANNEXE Vll l MONTAG E DE S ESSAIS EN CUVEacuteE 10 7

LISTE DE REacuteFEacuteRENCES BIBLIOGRAPHIQUE S 10 8

LISTE DES TABLEAU X

Page

Tableau 1 1 Proprieacuteteacute s physico-chimiques d u CO2 9

Tableau 1 2 Teneu r en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins 2 2

Tableau 1 3 Compositio n chimique moyenne des boues rouges 2 5

Tableau 1 4 Composifio n chimiqu e moyenne des scories 2 6

Tableau 1 5 Composifio n chimiqu e moyenne des CKD 2 7

Tableau 1 6 Compositio n chimique des cendres volantes 2 8

Tableau 21 Compositio n chimiqu e moyenne des boues rouges humides et segraveches 4 2

Tableau 2 2 Paramegravetre s dexpeacuterimentation 4 8

Tableau 23 Meacutethode s analytiques appliqueacutees 5 1

Tableau 3 1 Valeur s des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacutes 5 3

Tableau 3 2 Le s valeurs des conducfiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacutes 5 5

Tableau 33 Reacuteserve s alcalines des huit reacutesidus 5 9

Tableau 41 Reacuteserve s alcalines et potentiel d e seacutequestratio n des reacutesidus alcalins 7 6

Tableau 42 Reacutesum eacute des reacutesultats seacutequestration d u CO2 obtenus par dautres eacutetude s 7 7

Tableau 43 Reacutesum eacute des eacutemissions par les trois industries e t les baisses respectives de leurs eacutemissions suite agrave la seacutequestration du CO2 par leurs reacutesidus alcalins 7 9

LISTE DES FIGURE S

Page

Figure 1 1 Reacutepartitio n pa r activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004 7

Figure 1 2 Cycl e du carbone organique 1 2

Figure 1 3 Cycl e du carbone inorganique 1 2

Figure 1 4 Seacutequestratio n d u CO2 par carbonatafion mineacuteral e 2 3

Figure 21 Photo s des boues rouges humides et segraveches 4 2

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP 4 3

Figure 23 Phot o des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD) 4 5

Figure 24 Phot o des cendres volantes 4 6

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee 5 0

Figure 3 1 Eacutevolufio n d u pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) etnon-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 48 heures 5 4

Figure 32 Eacutevolufio n d e la conducfiviteacute de s huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 6

Figure 33 Eacutevolutio n du pH des six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) et non-preacutelixivieacute s (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 7

Figure 34 Eacutevolutio n de la conducfiviteacute de s six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 8

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FAE FP et HF en fonction d u volume dacide ajout eacute 5 9

X

Figure 3 6 Courbe s de titrage des CKD Cl e t C2 en foncfio n du volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 3 7 Courbe s de titrage des boues rouges segraveches et humides en foncfion d u volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 38 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 8 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (A) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 48 heures 6 2

Figure 39 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 6 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (C) et preacutelixivieacutes (D) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 24 heures 6 4

Figure 310 Eacutevolufio n d u pH des scories FP filtreacutees e t non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 6

Figure 311 Eacutevolutio n de la conductiviteacute des scories FP filtreacutees et non filtreacutes en fonction d u temps de barbotag e au CO2 6 7

Figure 312 Eacutevolutio n du pouvoir de seacutequestration d u carbone de scories FP filtreacutees et non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 8

Figure 313 Vitess e dadsorption d u CO2 en foncfion d u temps par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes et non filtreacutes 6 9

Figure 41 Deacuteveloppemen t durabl e et la seacutequestration d u CO2 8 1

LISTE DE S ABREacuteVIATIONS SIGLES ET ACRONYME S

AIE

AMPERE

CKD

EacuteTS

FAEacute

FHWA

FP

Agence internationale d e leacutenergi e

Commission pou r lAnalyse de s Modi Redeacuteploiement de s Eacutenergies

Cernent kiln dus t

Ecole de technologie supeacuterieur e

Four agrave arc eacutelectriqu e

The Feacutedeacuteral Highway Administratio n

Four Poch e

GES Ga z agrave effet d e serre

GIEC Group e dexpert s intergouvemementau x su r leacutevolution d u climat

HF Hau t fournea u

ICP-AES Inductivel y Couple d Plasma-Atomi c Emissio n Spectrometr y

MEA Mon o eacutethylamin e

PSA Pressur e Swin g Adsorptio n

STEPPE Statio n Expeacuterimental e des Proceacutedeacutes Pilotes en Environnemen t

TSA Therma l Swin g Adsorptio n

LISTE DES SYMBOLES ET UNITEacuteS DE MESURES

m

kg Mt

Gt

t

degC

Pa

atm

S

min

ppm

gmol

L

Ka

Ma

kJ

pH

rpm

trmin

IN

megravetre

kilogramme

Million de tonnes

Milliard d e tonnes

tonne

degreacute Celsiu s

pascal

atmosphegravere

Siemens

minute

parties par million par volume

grammes par mol

Litre

milliers danneacutees

millions danneacutees

kilo joules

potentiel hydrogegraven e

rotations par minute

tours par minute

1 X Normale

INTRODUCTION

Probleacutematique impact de s activiteacutes industrielle s

Lactiviteacute industriell e mondial e augment e san s cess e anneacute e apregrave s anneacutee L e bie n ecirctr e de s

millions d e personne s partou t dan s l e mond e e n deacutepend Toutefois lindustri e n a pa s creacute eacute

seulement d e l a richesse ell e a engendr eacute auss i plusieur s problegraveme s environnementaux U n

des problegraveme s environnementau x es t leacutemissio n de s ga z agrave effe t d e serr e (GES) I l exist e

plusieurs GES L e dioxyd e d e carbon e (CO2) l e meacutethan e (CH4) l e protoxyd e dazot e o u

loxyde nitreu x (N2O) lozon e (O3) le s chlorofluorocarbone s (CFC) le s hydrocarbure s

halogegravenes (HFC PFC) lhexafluomr e d e soufr e (SFOcirc ) son t le s principau x GE S (GIEC

2007)

Ces gaz don t l e dioxyd e d e carbon e (CO2) jouent u n rocircl e majeu r dan s l a reacutegulatio n d e l a

tempeacuterature terrestre ca r il s laissen t passe r le s radiafion s solaires mai s absorben t certaine s

radiations infrarouge s (chaleur ) eacutemise s pa r l a surfac e chaud e d e l a Terr e c e qu i fa h

augmenter l a tempeacuteratur e d e latmosphegravere L e dioxyd e d e carbone avec un e dureacute e d e vi e

exceacutedant 12 0 an s e t un e contributio n pou r enviro n 5 5 d u reacutechauffemen t planeacutetaire s e

trouve e n tecirct e de s ga z agrave effe t d e serr e (Coolin g et al 2006) Entr e 197 0 e t 2004 le s rejet s

annuels d e CO2 l e principa l ga z agrave effe t d e serr e anthropique son t passeacute s d e 2 1 agrave 3 8

gigatonnes (Gt) soi t un e augmentatio n denviro n 8 0 Ce s rejet s repreacutesentaien t 7 7 de s

eacutemissions totale s d e GE S anthropique s e n 200 4 (GIEC 2007) L e Group e dexpert s

intergouvemementaux su r leacutevolution d u climat (GIEC 2007) estime que l a teneur moyenn e

en CO 2 dan s latmosphegraver e a augment eacute plu s d e 30 depui s l e deacutebu t d e legraver e industrielle

passant d e 28 0 ppm v agrave 37 9 ppmv D e plus lAgenc e intemational e d e leacutenergi e (AIE )

constate qu e le s eacutemission s d e dioxyd e d e carbon e lieacutee s au x activiteacute s humaine s devraien t

atteindre 4 3 G t pa r a n dic i 2030 soi t un e augmentatio n d e 6 0 (Gielen 2008) Ce s

augmentations pourraien t provoque r l a hausse de l a tempeacuterature d e l a surface d e la Terre e n

moyenne entr e 14deg C a u minimu m e t 4deg C a u maximu m su r l a peacuteriod e d e 199 0 agrave 210 0

(GEIC 2007)

Selon Environnemen t Canad a (2007) ce s augmentation s d e tempeacuterature s peuven t ecirctr e agrave

lorigine de s fonte s de s glaces d e laugmentatio n de s catastrophe s naturelle s e t d e l a

disparition d e plusieurs espegraveces animales et veacutegeacutetales

Contexte eacuteconomico-politiqu e

Les activiteacute s de s alumineries de s acieacuterie s e t de s cimenterie s produisen t chaqu e anneacute e de s

millions d e tonne s d e reacutesidu s alcalin s e t eacutemetten t dan s latmosphegraver e de s quantiteacute s

consideacuterables d e CO 2 L e tablea u ci-dessou s lillustr e le s eacutemission s d u CO 2 par le s troi s

industries

Type dindustri e

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Eacutemissions du CO2 (en Gt)

015

L7

18

Quantiteacutes de reacutesidus alcalins (en Mt)

90

350-420

480 (30 MT de CKD + 450MT de cendres

volantes de tout genre )

Sources

Institut Intemafional d e

laluminium (2008) Kumar eacutetal (2006 )

Miclos (2000) Gielen (2008)

Eloneva (2008) Konsta-Gdoutos et Shah (2003) Kumar et al

(2005)

Illustration de s eacutemissions d e CO2 et les quantiteacutes des reacutesidus alcalins produit s au niveau mondia l pa r les trois industries

Les eacutemission s d e CO 2 augmentent danneacute e e n anneacute e malgr eacute le s effort s de s entreprise s agrave le s

reacuteduire Pourtant l e protocole du Kyoto (1997) a fixeacute des objectifs d e reacuteduction d e GES pour

tous le s pay s signataires L e protocol e d u Kyot o a fixeacute a u Canad a agrave reacuteduir e d e 6 se s

eacutemissions d e GE S entr e 200 8 e t 201 2 pa r rappor t agrave lanneacute e 199 0 (Environnemen t Canada

2007)

Les quinz e pay s signataire s d e lUnio n Europeacuteenn e on t deacutej agrave attein t lobjecfi f d e 8

reacuteduction d e GES fixeacute pa r Kyoto (AEacuteE 2009) Des pays tels que la France LAllemagne l a

Gregravece l a Suegraved e l e Royaume Un i ont mecircme deacutejagrave attein t u n niveau infeacuterieu r agrave leur objectif d e

Kyoto Le s projection s reacutealiseacutee s pa r lAgenc e Europeacuteenn e pou r lEnvironnemen t (AEacuteE )

deacutemontrent qu e le s politique s climatique s e n vigueu r agrave lheur e actuell e permettron t d e fair e

une reacuteductio n suppleacutementair e d e 3 5 dic i 201 2 gracircc e agrave lacha t d e creacutedit s issu s d e projet s

de reacuteductio n de s eacutemission s meneacute s dan s le s pays tier s (AEacuteE 2009) L e Canad a e t le s Eacutetat s

Unis au contraire ont augmenteacute plus du double leurs eacutemissions de GES

Lameacutelioration d e lefficacit eacute leacutenergeacutetiqu e e t lutilisafio n d e source s alternative s deacutenergi e

pourraient reacuteduir e le s eacutemissions d e CO2 mais ces mesures seron t insuffisante s pou r atteindr e

les objectifs d e Kyoto ca r l a demande mondial e e n matiegravere premiegraver e augment e agrave un rythm e

soutenu Le s besoin s e n acie r e t e n aluminiu m connaicirctron t un e croissanc e d e 3 0 e t 60

par deacutecennie e t lInde estimen t Kuma r et al (2006) Kharoune (2006) ce qui rend neacutecessair e

la recherche d e nouvelle s technologie s d e seacutequestration d u CO2 De plus l a Chine e t lInd e

connaicirctront de s croissance s d e 8 0 agrave 100 pa r deacutecenni e dan s le s mecircme s domaines

Lindustrie d e lacier d e la Chine rejette 5 0 des eacutemissions mondiales du CO2 Dailleurs il

est agrave noter qu e le s eacutemissions d u CO2 par lindustri e d e production d e laluminiu m eacutetaien t d e

96 Mt en 199 0 au niveau mondia l e t elles ont eacuteteacute reacuteduites agrave moins de 25 Mt de CO2 en 2007

une reacuteductio n d e 7 4 alor s qu e l a productio n daluminiu m a doubl eacute pendan t l a mecircm e

peacuteriode d e 19 5 agrave 38 M t (GEIC 2006) Entre 199 0 et 2002 le secteur canadie n d u ciment a

ameacutelioreacute l e rendemen t d e se s four s d e 1 2 e t diminueacute se s eacutemission s d e GE S pa r tonne d e

produits cimentaire s d e 71 En chiffres absolus l a production total e nett e deacutemission s d e

CO2 a augmenteacute d e 23 de 199 0 agrave 2004 Toutefois l a production d e ciment a augmenteacute de

25 a u cour s d e cett e peacuteriode c e qu i expliqu e e n grand e parti e laccroissemen t de s

eacutemissions (Environnemen t Canada 2007) Dan s le s anneacutee s 1950 l a productio n mondial e

dacier eacutetai t denviro n 20 0 millio n d e tormes meacutetriques E n 2006 l e chiffr e seacutelevai t agrave 124 0

Mt dacier

Le Japo n fai t un e bonn e figure dan s l e cadr e d e reacuteduction s d e GES So n industri e dacie r a

reacuteduit d e 6 s a consommatio n deacutenergi e e n 200 5 pa r rappor t a u nivea u d e 199 0 (GEIC

2006) Le s entreprise s eacutemettrice s d e CO 2 doiven t fair e preuv e d e plu s dinnovation s e t d e

recherches technologique s dan s c e sens Louvertur e d e l a bours e d e carbon e depui s ma i

2008 agrave Montreacutea l leu r perme t deacutechange r leur s creacutedit s deacutemissio n d e GE S e t d e s e voi r

reacutecompenseacutees pour leurs efforts

Technique d e reacuteduction de s eacutemissions d e CO2 proposeacutee

Plusieurs proceacutedeacute s son t utiliseacute s pou r limite r le s eacutemission s atmospheacuterique s d e CO 2 qu i

agissent principalemen t su r l a captur e e t l a seacutequestrafio n d e c e gaz Alor s qu e le s proceacutedeacute s

membranaires e t dabsorption son t utiliseacutes pour l e captage d u CO2 le stockage e n reacuteservoir s

geacuteologiques o u miniers e n aquifegravere s salin s o u encor e pa r enfouissemen t oceacuteaniqu e son t

utiliseacutes pour l a seacutequestration (Bonenfan t et al 2006)

Lutilisation de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s issu s de s activiteacute s industrielle s telle s qu e

les alumineries le s acieacuterie s e t le s cimenterie s offren t d e nouvelle s possibihteacute s s e

seacutequestrafion d u CO2 Cett e technologi e es t baseacute e su r u n pheacutenomegraven e chimiqu e simpl e la

formation d e carbonate s stable s suite agrave labsorptio n d u CO 2 par de s composeacute s alcalin s tel s

que le s oxydes de calcium (CaO ) e t de magneacutesium (MgO) Lideacutee dutilise r le s reacutesidus e t les

sous-produits alcalin s afin d e seacutequestrer l e CO2 a eacuteteacute lanceacutee pour l a premiegravere foi s par Seifrit z

(1990) et a eacuteteacute eacutetudieacute en en profondeur pa r Lackner (1995)

La reacuteductio n de s eacutemission s d e CO 2 agrave l a sourc e sinscri t dan s l e cadr e du n processu s d e

gestion durabl e de s matiegravere s reacutesiduelle s e t preacutesent e u n inteacuterecirc t eacuteconomiqu e manifeste Agrave cet

effet l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuteral e e n milieu x aqueu x preacutesent e un e

alternative tregrave s inteacuteressant e (Huijge n et al 200 5 Bonenfan t et al 2006) 1 1 sagit du n

processus nature l menan t agrave l a formatio n de s carbonates produit s thermodynamiquemen t

stables et sans effet neacutefast e su r lenvironnement (Boenfan t et al 2006)

Les mateacuteriau x employeacute s dan s ce s eacutetude s son t de s sou s produit s e t reacutesidu s industriel s agrave

pouvoir alcali n tel s qu e le s scorie s de s acieacuteries le s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s

cendres volante s e t poussiegravere s de s four s de s cimenteries Cett e technologi e pren d un e

importance particuliegraver e s i o n parl e e n terme s d e quantiteacute s de s reacutesidu s produit s pa r ce s troi s

industries (voi r tableau 11 page 6) et qui peuvent ecirctr e utiliseacutes afin d e seacutequestrer l e CO2

En fait le s technologie s existante s d e seacutequestratio n d u CO2 agrave l a diffeacuterenc e d e l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s industriel s alcalins preacutesenten t de s coucirct s eacuteleveacute s d e 5 0 agrave

100 $ par tonn e d e CO 2 seacutequestreacute (Bonenfan t et al 2006 Eloneva 2008) Ces coucirct s eacuteleveacute s

empecircchent leu r application agrave grande eacutechelle

Objectifs d e leacutetud e

Le bu t d u preacutesen t travai l consist e agrave deacuteterminer expeacuterimentalemen t le s meilleurs pouvoirs d e

seacutequestration d u CO 2 pa r le s reacutesidu s e t le s sous-produit s industriel s alcalin s dan s de s

conditions ambiante s dutilisatio n tempeacuterature t = 20degC temps T= 2 4 et 48 heures pression

atmospheacuterique ambiante granulomeacutetrie industrielle)

De cet objectif deacutecoulen t le s sous-objectifs speacutecifique s suivant s

bull deacutetermine r le s critegraveres dutilisation de s mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r leffe t d u pH de la conducfiviteacute e t du pouvoir alcalin des reacutesidus en milieux

aqueux su r la capaciteacute de seacutequestration d u CO2 par les mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r F effet d e la preacutelixiviation de s reacutesidus sur leurs capaciteacutes de seacutequestratio n

du CO2

Pour c e faire de s essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute meneacute s su r troi s type s d e scorie s (HF FP FAEacute)

deux type s d e boue s rouge s (humide s e t segraveches) deu x type s d e reacutesidu s d e cimenterie s

(poussiegraveres de fours e t cendres volantes)

Le preacutesent meacutemoire es t organiseacute comme sui t

Le Chapitr e 1 preacutesent e le s notion s fondamentale s d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO2

Apregraves avoi r list eacute le s plu s grand s eacutemetteur s de s ga z agrave effet s d e serr e nou s feron s l a lumiegraver e

sur le s caracteacuteristique s chimique s d u CO 2 e t le s technologie s existante s d e l a seacutequestratio n

mineacuterale d u CO 2 par le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalins L e Chapitre 2 aborde l a

meacutethodologie de caracteacuterisation de s reacutesidus alcalins Dans cette partie nous nous pencheron t

sur le s critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacutes l a faccedilo n don t le s

paramegravetres e t le s condition s dexpeacuterimentation s son t eacutetabli s e t su r l a meacutethod e danalys e

choisie L e Chapitr e 3 preacutesent e le s reacutesultat s obtenu s lor s de s essais L e Chapitr e 4 a pou r

objectif dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s obtenu s dan s l e cadr e d e cett e

eacutetude Enfin un e conclusion complegravete l e meacutemoire

CHAPITRE 1

REVUE DE LA LITTEacuteRATURE

11 Probleacutematiqu e du CO2

Les activiteacute s humaine s eacutemetten t de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e GE S don t l e CO 2 L a deacuteforestation e t lindustrie de leacutenergie sont les principaux responsables (voir figure 11) Les rejets mondiaux en 2007 suite agrave la deacuteforestafion son t denviron 8 4 Gt de CO2 sur une totale de 38 Gt de CO2 eacutemis dans latmosphegravere La Terre absorbait environ 1 1 Gt de CO2 en 2007 On retrouve un suppleacutement dans latmosphegravere de 27 Gt selon le GIEC (2007)

Les eacutetude s qu i traiten t l e reacutechauffemen t globa l d ucirc au x eacutemission s d e CO 2 pa r lactivit eacute humaine sont tregraves nombreuses Leffet d e serre est un pheacutenomegravene normal et neacutecessaire agrave la vie su r terre C e pheacutenomegraven e s e produi t pa r laccumulatio n de s ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere 1 1 perme t d e mainteni r un e tempeacuterature moyerm e agrave la surface d e l a terre de +18degC (GIEC 2001) San s leffe t d e serr e l a tempeacuterature moyenn e d e l a terre serai t d e -15degC

Deacutef 0 r estatio n et suite s

Proceacutedeacutes industriels

2sltyo ^

r 7 Bacirctiments

reacutesidentiels e t comnterciaux

9ltyo

Industr ies d e leacutenergie

27lty o

) ~ Transpor t

1 7

Figure 11 Reacutepartition par activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004

Tireacute de GIEC (2007)

Pour mieu x comprendr e l a probleacutematiqu e d u reacutechauffemen t planeacutetaire i l import e d e bie n

connaicirctre le s caracteacuteristique s chimique s e t l e cycl e d u CO2 Le s page s qu i suiven t s e

proposent d e faire l a lumiegravere sur le sujet

111 L a chimi e du CO 2

Le dioxyd e d e carbon e a eacutet eacute identifi eacute pou r l a premiegraver e foi s dan s le s anneacutee s 175 0 pa r l e

physicien e t chimist e eacutecossai s Josep h Blac k (Villiers 2009) A tempeacuteratur e ambiant e (20 -

25C) l e dioxyd e d e carbon e es t u n ga z san s couleu r n i odeur qu i es t faiblemen t acid e e t

inflammable I l es t preacutesen t dan s latmosphegraver e dan s un e proportio n approximativemen t eacutegal e

agrave 00375 en volume soi t 375 ppmv (Bourque 2009)

La formul e moleacuteculair e d u dioxyd e d e carbon e es t l e CO2 Cett e moleacutecul e lineacuteair e es t

triatomique composeacute e du n atom e d e carbon e qu i es t reli eacute pa r doubl e liaiso n agrave deux atome s

doxygegravene 0=C=0 Le s atomes doxygegravenes dan s cett e formul e son t seacutepareacute s agrave des angles de

180 deg et son t lieacute s agrave latom e d e carbon e pa r de s liaison s covalente s qu i l a ren d no n polair e

selon Sienk o (1965) Dissou t dan s leau i l form e d e lacid e carboniqu e qu i peu t interagi r

avec de s composeacute s alcalin s tel s le s oxyde s meacutetallique s d e calciu m e t d e magneacutesiu m e t le s

zeacuteolites (Sienko 1965 Auroux et Gervasini 1990)

CO2 + H2 O - ^ H2CO 3 (11 )

Dans leau d e maniegravere reacuteversible lacid e carboniqu e reacuteagi t ave c lea u pou r forme r l e catio n

hydronium HsO^ et lion bicarbonate HCO suivant l a reacuteaction suivant e

H2CO3 + H2 O - ^ HCOs + HsO ^ (12 )

Il peu t seulemen t ecirctr e solid e agrave une tempeacuteratur e infeacuterieur e agrave -78degC L e dioxyd e d e carbon e

liquide existe principalement quan d i l est dissout dans leau

Le dioxyd e d e carbon e es t seulemen t solubl e dan s lea u lorsqu e la pressio n dinjectio n es t

maintenue Les proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2 sont deacutecrites au Tableau 11

Tableaull Le s proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2

Tireacute de Goj et al (2002) Tardat-Hemy e t Beaudry (1984 )

Proprieacuteteacute Masse molair e

Graviteacute speacutecifiqu e agrave 21C Densiteacute critiqu e

Concentration dan s lai r Stabiliteacute Liquide Solide

Constante dHenry d e solubilit eacute Solubiliteacute dans leau agrave agrave 20 degC

Valeur 4401

153 agrave21 468

3703 10 Eleveacutee

Pression lt 4158 Tempeacuterature

29815 09

Uniteacute gmol

-kgm ppm

-kPa

lt -78 degC mol kg bar

volvol

Ces proprieacuteteacutes permetten t a u CO2 de capter le s rayons infr a rouge s provenan t d e la Terre de

lemmagasiner e t passe r agrave u n nivea u deacutenergi e supeacuterieur Lexceacuteden t deacutenergi e es t libeacuter eacute

apregraves dans latmosphegravere causan t ains i leffe t d e serre (GIEC 1990)

112 Cycl e du carbon e

Le carbone es t un eacuteleacutement essenfie l agrave la vie Le carbone sui t u n certain itineacuterair e su r la terre

qui es t appeleacute cycl e du carbone L e cycle du carbone se compose en deux parties le cycle du

carbone organiqu e e t celui d u carbon e inorganique Cett e seacuteparatio n (Bourque 2009 ) es t

artificielle car en reacutealiteacute ces deux cycles se reacutealisent en mecircme temps

Le cycle du carbone es t baseacute sur le dioxyde de carbone (CO2) qui peut ecirctre foumi agrave lair sou s

forme d e ga z e t agrave lea u sou s form e dissoute Le s plante s terrestre s utilisen t l e dioxyd e d e

carbone d e latmosphegraver e pou r creacutee r leur s propre s source s deacutenergi e e t pou r assure r leu r

croissance

10

Lors le processus naturel appeleacute l a photosynthegravese le s plantes libegraveren t de loxygegravene essentie l

agrave l a vie animale Ces t gracircc e agrave l a chlorophyll e qu e le s plantes e t certaine s bacteacuterie s peuven t

effectuer la photosynthegravese

La reacuteaction totale de la photosynthegravese est

6CO2 + 6H2O + Eacutenergie solaire -gt COcircH^O Ocirc + 6O2 (13 )

Les animau x qu i consommen t loxygegraven e libeacuter eacute pa r le s plante s sappellen t de s

consommateurs Ce s dernier s relacircchen t l e dioxyd e d e carbon e dan s latmosphegraver e duran t l e

processus d e l a respirafion L a respiratio n es t linvers e d e la photosynthegravese Agrave parti r d e

loxygegravene libr e O2 elle transforme tout e mafiegravere organiqu e en CO2 selon leacutequatio n chimiqu e

suivante

C6H12O6 + 6 O2 gt 6 CO2 + 6 H2O (14 )

La deacutecompositio n aeacuterobi e e t l a fermentatio n permetten t au x microorganisme s d e libeacutere r l e

CO2 dans latmosphegravere Toutefois l e carbone peu t auss i ecirctr e stock eacute sou s forme d e biomass e

dans le s racine s de s arbre s e t dautre s matiegravere s organique s duran t de s anneacutees Lorsqu e le s

couches d e seacutediment s compressen t cett e matiegravere de s combustible s fossile s seron t formeacutes

apregraves plusieur s siegravecles De s proceacutedeacute s geacuteologique s agrave long term e pourron t expose r l e carbon e

de ce s combustible s agrave lai r apregrave s un e longu e peacuteriode mai s habituellemen t l e carbon e de s

combustibles fossile s es t relacircch eacute lor s d e proceacuted eacute d e combustio n reacutealis eacute pa r lhomm e

(Bourque 2009) Bie n qu e l a combustio n de s combustible s fossile s ajout e d u dioxyd e d e

carbone agrave lair certai n dentr e eu x son t auss i relacircch eacute lor s d e proceacutedeacute s naturels te l qu e le s

eacuteruptions volcaniques Dan s leacutecosystegravem e aquatique l e dioxyde d e carbon e peu t ecirctr e stock eacute

dans le s roche s e t le s seacutediments I l prendra u n lon g temp s avan t qu e l e dioxyd e d e carbon e

soit relacircch eacute pa r l a deacutesagreacutegatio n de s roche s o u de s processu s geacuteologique s qu i apporten t le s

seacutediments agrave la surface d e leau (Bourque 2009)

11

Le dioxyd e d e carbon e stock eacute dan s lea u ser a preacutesen t agrave l a foi s comm e ion s carbonate s o u

bicarbonates Ce s ions fomient un e partie importante des tampons naturel s qui empecircche lea u

de deveni r tro p acid e o u tro p basique Lorsqu e l e solei l chauff e leau le s ion s carbonate s e t

bicarbonates retourneron t dan s latmosphegravere sou s forme d e dioxyde de carbone (Falkowsk i et

al 1998 Huntzinger 2009)

En 2003 Yamasak i estimai t agrave 1 4 G t l a quantiteacute d e carbone captur eacute d e latmosphegraver e pa r le s

systegravemes terrestre s agrave laid e d e l a photosynthegravese Selo n ce t auteur loceacutea n emmagasin e plu s

de carbon e qu e l a veacutegeacutetafio n terrestre soi t 3 8 000 Gt L e phytoplancto n emmagasin e 5 0 agrave

100 G t d e carbon e qu i soi t un e quantit eacute beaucou p plu s important e qu e cell e emmagasineacute e

par la veacutegeacutetation terrestre

Les figure s 1 2 e t 1 3 montren t qu e l e gran d reacuteservoi r d e carbon e es t constitu eacute

principalement pa r le s roche s seacutedimentaires Loceacutea n repreacutesent e auss i u n autr e grand

reacuteservoir surtou t agrave de s profondeur s supeacuterieure s agrave 10 0 m L e seacutejou r d u carbon e dan s le s

reacuteservoirs deacutepend du type de reacuteservoir ougrave il se trouve

Le seacutejou r d u CO 2 est d e quatr e an s dan s latmosphegravere d e 1 1 ans dan s l a biosphegravere d e 38 5

ans dan s lhydrosphegraver e superficiell e (oceacutean d e 0 agrave 10 0 m) d e plu s d e 10 0 K a (millier s

danneacutees) dan s loceacutean profon d e t de quelques 200 Ma (millions danneacutees) dan s la lithosphegraver e

(Bourque 2009) Le cycl e d u carbone es t composeacute d e plusieurs sous-cycle s qu i duren t d e l a

deacutecennie (l e recyclag e d u CO 2 pa r le s plantes ) au x centaine s d e million s danneacutee s (l e

recyclage d u carbon e organiqu e pa r lintermeacutediair e de s roche s seacutedimentaire s o u de s

hydrocarbures pa r exemple)

12

C y c l e y c o u r t gt v

C y c l e 1 o n g

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2 S

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L__

C Y C L E O U C A R B O N E O R G A N I Q U E

A T M O S P H Egrave R E

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O S If ^ o 5 p f icirc o i o s y n i h e s e 1

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L = J a l i o n I

f laquo r m e n t a t i o n

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t e r r e s t r e -o- S d ^ m a rraquo n = Q

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1 ^ r -

S O L S T E R R E S T R E S e l

S e O I M E M T S M A R I M S

l e o o 1 S e d 1 m e n 1 a 1 p o n

A l t e r a t l o n O O 5

( e t e n f o u i s s e m e m

R O C H E S S Eacute D I M E N T A I R E S i n c l u a n t k ^ r o g ^ n e s p eacute t r o l e s c h a r b o n s

1 O O O O O O O

bull V o i o u - s C n Ccediljs ^ g g a i 3 T - raquo r gt t s d t c a t o o ^ s o - t o n K u m o K a s t i n p o l C a r i ^ ^ l O ^ D P O O Icirc V C O M

)

N

gt a 1 1

Figure 12 L e cycle du carbone organique Tireacute de Bourque (2009)

Figure 13 L e cycle du carbone inorganique Tireacute de Bourque (2009)

13

12 Technologie s d e captage et de seacutequestration du CO2

121 Technologie s d e captage du CO2

Afin d e contre r le s effet s neacutefaste s d u reacutechauffemen t climatiqu e plusieurs technologie s d e

captage e t de seacutequestration d u CO2 on t eacuteteacute deacuteveloppeacutees ce s derniegraveres anneacutees L a majoriteacute d e

ces technologie s n e son t pa s encor e implanteacute e agrave leacutechell e industrielle ca r leur s faible s

efficaciteacutes e t leur s coijt s eacuteconomique s eacuteleveacute s ont empecirccheacute s leu r implantatio n (Herzo g et al

1997 Herzog 2001 Yang et al 2008) Dan s cett e partie nou s deacutecrieron s briegravevemen t le s

technologies d e captag e d u CO 2 et nou s nou s attarderon s plu s e n deacutetai l su r le s technologie s

de seacutequestration d u C02par des mateacuteriaux alcalins

Proceacutedeacutes dadsorption pa r les amineacutes

Les technologie s baseacutee s su r labsorptio n d u CO 2 par le s amineacute s son t le s plu s freacutequemmen t

ufiliseacutees dan s le s industrie s peacutetroliegraveres dextractio n d u ga z nature l e t d e l a productio n

dammoniaque (Lia o et al 2002 Ra o et al 2002) L a mon o eacutethylamin e (MEA ) pa r

exemple reacuteagi e ave c l e CO 2 e t form e l e carbamat e d e MEA O n utilis e l a solutio n d e ce t

composeacute afin dextrair e d u CO2 tregraves pur (Stewart e t Hessami 2005)

Ces technologie s offren t de s rendement s d e captag e d u CO 2 varian t d e 7 5 agrave 9 0 e t de s

grades d e puret eacute d u CO 2 supeacuterieur s agrave 9 9 Malgr eacute de s rendement s satisfaisants ce s

technologies ont de s inconveacutenient s majeur s le s coiit s dinvesfissemen t e t dexploitatio n

sont eacuteleveacutes lufilisatio n dinhibiteur s d e corrosio n e t doxydafio n e t leur s rendement s

deacutependent de s condifion s dutilisafio n (Jo u et al 1995) L a consommatio n deacutenergi e es t

eacutegalement tregrave s eacuteleveacutee (Fauth et al 2005)

Proceacutedeacutes dadsorptio n pa r les zeacuteolites e t les charbons actif s

Les mateacuteriaux tel s que le s zeacuteolites e t les charbons actif s ont de s surfaces speacutecifique s eacuteleveacutee s

(gt 150 0 m^g ) e t adsorben t seacutelectivemen t diffeacuterent s ga z e n fonctio n d e leu r superficie l a

taille des pores et les volumes de pores (Rege et Yang 2001)

14

Ce processu s repos e su r la neutralisatio n du n ga z acid e for t (CO2 ) pa r un e bas e faibl e

(absorbant) Il s opegraverent agrave des cycles dites de pression PSA (Pressure-Swing-Adsorption) o u agrave

des cycles thermiques TSA (Thermal-Swing-Adsorption)

Ce typ e dadsorpfio n peu t atteindr e u n rendemen t denlegravevemen t d u CO 2 denviro n 9 2

Toutefois le s zeacuteolithe s n e son t pa s efficace s pou r capte r l e CO 2 eacutemi s pa r le s centrale s agrave

charbon car la consommation deacutenergi e es t tregraves eacuteleveacutee (Maroto-Valer 2005)

Proceacutedeacutes membranaire s

Ces technologie s utilisen t de s membrane s constitueacutee s du n polymegraver e deacutepos eacute su r u n suppor t

microporeux o u meacutetalliqu e o u du n film liquid e absorban t immobilis eacute su r u n suppor t d e

polymegravere (Fero n et al 1992 Herzog et a1997 Herzog 2001) L e CO2 est mis en contac t

avec l a membran e e t l e polymegraver e o u l e film liquid e qu i facilit e so n transpor t agrave traver s l a

membrane a u deacutetrimen t de s autre s polluants Ce s proceacutedeacute s offren t plusieur s avantage s pa r

rapport au x autre s proceacutedeacute s pa r leur s simpliciteacute s e t leur s stabiliteacutes Toutefois ce s

technologies preacutesenten t d e seacuterieu x deacutesavantage s don t de s coucirct s dutilisatio n eacuteleveacutes de s

rendements d e captag e d u CO 2 infeacuterieur s agrave 8 0 un e faibl e seacutelectiviteacute e n plu s d e n e

pouvoir traiter que des effluents ayan t de faibles concentration s en CO2 (Yang et al 2008)

122 Technologie s d e seacutequestration d u CO 2

Laugmentation constant e de s activiteacute s industrielle s de s acieacuteries de s cimenterie s e t de s

alumineries a pour conseacutequenc e no n seulemen t laccroissemen t de s eacutemission s d u CO 2 mais

aussi laccumulatio n d e millions de toimes de reacutesidus alcalins partout dan s l e monde Le deacutef i

pour ce s entreprise s e t pou r l e mond e d e l a recherch e es t d e taill e utilise r ce s reacutesidu s

industriels afi n d e limite r (seacutequestrer ) un e parti e d u CO 2 eacutemi s dan s latmosphegravere E n fait

cest depui s le s quinz e demiegravere s anneacutee s qu e l a recherch e essay e agrave reacutepondr e agrave cett e

probleacutemafique

15

Les effort s le s plus consistant s reposen t su r l e deacuteveloppement dun e technologi e utilisan t le s

scories de s acieacuterie s e t le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s comm e matrice s afi n d e

seacutequestrer l e CO 2 (Hujge n e t al 2005 Kharoune 2006) Quan t agrave lutilisatio n de s boue s

rouges de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e cimenterie s son t dan s leur s

premiegraveres phases dessais

Les technologie s d e seacutequestratio n d u CO 2 o n peu t le s classifie r e n quatr e cateacutegorie s l a

seacutequestration oceacuteanique l a seacutequestratio n biologiques l a seacutequestratio n geacuteologiqu e e t l a

seacutequestration mineacuterale s des mateacuteriaux alcalins Il importe de mentionner qu e la deacutefinition d e

technologie es t peut-ecirctr e inexacte ca r l e pheacutenomegraven e d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r de s

matiegraveres alcaline s es t u n pheacutenomegraven e naturel Toute s ce s laquotechnologies raquo permetten t l a

seacutequestration d u CO2 agrave tregraves long s termes (plusieur s millier s agrave plusieurs million s danneacutees ) agrave

lexception d e l a seacutequestration d u CO2 par l a biomasse de s veacutegeacutetaux qu i n e l e seacutequestre qu e

pour une cinquantaine danneacute e (Santos 2006)

La seacutequestration oceacuteaniqu e

Les oceacuteans ont u n potentie l d e seacutequestration d u CO2 tregraves eacuteleveacute plus de 100 0 Gt (AMPERE

2006) mai s l a dureacute e d e reacutetentio n d u CO 2 est beaucou p plu s court e qu e le s autre s type s d e

seacutequestration L e CO2 injecteacute agrave 1500 m de profondeur libegraver e 1 8 de la quantiteacute seacutequestr eacute du

CO2 apregraves 200 ans de stockage (Hanish 1999) Ceci sexpliqu e pa r l e fai t qu e le CO2 dissout

dans lea u s e transforme e n acid e carboniqu e H2CO 3 qui baiss e l e p H d e lea u marine De s

ions bicarbonates HCO3 et des ion s carbonates COs^ sont libeacutereacute s dans lea u qu i agrave leu r tou r

vont reacuteagi r ave c le s ions meacutetallique s qu i s e trouvent dans lea u pou r former de s sel s tels que

la calcit e CaCO s (carbonat e d e calcium ) e t l a dolomit e CaMg(C03)2 L a formatio n d u

carbonate d e calciu m CaCO j produi t deu x pheacutenomegravenes l e premie r es t celu i d e

laugmentation d e la concentration e n acide carbonique qu i peut auss i seacutecrir e CO 2 + HO et

par voi e d e conseacutequence d e cell e d u CO 2 et l e deuxiegravem e es t celu i d e l a reacuteductio n d e l a

concentration e n ions bicarbonates ce qui va provoquer une baisse du pH

C02(g) + CaC03(s) + H2O -^ Ca-(aq ) + 2 HCO3 (aq) (15 )

16

Les concentration s eacuteleveacutee s d e CO 2 suites agrave l a productio n d e CaCO s provoquen t l a creacuteatio n

dun gradien t entr e loceacutea n e t latmosphegravere qu i favoris e un e diffusio n d u CO 2 de loceacutea n ver s

latmosphegravere (Bourque 2009)

Un autr e inconveacutenien t d e cett e meacutethod e es t l a distanc e su r laquell e l e CO 2 reacutecupeacuter eacute de s

usines doi t ecirctr e transporteacute pou r atteindre loceacutean L e coiagravet de cette meacutethod e d e stockage a eacuteteacute

estimeacute entre 1 8 et 12 8 $ par tonne de CO2 seacutequestreacute (AMPERE 2006)

La seacutequestration geacuteologiqu e

Le stockag e geacuteologiqu e d u CO 2 preacutesente un e autr e alternativ e inteacuteressant e pou r limite r le s

eacutemissions d e ga z dan s latmosphegravere LOues t canadie n pa r so n relie f e t se s caracteacuterisfique s

geacuteologiques sembl e lendroi t ideacuteal car les reacuteservoirs geacuteologique s peuvent recevoi r toute s le s

eacutemissions de CO2 qui seront produites au Canada dans les prochaines anneacutees

Toutefois plusieur s chercheur s sinquiegraveten t d e limpact d e ce gaz stockeacute agrave des pressions tregrave s

eacuteleveacutees su r le s paroi s rocheuse s (Reeve 200 0 His 2003 Thoma s e t Kerr 2005 Montes -

Hemandez 2009) L a dissolutio n d u CO 2 peu t cause r l a formatio n de s carbonates de s

oxydes meacutetallique s e t de s hydroxyde s qu i agrave longues terme s peuven t affecte r l a solidit eacute de s

reacuteservoirs (Montes-Hemande z 2009) L a seacutequestrafio n geacuteologiqu e d u CO 2 s e deacuteroul e e n

trois eacutetape s l e captage l e transpor t e t linjectio n d u gaz L e captag e es t leacutetap e l a plu s

coucircteuse du processus (GIEC 2005)

De plus plus des deu x tier s du coucirc t du captage e t du stockage d u CO2 provenant de s ga z de

combustion y sont accapareacute s pa r sa seacuteparation e t so n traitement Ce s coucircts eacuteleveacutes preacutesenten t

(40 agrave 7 0 $ ustonne d e CO2 ) l e principal obstacl e agrave l a commercialisatio n de s technologie s

de stockage du CO2 au Canada (Reeve 2000)

17

Stockage dans les gisements de gaz ou de peacutetrole

Cette technologie es t en cours de deacuteveloppement Le s gisements de gaz et de peacutetrole peuven t

servir d e reacuteservoir s naturel s d u CO2 Ce s reacuteservoir s offren t de s potentiel s d e seacutequestratio n

supeacuterieurs agrave 18 0 Gt de CO2 (Reeve 2000)

De nombreuse s expeacuterimentation s son t e n cour s a u Japon au x Eacutetats-Uni s e t e n Europe L e

CO2 capt eacute peu t ecirctr e inject eacute e t emprisonn eacute dan s de s structure s geacuteologique s telle s qu e de s

veines d e charbo n inexploitables de s gisement s eacutepuiseacute s d e ga z o u d e peacutetrol e o u de s roche s

poreuses Un e foi s aboutie cett e technologi e permettrai t d e reacuteduir e massivemen t le s

eacutemissions d e c e ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere U n aspec t inteacuteressan t d e cett e

technologie es t le transport direc t du CO2 des usines vers les sites de stockage

Les grand s eacutemetteur s d e CO 2 tel s qu e le s alumineries le s acieacuteries le s cimenterie s e t le s

raffineries d e peacutetrol e peuven t utilise r facilemen t cett e technologi e (Montes-Hemandez

2009)

Stockage dans le s formations houillegravere s

Une autr e possibilit eacute d e seacutequestrafio n d u CO 2 es t linjecfio n dan s le s formafion s houillegravere s

(Mastalerz et al 2004) Le meacutethane (CH4) a la proprieacuteteacute de saccrocher au x paroi s rocheuse s

mais l e CO2 une foi s injecteacute deacuteplac e l e meacutethan e pou r prendr e s a place Cett e technologi e

preacutesente u n avantage consideacuterable l a vente du meacutethane ains i produi t peu t aide r agrave compenser

le coucirc t d e l a seacutequestratio n d u CO2 Deacutependan t d u typ e d e charbo n utilis eacute le s eacutetude s d e

laboratoire indiquen t quentr e deu x e t di x moleacutecule s d e CO 2 son t absorbeacutee s pou r chaqu e

moleacutecule d e meacutethan e libeacuter eacute (Stanto n et al 2001 Pa n e t Connell 2009) Linconveacutenien t

majeur d e cett e technologi e es t l a faible porosit eacute d e l a surface d u charbo n qu i s e tradui t pa r

un mauvais contac t du CO2 avec lensemble de la surface d u charbon

18

Stockage dans le s aquifegraveres salin s

Les reacuteserves planeacutetaires en eau saline deacutepassent largemen t celle s du peacutetrole e t de gaz naturel

Leurs potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 sont consideacuterables plu s 700 0 milliard s d e tonne s

de CO2 (Yang 2008)

Les aquifegraveres son t de s formation s geacuteologique s constitueacutes d e roches permeacuteable s contenan t d e

leau mobiliseacute e quelle s son t capable s d e restitue r naturellemen t (Herzo g et al 1997

Herzog 2001) Une telle technologie es t deacutejagrave utiliseacute e en Norvegravege o ugrave l a plate-forme offshor e

de ga z nature l d e Sleipne r inject e u n millio n d e tonne s d e CO 2 par anneacute e agrave 100 0 megravetr e d e

profondeur dan s la mer du Nord (Santos 2005)

Stockage dans la biomass e

Tel qu e expliqu eacute agrave l a sectio n 11 2 lor s d u processus d e l a photosynthegravese le s plantes verte s

absorbent d u CO 2 de latmosphegraver e afi n d e l e converti r e n glucos e e t e n dautre s substance s

indispensable agrave leu r survie Lor s d e l a respirafio n cellulair e l e glucos e es t laquobmleacute raquo pou r

produire d e leacutenergi e qu i ser t agrave mainteni r le s foncfion s vitale s de s veacutegeacutetau x (Campagna

1996) Les forecircts e t les algues marines sont les principaux reacuteservoir s vert s du CO2

Les forecirct s

Les arbre s duran t leu r croissance absorben t e t stocken t l e CO 2 de lai r jusquagrave c e qu e leu r

bois soi t brucircl eacute o u deacutecompos eacute naturellement Le s forecirct s contiennen t 8 0 d e l a biomass e

continentale (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s fonctionnen t donc duran t u n certai n temp s

comme de s puit s d e CO 2 e t contribuen t agrave reacuteduir e leffe t d e serre Un e forecirc t es t consideacutereacute e

comme pui s d e carbon e quan d ell e absorb e e t stock e l e CO 2 d e maniegraver e durabl e dan s l a

biomasse faisan t d e sort e qu e l a teneu r e n CO 2 d e latmosphegraver e diminue L a biomass e

aeacuterienne de s jeunes forecirct s agrave croissance rapid e fixe plus de gaz carbonique quell e nen rejett e

(Campagna 1996) Toutefois le s arbres mures des forecircts seacutequestren t tregrave s peu de CO2 Apregraves

une peacuteriode de 50 ans la forecirct es t consideacutereacutee mature

19

Ce nest pa s l e taux de fixation d u carbone qu i es t deacuteterminant mai s l e temps pendant leque l

il es t stock eacute dan s l a biomass e (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s e t le s autre s type s d e

veacutegeacutetation peuven t capte r e t transforme r entr e 2 0 e t 30 de s eacutemission s causeacutee s pa r la

combustion deacutenergie s fossiles e t cett e valeu r pourrai t encor e ecirctr e augmenteacute e pa r de s

reboisements Cependant o n admet que tous les puits de CO2 du monde seron t satureacute s dici agrave

2050 Pa r ailleurs le s puit s actuel s pourraien t auss i deveni r de s source s d e CO 2 s i

latmosphegravere devai t s e reacutechauffer Fischli n et al (2006 ) considegraver e que n ca s d e

reacutechauffement climatiqu e selo n le s modegraveles preacutevisionnels actuels le s peacuteriodes de seacutecheress e

(entraicircnant u n risqu e acc m dincendi e e t u n affaiblissemen t de s arbres) voir e le s tempecirctes

pourraient s e muhiplie r globalemen t e t localement dougrave entr e autres un e possibl e

augmentation de s attaque s pa r de s insectes Tou s ce s facteur s pourraien t fair e mouri r le s

arbres qui agrave leur tour une fois deacutecomposeacutes libeacutereront du CO2 dans latmosphegravere

Algues marine s

Les algue s marine s agrave l a surfac e de s oceacutean s jouen t u n rocircl e importan t dan s leacutecosystegravem e

marin Le s micros-algue s utilisen t le s rayon s d u solei l pou r leu r croissanc e eacutetan t donn eacute

quelles son t source s deacutenergi e e t permetten t d e transforme r l e CO 2 e n composant s

organiques (Herzo g et al 1997 Herzog 2001) Elle s repreacutesenten t l a base nutrifionnell e d e

la vi e marin e e t terrest e car elle s produisen t plu s d e 9 0 d e lactivit eacute photosyntheacutetiqu e

repreacutesentant pa r l e fai t mecircm e l a premiegravere sourc e doxygegravene su r la Terre Les expeacuteriences ont

deacutemontreacute qu e le s rendement s d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s algue s marines l e

zooplancton e t les bacteacuteries ont quadmpleacute suite agrave la fertilisation de s algues en ajoutant 800k g

de fe r su r un e surfac e d e 4 9 k m dan s loceacutea n Atlantiqu e Su d mai s ell e peu t repreacutesente r

certains dangers comme l e deacuteseacutequilibre de la flore marine (Herzog 2001)

La manipulatio n geacuteneacutetiqu e es t un e autr e voi e qu i permettr a au x algue s agrave augmente r leu r

pouvoir de seacutequestration d u CO2

20

Cette voie a eacuteteacute envisageacutee pour creacuteer des algues reacutesistantes agrave un environnement pauvr e en fe r

et ains i augmente r l a prolifeacuteratio n de s algue s marines mai s de s plante s marine s pouvan t

prolifeacuterer abondammen t dan s u n milie u carenc e e n fe r pourraien t induir e de s reacuteaction s e n

chaicircnes impreacutevisible s dan s le s eacutecosystegravemes marin s (Herzog 2001) Le s eacutetudes portant su r l a

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s son t beaucou p moin s

nombreuses

13 Seacutequestratio n d u CO2 par des mateacuteriaux alcalin s

Puisque l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s es t lobjecti f

principal d e l a preacutesent e eacutetude l a revu e deacutetailleacute e d e l a litteacuteratur e su r l e suje t es t preacutesenteacute e

dans cette section

Plusieurs recherche s (Lackne r et al 199 5 Stolarof f et al 200 5 Huijge n et al 2005 -

2006 Soong et al 200 6 Bonenfant et al 200 8 Montes-Hemandez et al 2008-2009 ) ont

proposeacute l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 comme un e altemativ e afi n reacuteduir e le s eacutemission s

de CO2 dans latmosphegravere e n ufilisant le s reacutesidus alcalins tels que les deacutechets municipaux le s

cendres volante s de s fours d e l a saumure le s deacutechet s d e beacuteto n e t d e ciment le s scorie s

dacier e t les boues de deacutesencrage des papeteries

131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriaux alcalins les fondement s

Lideacutee d e la seacutequestration mineacuteral e du CO2 a eacuteteacute lanceacutee par Seifritz e n 199 0 et a eacuteteacute eacutetudieacute en

en profondeur pa r Lackne r dan s les deacutebuts des anneacutees 90 Cette technologi e es t baseacutee su r un

pheacutenomegravene chimiqu e simpl e la formation d e carbonates stable s suit e agrave ladsorption d u CO2

par de s composeacute s alcalin s tel s qu e le s oxyde s d e calciu m (CaO ) e t d e magneacutesiu m (MgO )

(Lackner 1995) Les efforts le s plus consistants son t poseacutes su r linvention dun e technologi e

utilisant le s scorie s de s acieacuteries le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s e t le s mineacuterau x

alcalins tels que lolivine l a serpenfine l e wollostonite comm e matrice s afi n d e seacutequestrer l e

CO2

21

Quant agrave lutilisatio n de s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e

cimenteries son t dan s leur s premiegravere s phase s dessais E n fait i l exist e deu x type s d e

seacutequestration mineacuterale du CO2 ex-situ et in-situ

La seacutequestration ex-situ

Cette technologie es t appeleacutee ex-situ car on utilise les mineacuteraux alcalin s qui se trouvent dan s

la nature tel s que la serpentine lolivine l e wallostonite l e talc et c pou r l a seacutequestratio n d u

CO2 Linteacuterecirc t dutilise r le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalin s pou r l a seacutequestratio n

du CO 2 consiste dan s l e fai t qu e c e processus es t exothermiqu e e t qui l perme t l a formatio n

de carbonate s stable s (Lackner 199 5 Khoo e t Tan 2006 ) gracircc e agrave leur s teneur s eacuteleveacutee s e n

oxydes de magneacutesium (MgO ) et de calcium (CaO ) (Proctor et al 2000 ) comme l e deacutemontre

le tableau 12

La serpenfin e e t lolivin e ont eacutet eacute identifieacutee s pa r plusieur s (Beara t et al 2006 Kho o e t Tan

2006 Checircne al 2006 Huijge n et al 200 6 Krevor e t Lackner 200 9 Prigiobbe et al

2009) comme les mineacuteraux le s plus prometteurs agrave utiliser pour l a seacutequestration d u CO2 gracircce

agrave leurs pouvoirs alcalins et les quantiteacutes eacuteleveacutees quon trouve dans l a nature

Ces mineacuterau x doiven t ecirctr e transporteacute s pregrave s de s usine s eacutemettrice s d e CO 2 et broyeacute s avan t

decirctre utiliseacute s pour l a seacutequestration d u CO2 Le concept es t baseacute su r l e pheacutenomegravene nature l d e

lalteacuteration de s mineacuterau x alcalin s pa r l e CO 2 dan s leque l le s silicate s d e calciu m o u d e

magneacutesium son t transformeacute s e n carbonates L a carbonatatio n mineacuteral e engloban t tou s le s

mineacuteraux alcalin s es t preacutesenteacutee par les reacuteactions ci-dessous (Kho o et Tan 2006)

(Ca Mg)Si03(s) + C02(g) -gt (Ca Mg)C03(s) + Si02(s) + 90 kJmole (16 )

La reacuteactio n 1 6 deacutemontr e l e potentie l d e transforme r naturellemen t de s mineacuterau x riche s e n

silicates de magneacutesium e t de calcium en carbonates e t en silice

22

Tableau 12 La teneur en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Mateacuteriaux (mineacuterau x

alcalins)

Peridotite Dunit e (olivine )

Hazburgite

Lhezhorlite

Serpentine

Gabro

Basait

Talc

Wallastonite

Teneur en Mg O

masse

495

454

281

400

100

62

440

-

Teneur en CaO

masse

03

07

73

0

130

94

-

350

De tout e eacutevidence l a capacit eacute d e seacutequestre r l e CO 2 pou r le s reacutesidu s alcalin s deacutepen d

directement de la proportion des oxydes meacutetalliques de calcium et de magneacutesium (CaO et de

MgO) e t leur s hydroxyde s respectif s Ca(0H) 2 e t Mg(0H 2 contenue s dan s l a matric e de s

deacutechets (Montes-Hemandez et al 2009)

Dans de s condition s ideacuteale s e n suivan t l a reacuteacfio n 16 un e tonn e d e serpentin e peu t

seacutequestrer enviro n une demi-tonne de CO2 et une tonne de lolivine peu t seacutequestrer enviro n

deux fiers dune tonn e d e CO 2 (Khoo e t Tan 2006) L a reacuteaction es t exothermiqu e e t ell e

libegravere 90 kJmole de CO2 Le s eacutetudes deacutemontrent que le processus de carbonatation aqueuse

suit deu x eacutetapes a ) l a dissolutio n de s cafion s e n solutio n suiv i pa r b ) l a nucleacuteatio n e t l a

croissance des preacutecipiteacutes de carbonate (Park et Fan 2004 Maroto-Valer et al 200 5 Krevor

et Lackner 2009)L a raiso n principal e d e lutilisatio n d e ce s mineacuterau x es t labondanc e d e

ces derniers dans la nature

23

Les quanfiteacutes de serpentine en particulier son t largement disponibles dans le monde entier de te l poin t quo n peu t seacutequestre r tou t l e CO 2 qui peu t ecirctr e geacuteneacuter eacute agrave parti r d e toute s le s reacuteserves planeacutetaires en charbon Leur faible coucirct combineacute avec le caractegravere exothermique du processus d e carbonatation (reacuteacfio n 16 ) son t le s deu x principaux argument s qu i peuven t justifier l e deacuteveloppement d e ce proceacutedeacute au niveau industrie l (voi r figur e 14) Malgr eacute le s avantages deacutecrit s ci-dessus l a seacutequestratio n d u CO2 par l a carbonatatio n mineacuteral e es t un processus qu i est limiteacutee par l a lenteur de la reacuteaction de carbonatation e t notamment d e la lenteur d u taux d e dissolution de s silicate s dans des conditions faiblement acide s (Chen et al 2008)

^bulliltNr- -gtv v

Serpentine

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Vision 21 Power Plant bullwr

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1

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^agnesItB amp Sillca Constructio n Mateacuteriel Industiial Reagents Mine Reacuteclamation

Figure 14 L a seacutequestration du CO2 par carbonatation mineacuterale Tireacute de Goldberg (2001 )

Le renforcement d e la vitesse de la dissolution a eacuteteacute identifieacute comm e lune des principales opportiiniteacutes pour la reacuteduction des coucircts directs de ce processus (Krevor et Lackner 2009) Les coucircts dutilisation d e ces mineacuteraux sont faibles mais les coucircts de transports eacuteleveacutes Ils peuvent donc limiter leur utilisation en grande eacutechelle pour la seacutequesti-ation du CO2 La consommation deacutenergi e associeacute e a u broyage de s mineacuteraux repreacutesenten t 7 5 du coucirct total de leacutenergie demandeacutee de tout le processus de seacutequestration du CO2

24

Ces coucirct s peuvent augmente r jusqu agrave 90 s i on vise agrave obtenir un e granulomeacutetri e d e moin s

de 75 mm (Krevo r e t Lackner 2009) De plus les mineacuteraux alcalin s ne se comportent pa s de

la mecircm e faccedilo n lor s l e processu s d e l a carbonatafion Le s serpentine s reacuteagissen t plu s

facilement tandi s qu e l a peridotit e es t l a plu s difficil e agrave carbonater Pou r avoi r de s

rendements satisfaisant s (4 0 agrave 8 0 ) d e carbonatation i l fau t augmente r l a tempeacuterature au -

dessus d e 150deg C et ajoute r de s solutions tampons telle s qu e l e chlorure d e sodium (NaCI ) et

bicarbonate d e sodiu m (NaHCOs ) o u ajoute r de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e acid e

chlorhydrique (HCl ) afi n dacceacuteleacutere r l a reacuteactio n d e formatio n de s carbonate s (Che n et al

2008)

La seacutequestration in-situ

Lutilisation de s reacutesidu s e t de s sous-produit s alcalin s issu s d e lactivit eacute industriell e de s

alumineries des acieacuteries e t des cimenteries est une autre altemative d e seacutequestration d u CO2

Ces mateacuteriau x alcalin s (boue s rouges scories poussiegravere s d e fou r e t cendre s volantes ) son t

produits pa r ce s usine s e t gracircc e agrave leur haute teneur e n Mg O e t CaO il s peuvent ecirctr e utiliseacute s

sur place (in-situ) pou r seacutequestrer l e CO2 eacutevitant ainsi le s coucircts de transport

Les boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouge s son t de s reacutesidus industriel s issu s du processus dextractio n daluminiu m agrave

partir d e l a bauxit e (proceacuted eacute Bayer) Ce s reacutesidu s (Doy e e t Duchesne 2003 ) on t u n p H

supeacuterieur agrave 1 2 et sont produit s agrave un taux de 2 tt daluminium commercialis eacute (Vacho n et al

1994) Le s boue s rouge s son t stockeacutee s soi t a u fon d de s oceacutean s (France Allemagne) soi t

preacutes des usines comme au Canada (Vachon et al 1994)

La production de s boues rouges en 2006 ses t chiffreacutee agrave 90 Mt dan s l e monde dont 3 Mt au

Canada e t o n preacutevoi t un e augmentatio n d e productio n d e 6 0 pa r deacutecenni e (Kharoun e et

al 2006) Le s grande s aluminerie s peuven t e n geacuteneacutere r jusqu agrave 67 5 00 0 tonne s pa r anneacute e

(Doye et Duchesne 2003)

25

Le tablea u 1 3 deacutemontr e qu e le s boue s rouge s on t un e teneu r eacuteleveacute e doxyd e d e calciu m

(CaO) et elles peuvent donc ecirctre ufiliseacutees afi n d e seacutequestrer l e CO2

Tableau 1 3 L a composition chimiqu e moyenne des boue s rouge s

Tireacute de Cabeza e t al (2003)

Composition en masse

AI2O3

10-20

CaO

2-8

FejOj

30-60

NazO

2-10

SiOz

3-50

TiOj

trace-10

Les scories des acieacuterie s

Lindustrie canadienn e d e lacieacuterag e constitu e l e secteu r l e plu s importan t d e l a meacutetallurgi e

du pay s (Mikhai l e t Aota 2006) Dix-sep t acieacuterie s exploiten t 2 1 usine s dan s hui t province s

canadiennes Dan s le s usine s inteacutegreacutees toute s situeacutee s e n Ontario de s haut s foumeau x

produisent d u fe r primair e agrave partir d e matiegraveres brute s comm e d u minera i d e fer d u charbo n

et de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006)

Les quatr e cateacutegorie s de s scorie s (Kharoun e et al 2006 ) deacutesigneacutee s selo n leu r proceacuted eacute d e

fabrication son t le s scorie s FO P (fou r agrave oxygegraven e pur) le s scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c

eacutelectrique) le s scorie s H F (hau t foumeau ) e t le s scorie s F P (fou r poche) Lutilisatio n de s

scories dan s l e bu t d e seacutequestre r l e CO 2 es t important e s i o n considegraver e qui l s e produi t

actuellement 1 4 Mt a u Canada 2 1 M t au x Eacutetat s Uni s e t 35 0 M t d e scorie s dan s l e mond e

dont 19 0 M t d e typ e H F (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e tonn e dacie r produit 02 8 agrave 1

tonne CO2 sont eacutemis dans latmosphegravere

Ce son t le s pH eacuteleveacute s (1 2 agrave 13 ) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxyde s meacutetallique s (Huijge n et

al 2005 ) le s raisons principale s d e lutilisatio n de s scories comm e substra t d e seacutequestratio n

du CO2 comme l e deacutemontre l e tableau 14

26

Tableau 1 4 La composition chimiqu e moyenne de s scorie s

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Composants (Vo en masse )

CaO Si02

A1203 MgO FeO MnO

Types de scorie s

FAEacute 30-40 10-20 lt10 lt10

15-35 lt10

FOP 42-52 9-13 05-3

1-8 15-35 3-10

FP 48-52 8-10 15-25 8-10 2-4 lt4

HF 39-42 33-39 9-13 6-9

0-01 01-05

Les scories FOP et FP sont plus riches en calcium qu e celle FAEacute tandis que les scories FP

sont plus riches on oxyde daluminium Le s teneurs en meacutetaux lourd s sont faibles pou r les

trois types de scories eacutetudieacutees

Les poussiegraveres de four des cimenterie s

Les poussiegravere s d e fou r d e cimenterie connue s auss i sou s l e no m d e laquo ceacutemen t kil n dus t raquo

(CKD) son t de s reacutesidu s industriel s reacutecupeacutereacute s pa r le s filtres eacutelectrostatique s lor s d e l a

fabrication d u clinke r (Doy e e t Duchesne 2003) Geacuteneacuteralement 1-1 5 tonne s d e calcair e e t

de 0 5 tonne s d e charbo n son t utiliseacute s pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e clinker L a

consommation deacutenergi e pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e cimen t seacutelegravev e agrave 4000 M J dont

pregraves de 80 est dorigine thermiqu e e t le reste de leacutenergie eacutelectrique E n outre 08-1 tonn e

de CO 2 est eacutemis e dan s latmosphegraver e pa r tonn e d e clinke r produit e (Kuma r et al 2006) L a

production mondial e des CKD seacutelegraveve agrave 30 millions de tonnes Une tregraves faible proportio n (15

) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x dan s le s industrie s agricole s e t d e l a

construction (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003)

Il fau t note r qu e jusque agrave l a fin des anneacutees 9 0 pregraves d e 4 millions d e CK D s e retrouvaient e n

tas ou dans des eacutetangs agrave cocircteacute des usines en Ameacuterique du Nord (Doy e e t Duchesne 2003) De

nos jours presqu e toute s le s CK D son t recycle s dan s l e processu s d e fabricatio n d u cimen t

(Huntzinger 2009)

27

Le tableau 1 5 deacutemontr e qu e le s CK D son t rich e e n oxyde s d e calcium Elle s possegraveden t u n

potentiel ne t d e neutralisatio n tregrave s eacutelev eacute (42 6 k g CaC03t) u n p H d e 126 un e reacuteserv e

importante e n sulfate s (10 3 SO4 ) ains i qu e de s concentration s e n meacutetau x lourd s plu s o u

moins importantes de lordre d e ppm tels que Cr Pb et Zn (Doye e t Duchesne 2003)

Tableau 1 5 La composifion chimiqu e moyenne des CK D

Tireacute de Corish et Coleman (1995)

Composition en mass e

Poussiegraveres d e four (CKD )

AI2O3

3-6

CaO

38-50

FczO

1-4

MgO

0-2

NaO

0-2

SiOj

11-16

Les cendres volante s

Les cendres volante s repreacutesenten t de s reacutesidus tregraves fins issus entre autre s de la combustion d u

charbon pulveacuteris eacute e t pouss eacute dan s l a chambr e d e combustio n du n fou r pa r de s ga z

deacutechappement Le s cendre s volante s son t classifieacutee s selo n leur s teneur s e n Ca O e t d u typ e

du charbon brucircl eacute (voi r tableau 16) e n deux classes F et C (Biemacki et al 2007)

Les cendres volantes de classe F confiennent moin s de 1 0 de CaO et sont utiliseacutees pou r la

fertilisation de s sols Le s cendres volante s d e classe C contiennent plu s d e 1 0 de CaO e t

elles son t plu s communeacutemen t utiliseacutee s pou r l a fabricatio n d u beacuteto n (Montes-Hernande z et

al 2009)

La production de s cendres volantes seacutelevait agrave 4800000 tonnes a travers l e Canada en 2001

dont 450000 tonnes on t eacuteteacute utiliseacutees pour la fabrication d u ciment (Bouzouba a e t Foumier

2003)

28

Tableau 1 6 La composition chimiqu e des cendres volante s

Tireacute de Soong et al (2006 )

Composition masse

Sulfur

0-002

C

0-15

AI2O3

59-187

CaO

18-29

Fe203

5-85

K2O

03-24

MgO

14-64

NazO

06-55

Si02

14-516

En Europe e t selo n le s anneacutees de 2 agrave 3 Mt de cendres volantes su r une production total e d e

43 M t son t utiliseacutee s dan s l a constructio n d e route s soi t u n tau x dutilisatio n globa l dan s c e

secteur dactiviteacute d e 8

On enregistre actuellemen t 7 Mt en Australie 70 8 M t (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003 ) au x

Eacutetats Unis de s centaine s de s meacutegatonne s e n Chin e e t 10 0 M t dan s de s deacutecharge s e n Inde s

(Kumar et al 2005) Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestre r jusquagrave 2 6 kg de CO2

(Montes-Hemandez ea 2009)

Il exist e deu x type s d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s industriel s alcalin s l a

carbonatation direct e e t la carbonatation indirect e des oxydes meacutetalliques

A) L a carbonatation direct e

Ce proceacuted eacute perme t dinjecte r d u CO 2 gazeu x directemen t su r de s reacutesidu s alcalin s agrave leacuteta t

solides L e CO2 reacuteagit ave c le s oxydes meacutetalliques d e CaO e t MgO et formes de s carbonate s

stables selon les eacutequations suivante s (Lackner et al 1995)

CaO + CO2 -^ CaC0 3 + 17 9 kJmole

MgO + CO2 -gt MgC0 3 + 11 8 kJmole

(17)

(18)

Pour c e typ e d e seacutequestratio n le s quantiteacute s d e Ca O e t d e Mg O neacutecessaire s pou r lie r l e CO2

produit par la combustion dun e tonn e de carbone son t respectivement d e 47 et 34 tonnes

29

B) Carbonatatio n de s oxydes meacutetalliques en milieux aqueu x acide s

La seacutequestratio n indirect e d u CO2 soit l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s

alcalins e n milieu x aqueu x basiques es t l a meacutethod e l a plu s eacutetudieacutee Mecircm e s i leacutetud e de s

meacutecanismes qu i reacutegissen t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s n e fai t pa s parti e de s

objectifs d e ce meacutemoire i l importe de deacutecrire briegravevement le s principaux meacutecanisme s afi n d e

mieux comprendr e c e processus Dun e faccedilo n plu s deacutetailleacutee l a carbonatatio n s e deacuteroule e n

cinq eacutetapes 1) La diffusion d u Ca sur la surface de s particules de l a scorie 2) l a dissolutio n

du C a dan s l a solution 3 ) l a dissolufio n d u CO2 4 ) l a conversio n d u CO 2 dissou t e n ion s

bicarbonate e t 5) la preacutecipitation du CaC03 (Huijgen et al 2005)

Le CO 2 reacuteagi t ave c d e lea u e t form e d e lacid e carboniqu e (H2CO3 ) selo n le s eacutequation s

suivantes (lizuka et al 2004 )

CO2 + H2O ^ H2CO 3 (19 )

H2CO3 ^ H ^ + HCO3 (110 )

H C 0 3 ^ H ^ + C03^ (111 )

Le CaO peut eacutegalemen t reacuteagi r avec lea u pou r produire des cations calcium selo n l a reacuteaction

suivante (Huijgen e t Comans 2003)

CaO + H2O ^ Ca^ ^ + 2 OH (111 )

Tous le s produit s de s reacuteaction s 1 9 agrave 11 2 peuven t reacuteagi r ave c l e CO 2 pou r forme r de s

carbonates L a reacuteactio n entr e ce s oxydes l e CO 2 e t lea u a pou r reacutesulta t l a formatio n de s

monocarbonates e t bicarbonates (Bonenfan t et al1006 Soon g et al 2006)

Hujgen et al (2006 ) on t deacutetermin eacute le s meacutecanisme s reacuteacfionnel s d e Ca-carbonatatio n

(modegravele geacuteothermique ) comm e sui t

Ca(0H)2 + CO 2 - ^ CaC0 3 + H2 O (113 ) portlandite calcit e

30

Ca6(Al)2(OH)2(S04)326 H2O + 6H2O -gt 6CaC03 + 2A1^^ +3S04^- + 32H2O (114 ) ettringite calcit e

Ca-silicate (CSH) + CO2 CaC0 3 (calcite) +Si02 (partiel ) (L15 )

Reacuteactions 1 9 agrave 11 1 repreacutesenten t l a dissociatio n d e l a dissolutio n CO 2 dan s leau le s

reacuteactions d e 11 2 et 11 3 repreacutesentent lextracfio n de s ions calciu m de s reacutesidu s alcalins Le s

reacuteactions 11 4 e t 11 5 repreacutesentent l a preacutecipitation d u carbonate d e calcium

Le meacutecanisme reacuteactionne l d u CO2 avec le MgO en milieu aqueux es t semblable agrave celui de

CaO (Femacircndezera 1999)

C02(g) + H20(l) ^ C02(aq ) (L16 )

MgO(s) + H20(l) - Mg(0H)2(s ) (117 )

C02(aq)--C02(i) (118 )

CO2 + Mg(0H)2(s) + (n-1 ) H20(aq) ^ MgC0 3 nH20(s) (119 )

MgC03 nH20(s) + CO2 ^ Mg^ ^ (i)+ 2 HCO^Xi) + (n-1) H2O (120 )

Mg^^i) + 2 HC03- (i) -^ M g q ) + 2 HCO^(aq) (1-21 )

ougrave le C02(i) le Mg^(i) et le HCO(i) son t les produits formeacutes eto u adsorbeacutes agrave linterface

La reacuteaction 12 0 ougrave l e carbonate d e magneacutesium form eacute agrave la surfac e de s particules reacuteagi t ave c

le CO2 pour forme r d u bicarbonate d e magneacutesium repreacutesent e leacutetap e l a plus importante d e ce

meacutecanisme

Toutefois lorsqu e l a concentration d e Mg O e n solutio n excegraved e 05 5 gL l a preacutecipitation d u

carbonate de magneacutesium peu t devenir l a reacuteaction dominante (Evan s et St-Clair 1949)

Les reacuteaction s 1 9 agrave 12 1 deacutemontren t qu e c e processu s s e produi t spontaneacutement san s

neacutecessiter de la chaleur

31

Dun poin t d e vu e thermodynamique l e maximu m d e conversio n d e calciu m conten u dan s

les reacutesidu s alcalin s deacutepen d d e deu x facteurs l a solubilit eacute de s ion s d u calciu m dan s l e

processus dextractio n e t d e l a solubilit eacute de s ion s calciu m dan s l a preacutecipitation L e produi t

net d e l a productio n d e CaC03 deacutepen d d e l a diffeacuterenc e d e solubilit eacute entr e l e processu s

dextraction e t celui de la preacutecipitation (lizuk a et al 2004)

132 Leffe t de s variables sur la carbonatatio n

Plusieurs variable s affecten t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s e t sous -

produits alcalins Nombreux chercheur s ont eacutetudieacute leffe t de s variable s su r l e processus de la

carbonatation (Stolarof f e al 2003 Druckenmille r e t Maroto-Valera 2005 Maroto-Valer a

et al 2005 Stolarof f e r al 2003 Hujge n et al 2003-2006 Bonenfan t 2008) Leffe t de s

variables su r l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s basique s e n solutio n peu t ecirctr e seacutepar eacute

en deux cateacutegories

Variables affectan t l a solubiliteacute du C02dans lea u

Le pH la tempeacuterature e t la saliniteacute de leau ains i que la pression partielle du CO2 ont un effe t

direct su r l a solubiliteacute du CO2 dans leau Plu s le pH est basique plus l a solubiliteacute du CO2 est

eacuteleveacutee L a solubilit eacute d u CO 2 se fai t selo n l a lo i dHenr y pou r de s pression s supeacuterieure s agrave 5

atm (Vas Bhat 2000)

[C02]aq=KHpC02= 0032 pC02 (122 )

KH es t l e coefficien t d e solubilit eacute o u constant e dHem y d u CO 2 qu i es t deacutependant e d e l a

tempeacuterature e t de la saliniteacute et pC02 est la pression partielle du CO2

32

Lapproche d e Setcheno w qu i illustr e linfluenc e de s sel s su r l a solubilit eacute d u CO 2 peu t

sappliquer agrave diffeacuterents sel s mineacuterales comme sui t

X = xO exp(-Acirc) (123 )

ougrave X e t xO sont le s fracfions molaire s d u gaz acide dans lea u pur e e t dans l a solution saline

K es t la constante de Setchenow e t I est la force ioniqu e du sel

Variables affectan t directemen t l a carbonatation de s oxydes meacutetallique s basique s en solution

La granulomeacutetri e de s particules l a concentratio n (rati o solideliquide ) doxyd e meacutetalliqu e

dans l a solution l e temps la tempeacuterature d e reacuteaction l a pression partiell e e t le deacutebit du CO2

ainsi qu e l a vitesse d e brassag e d e l a solutio n son t le s variables qu i influencen t directemen t

la carbonatation de s oxydes meacutetalliques basiques en solution

Il fau t note r qu e l a vitess e d e brassag e nes t pa s influenceacute e e t ninfluenc e pa s le s autre s

variables lors le processus de carbonatation

Granulomeacutetrie de s particule s

La granulomeacutetri e de s particule s joue u n rocircl e tregrave s importan t su r l a carbonatatio n de s oxyde s

meacutetalliques Le s eacutetude s d e Hujge n et al (2006) Bonenfan t et al (2008) Baciocch i et al

(2009) on t deacutemontreacute s qu e le s quantiteacutes de s carbonate s e t des silicate s d e magneacutesium eacutetaien t

plus eacuteleveacute s agrave de s granulomeacutetrie s d e scorie s e t d e wallastonit e lt 38pm L a conversio n d u

CaO d e scorie s dacieacuterie s e n carbonate s pass e d e 2 4 agrave 74 lorsqu e l a granulomeacutetri e de s

particules diminu e d e lt 2 mm agrave lt 38 pm Reacuteduire la granulomeacutetrie pa r deux peu t augmente r

la conversion d e 32 agrave 62 (Hujgen 2005)

Vitesse de brassage

La conversio n d e CO 2 e n carbonate s nes t pa s influenceacute e pa r l a vitess e d e brassag e gt 50 0

rpm (Hujge n et al 2006 ) mais peu t empecircche r l a preacutecipitatio n d u Mg O (Femacircnde z et al

1999) E n revanche baisse r l a vitess e d e brassag e d e 50 0 agrave 10 0 rp m reacutesult e e n un e

diminution marqueacute e de la conversion de CO2 en carbonates (Hujge n et al 2006)

33

Ratio solideliquide (LS )

Plus l a solution es t dilueacutee plus l a conversion d u CO2 en carbonates es t eacuteleveacutee (Hujgen et al

2006 Bonenfan t et al 2008) Autremen t dh plu s l e rafi o L S es t eacutelev eacute plus l e degr eacute d e

carbonatation es t eacuteleveacutee Toutefois leffe t d e c e paramegravetr e su r l a carbonatatio n deacutepen d de s

autres paramegravetre s tel s qu e l a tempeacuteratur e e t l a pressio n d e lexpeacuterimentatio n (Baciocch i et

al 2009)

La tempeacuterature e t la pression du CO

Ces deu x variable s son t tregrave s lieacutee s lun e agrave lautre L a tempeacuteratur e peu t avoi r de s effet s

contradictoires su r l a carbonatation Agrave haute tempeacuterature l a lixiviatio n d u C a d e l a matric e

peut ecirctr e tregraves rapide mais l a solubiliteacute d u CO2 dans l a solution peu t diminue r (Hujge n et al

2005) Agrave un e pressio n d e 2 0 bar s d e CO 2 l a carbonatafio n augment e s i l a tempeacuteratur e n e

deacutepasse pa s le s 15O C e t attein t so n maximu m agrave 200C L a conversio n diminu e abruptemen t

au-dessus d e 200C C e reacutesulta t es t d ucirc au x effet s contradictoire s d e l a tempeacuteratur e

laugmentation d e l a tempeacuterature augment e l a vitesse de reacuteaction e t l e transfert d e masse de s

ions d e calciu m (lixiviation ) mais d e lautr e coteacute ell e provoqu e l a baiss e de s ion s

bicarbonate dan s lea u (Montes-Hemande z et al 2009) L a formatio n de s carbonate s es t

plus eacuteleveacutee aux basses pressions et agrave de hautes tempeacuteratures (Och s et al 1998)

133 Cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2

La cineacutetique dadsorptio n d u CO 2 deacutepend comm e o n vien t d e voir d e plusieur s paramegravetres

La vitesse d e reacuteaction deacutepen d grandemen t d e la tempeacuterature e t de l a pression (Huijge n et al

2006) Alor s qu e l a premiegraver e eacutetap e es t rapid e e t caracteacuteriseacute e pa r la formatio n d e CaCO j e n

quantiteacute relativement importante l a seconde eacutetape est plus lente (Gmpta e t Fan 2002)

En effet l e CaC0 3 form eacute preacutealablemen t dan s l a premiegraver e eacutetape constitu e un e barriegraver e qu i

gecircne la reacuteactio n d u Ca O disponibl e ave c l e CO 2 D e c e fait ladsorptio n d u CO 2 se trouv e

limiteacutee

34

Par conseacutequent l e pheacutenomegravene d e diffusion de s composants chimique s agrave travers l a couche d e

CaC03 form eacute constitu e u n paramegravetr e cl eacute qu i gouvern e l a cineacutetiqu e d e l a second e eacutetape L e

processus de lixiviation influenc e don c le degreacute de carbonatation L e transfert d e masse dans

les pores d u solid e es t difficil e agrave eacutevaluer selo n Ochsenkuhn-Petroloulo u et al (2002) car i l

est impossibl e d e deacutefini r l a form e de s canau x empmnteacute s pa r l a mafiegravere O n peu t toutefois

selon ce s auteurs obteni r un e esfimatio n approximativ e d u transfer t de s particule s dan s l a

solution agrave laide d e leacutequation suivant e

Dnidt=kA(Cs-c)b (124 )

ou

A est Faire de linterface solide-liquid e

b est leacutepaisseur d u film entourant le s particules

c est la concentration (mv ) du soluteacute

t est le temps

Cs est la concentration d e la solution satureacutee en contacte avec les particules

m est l a masse des particules transfeacutereacutees dan s le temps t

k es t le coefficient d e diffusion

Lair d e linterfac e solide-liquid e es t proportionne l au x nombre s de s particule s solide s dan s

la solution e t l e ratio L S es t l a fraction d e lair e speacutecifiqu e de s particule s d u reacutesid u alcali n

qui participent dan s l e processus de lixiviafion (Ochsenkuhn-Petroloulo u et al 2002) Ainsi

la taille de s pore s d e Ca O e t leu r distributio n deviennen t de s facteur s important s quan t agrave l a

conversion d e Ca O e n CaC03 A ce propos des performance s d e conversio n d e 7 0 e t 8 2

ont eacutet eacute reacutealiseacutees pa r Bhati a an d Perlmutte r (1983 ) e t Mess et al (1999 ) respecfivement pou r

des granulomeacutetries de 81-173pm et 15-2 0 pm

35

Pour exprime r d e faccedilo n apparent e l a cineacutetiqu e d e cett e conversio n d e Ca O e n CaC03 u n

modegravele matheacutematique a eacuteteacute proposeacute par Lee (2004)

X = k b t(b+t) e t dXdt - k (1-XXu)^ (125 )

ougrave X e t X u son t l a conversio n e t l a conversio n ultim e d e CaO k es t un e constant e d e l a

vitesse de cineacutetique b est le temp s neacutecessaire atteindre Xu2 e t t est l e temps

Pour deacutecrir e l a vhess e d e conversio n d e Mg O e n MgC03 u n modegravel e matheacutematiqu e a eacutet eacute

proposeacute par Femacircndez et al (1999 )

kt= l-(l-XMgO)^ ^ (126 )

ougrave XMgO repreacutesente l a conversion d e MgO k est une constante de la vitesse d e cineacutetique

t est le temps

Lors de ces reacuteactions l e CO2 sattache chimiquemen t agrave l a surface de s oxydes meacutetalliques d e

MgO CaO Ti0 2 pou r forme r de s unidentate s dan s l e ca s d e Ca O (Aurou x e t Gervasini

1990) e t d e unidentates (u n seu l atom e es t donneur deacutelectrons ) e t bidentate s (deu x atome s

sont des donneurs deacutelectrons) dan s le cas de MgO et de Ti02 (Udovic e t Dumestic 1984)

Laluminium es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quanfiteacute s dan s le s solution s de s boue s rouges

mais i l form e beaucou p moin s d e carbonate s compareacute s au x Ca O e t MgO Coolin g et al

(2002) ont deacutemontr eacute qu e l a soude caustiqu e e t l e TCA-6 ( 3 Ca(0H)2 2 A1(0H)3) adsorben t

respectivement 29 0 e t 469 du CO2 adsorbeacute par le s boues rouges L e Si02 ne forment pa s

de carbonates mecircm e si l adsorb e un e bonne quantit eacute d e CO 2 (Ueno e t Bennet t 1978 Bal et

al 2001) E n revanche le s bicarbonates s e formen t suit e agrave ladsorption d u CO 2 sur les site s

acides fort s de s oxyde s selo n u n meacutecanism e d u typ e Langmuir-Hinshellwood Ce s

meacutecanismes impliquen t lisotherm e d e Langmuir (cas I et III)

36

Cette isotherm e peu t ecirctr e deacutecrite en termes de taux d e reacuteaction agrave la surface d e ladsorban t O

(Erzeng 2006)

0 = nombre de sites dadsorption occupeacute s (L27 ) nombre de sites dadsorpfion disponible s

O = 0 ~ l

Ce meacutecanism e (Langmuir-Hinshellwood ) sappliqu e dan s l e ca s d e ladsorpfio n d e deu x

reacuteactifs su r une surface san s dissociation

A(g) + B(g) ^ A(ads ) + B(ads) -^ Produi t (128 )

La vitesse de cette reacuteaction est donneacutee par

ri = k [A] [B] = k copyAO B (129 )

Lisotherme d e Langmuir sapplique comm e sui t

copyA = BOAPA +BOAPA+BOBPB (130 )

copyB=BOBPB1+BOAP)+BOBP5 (131 )

ougrave B est le coefficient dadsorptio n ( A et B) et PA et PB le s pressions partielles de A et B

La vitesse deacuteriveacutee de lisotherme d e Langmuir cas III sillustr e comm e sui t

r = kBoABoB^sl +BOAPA + BOBPB (132 )

De no s jours aucun e eacutetud e n a eacutelucid eacute complegravetemen t le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t

ladsorption d u CO 2 en milieu x aqueu x de s oxyde s meacutetallique s basique s preacutesent s dan s le s

scories dacieacuterie s (Bonenfant 2008) U n nombr e importan t d e variable s peu t ralenti r o u

acceacuteleacuterer l a vitesse de la reacuteaction de ladsorption d u CO2

37

Plusieurs meacutethode s on t eacutet eacute examineacutee s jusqu agrave preacutesen t pa r le s chercheur s y compri s

laugmentation d e la surfac e de s particule s d e roch e pa r pulveacuterisation lutilisatio n d e

catalyseurs d e reacuteactio n tel s qu e lacid e chlorhydrique lacid e aceacutetiqu e o u hydroxyd e d e

lithium de s solution s tampon s telle s qu e bicarbonat e d e sodiu m e t l e carbonat e d e fe r

(Krevor e t Lackner 2009 ) e t des tempeacuteratures e t de s pressions eacuteleveacutee s o ugrave l e CO2 est en eacuteta t

supercritique (lizuk a et al 2004) Prigiobb e et al (2009 ) on t remarqu eacute qu e le s sel s

inorganiques tels que NaCl NaHCOs et KHCO3 ont ameacutelioreacute l a carbonatafion de s silicates

Ils ont concl u qu e l a variation d u pH peu t influence r l a dissolution d u CO 2 dans l a solufion

En revanche l a variafio n de s tau x d e HCl d e LiO H o u d e l a salinit eacute a produi t u n

changement dan s l a valeu r d u p H c e qu i agrave so n tou r condui t agrave un changemen t d u tau x d e l a

dissolution d u CO 2 mais i l n y avai t pa s d e preuve s du n effe t direc t e t indeacutependan t d e ce s

paramegravetres su r le taux de dissolution d u CO2

La variatio n d e p H n a pa s l a mecircm e influenc e su r toute s le s matrice s alcalines Lolivin e

semble decirctre l e mineacuteral alcali n l e plus influenceacute pa r l a variation d u pH s i on parle en termes

de dissolutio n d u CO2 I l n y a pa s deffe t dinhibitio n su r l a dissolutio n d u CO 2 agrave u n p H

supeacuterieur agrave 5 Ce constat es t important car agrave ces valeurs de pH e t agrave des tempeacuteratures d e 25 agrave

150 C le s preacutecipitations d e carbonates son t les plus eacuteleveacutees (Prigiobbe et al 2009) Lorsque

le pH de ce systegraveme es t presque neutre la dissolution d u CO2 est lente e t donc la dissolutio n

des mineacuteraux dans ces conditions es t moindre (Krevor e t Lackner 2009)

Liu et al (2005 ) ont deacutevelopp eacute un e meacutethode biomeacutetrique dan s laquell e lenzym e anhydras e

carbonique jou e l e rocircl e d e catalyseu r biologique Le s reacutesultat s obtenu s on t deacutemontr eacute qu e

lenzyme a acceacuteleacutereacute l a carbonatation de s oxydes meacutetalliques dans le milieu aqueux

En conclusion plusieur s paramegravetre s influence s l a cineacutefiqu e dadsorptio n d u CO 2 e t l a

formation de s carbonates C e son t donc laugmentatio n d e l a tempeacuterature d u rappor t LS

du temps de reacuteaction e t de l a pression partiell e d u CO2 les principaux facteur s qu i favorisen t

la conversion d u Ca en carbonates

38

134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s

Les boues rouge s des aluminerie s

La production de s boues rouges en 2006 sest chiffreacutee agrave 90 millions de tonnes dans le monde

dont troi s million s d e tonnes au Canada e t on preacutevoit un e augmentatio n d e production d e 6 0

par deacutecennie (Kumar et al 2006)

Le stockag e de s boue s rouge s repreacutesent e no n seulemen t u n problegravem e eacuteconomique agrave caus e

des coucirct s d e preacuteparatio n e t d e maintenanc e de s sites mai s auss i u n problegravem e

environnemental d ucirc agrave leur nature caustique

Les boues rouges son t ufiliseacutees dan s les domaines de (Sglavo et al 2000 Gupta et al 2001

Brunori et al 2005 Li et al 2006 )

constmction de s routes agrave cause de leur soliditeacute et de leur durabiliteacute

production d u ciment agrave cause de leur reacutesistance au gel et leur bas prix

fertilisation de s sols gracircce agrave leur teneur eacuteleveacutee en potassium e t en phosphate

extraction des oxydes de fer de scandium de plomb et de titan

fabrication d e ceacuteramique

neutralisation de s eaux des mines et des sites contamineacutes

Les scories des acieacuterie s

Lutilisation de s scorie s dans l e but de seacutequestrer l e CO2 est important e s i on considegravere qui l

se produi t actuellemen t 1 4 million s d e tonne s a u Canada 2 1 million s d e tonne s au x Eacutetat s

Unis e t 35 0 million s d e tonnes de scorie s dans l e monde (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e

tonne dacie r produit 02 8 agrave 1 tonne CO 2 son t eacutemi s dan s latmosphegravere Le s scorie s son t

utiliseacutees dan s plusieurs domaine s de leacuteconomie Le s principales ufilisation s de s scories son t

dans l e domain e d e l a constructio n (bitume ) e t comm e mateacuteriau x d e rembla i (Kharoune

2006) Des technique s reacutecente s permetten t l a reacutecupeacuteratio n d u phosphor e de s eau x useacutee s

(Soulard 2001)

39

Les scorie s d e typ e F P (Fou r Poche ) son t certifi eacute pou r u n usag e comm e amendemen t

calcique de s sol s (Procto r et al 2000) Dautre s utilisation s connue s de s scorie s son t dan s

les domaine s d e neutralisatio n de s eau x d e drainag e de s mines contr e leacuterosio n de s sols

comme mateacuterie l d e drainag e e t dadsorptio n de s meacutetau x lourds Mecircm e s i plusieur s

utilisations de s scorie s son t reacutepertorieacutees actuellemen t plusieur s dizaine s d e million s d e

tonnes de scories se trouvent accumuleacutee s su r des terrains partout dans l e monde

Les poussiegraveres de four des cimenteries (CKD )

La production mondial e de s CKD seacutelegravev e agrave 30 millions d e tonnes (Konsta-Gdouto s e t Shah

2003) Un e tregrave s faibl e proportio n (1 5 ) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x

dans le s industrie s agricole s e t d e l a construction Un e bonn e parti e (jusqu agrave 6 7 ) es t

reacuteutiliseacutee dan s le s fours d e production d u ciment e t le reste des CKD s e retrouvent e n pile ou

dans de s eacutetangs agrave proximiteacute de s usines On esfime agrave quatre million s d e tonnes d e poussiegravere s

accumuleacutees en Ameacuterique du Nord (Van Hoss et Padovani 2003)

Gracircce agrave leu r teneu r eacuteleveacute e e n calciu m e t potassiu m le s CK D son t tregrave s utiliseacutee s dan s l a

fertilisation de s sol s e t l a stabilisafio n de s eau x useacutee s e t de s boue s de s station s deacutepuration

Les CK D son t eacutegalemen t ufiliseacutee s avec succegrave s comm e remplissan t bitumineu x dan s l e

pavage e t l a toitur e dasphalte E n outre le s CK D e t le s cendre s volante s carbonate s

(utiliseacutees pour la seacutequestration du CO2) sont riches en carbonate d e calcium (CaC03 ) et de ce

fait elle s peuven t ecirctr e reacuteutiliseacutee s comm e mafiegravere s premiegravere s dan s l a fabricatio n d u ciment

Dans c e cas l e processu s d e carbonatatio n peu t ecirctr e consideacuter eacute comm e u n processu s d e

recyclage du ciment (lizuka et al 2004)

Les cendres volantes de s cimenterie s

Aux Eacutetat s Unies 708 millions de tonnes de cendres volante s d e tout genr e ont eacuteteacute produite s

en 2004 Preacutes de 40 de ces reacutesidus son t utiliseacutes comme additi f de ciment (Biemack i et al

2007) dan s de s bloc s d e maccedilonnerie comm e mateacuterie l e n alliage s leacutegers comm e matiegravere s

dagreacutegation fluides dan s l a chausseacuteeconstruction d e piste et comm e granule s de toiture

40

La plu s grand e applicafio n de s cendre s volante s es t dan s l e ciment bie n que d e nouvelle s

ufilisations creacuteatrice s pou r le s cendre s volante s soien t activemen t chercheacutee s (Konsta -

Gdoutos et Shah 2003 Kim 2004)

Pour l a peacuteriod e 200 3 agrave 2005 les centrales alimenteacutee s a u charbo n a u Canad a on t produi t e n

moyenne 45 2 M t de cendres volante s pa r anneacutee (Panagapko 2005) Dans lensemble 2 8

des cendre s volante s ont eacutet eacute reacuteutiliseacutes L e gyps e syntheacutetiqu e entr e dan s l a fabricatio n d e

panneaux d e placoplacirctre e t est utiliseacute agrave titre dadditif agrave ciment (Panagapko 2005) En Inde la

production d e cendre s volante s es t supeacuterieur e agrave 11 0 millions d e tonne s pa r a n e t seulemen t

20-25 de ces reacutesidus sont utiliseacutes agrave la fabrication d u ciment (Kumar et al 2005)

Reacutecemment Soon g et al (2006 ) on t propos eacute lutilisatio n de s cendre s volante s e t de s

solutions d e saumur e afi n d e seacutequestre r l e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuterale E n Europ e e t

selon le s anneacutees de 2 agrave 3 millions d e tonnes d e cendres volantes su r un e productio n total e

de 43 millions son t utiliseacutees en constructions d e routes soi t un taux dutilisatio n globa l dan s

ce secteur dactiviteacute d e 8

CHAPITRE 2

MATEacuteRIEL E T MEacuteTHODE S

Ce chapitr e preacutesent e l a meacutethodologie suivi e e t le s critegravere s d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacute s

lors d u projet boue s rouge s de s alumineries scorie s de s acieacuteries poussiegravere s d e fou r e t le s

cendres volantes des cimenteries

21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacute s

Des critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n on t eacutet eacute appliqueacute s pou r chacu n de s mateacuteriau x

cibleacutes Pa r critegravere s d e preacuteseacutelection o n sous-enten d tout e proprieacutet eacute physiqu e d e reacutesidu s

susceptible agrave preacutesente r de s danger s pou r l a sant eacute humain e telle s qu e de s odeur s

nauseacuteabondes deacutegagemen t d e ga z toxiques etc Le s reacutesidu s industriel s demandan t de s

proceacutedeacutes suppleacutementaire s afi n d e le s rendre non-toxique s o u ufilisable s avan t d e le s ufilise r

au laboratoir e on t eacutet eacute eacutecarteacute s d e l a preacutesent e eacutetude L a teneu r e n oxyde s meacutetallique s (CaO

MgO Si2 0 etc) l a teneu r e n meacutetau x lourd s (lixiviation) l e pH l a conductiviteacute l a

granulomeacutetrie son t le s principau x critegravere s d e seacutelectio n de s reacutesidus Huit reacutesidu s e t sous -

produits alcalin s ont eacuteteacute choisis pour reacutealiser leacutetud e su r l a seacutequestration d u CO2 deux type s

de boue s rouge s (humide s e t segraveches) trois types d e scorie s (FAEacute HF FP ) e t deu x type s d e

reacutesidus des cimenteries (poussiegraveres de four cendre s volantes)

211 Le s boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouges on t eacuteteacute foumies pa r Alcan Inc (Vaudreuil Queacutebec Canada) stockeacutee s dan s

des conteneur s hermeacutetiquemen t fermeacute s agrave 2 2 C L a couleu r roug e (Figur e 21 ) es t du e agrave l a

forte teneu r e n fe r e t so n p H eacutelev eacute es t l a conseacutequenc e d u traitemen t d e l a bauxit e agrave

lhydroxyde d e sodium (NaOH)

42

Boues rouge s humides

Boues rouge s segraveches

Figure 21 Photos des boues rouges humides et segraveches

Les boues rouges ont une granulomeacutetrie tregraves fine comprise entre 01 agrave 1000 pm une surface speacutecifique d e 1 0 agrave 4 0 m g e t un e mass e volum e trique qu i vari e d e 3 0 agrave 3 5 gcm ^ (Bonenfant et al 2006) Les boues rouges humides ont une sicciteacute de 50

Tableau 21 La composition chimique moyenne des boue s rouges Tireacute de Bonenfant (2006)

Composition en masse

Boues rouges

humides Boues rouges segraveches

AI2O3

193

19

CaO

58

77

FczOj

352

335

MgO

07

08

Na20

143

8

S1O2

53

96

43

Les oxydes preacutesenteacute s au tableau 21 font parti e des principales phases ( Hind et al 1999 Coolmg et al 2002 Cabeza et al 2003 ) comm e la portlandite (Ca (0H)2) le carbonate de sodium (Na2C03) le naal (0H)4 Na6[AlSi04]6 la cristalline dheacutematite (Fe203) la goethite (a-FeOOH) la gibbsite (Al (0H)3) la boehmite (y-AlOOH) la sodalite (Na4Al3Si30i2Cl) la anastase (Ti02) la mtile (Ti02) la katoite (Ca3Al2Si04(OH)i2) le gypse (CaS04 2H2O) et le quartz (Si02)

212 Le s scories des acieacuteries

Les scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c eacutelectrique) H F (hau t foumeau ) e t F P (fou r Poche ) on t eacutet eacute

foumies par la compagnie Mittal Canada Inc (Contrecoetu Queacutebec Canada)

Dans les usines inteacutegreacutees toutes situeacutees en Ontario des hauts fourneaux (voi r le scheacutema de production d e lacier Annex e II ) produisen t d u fe r primair e agrave parti r d e matiegravere s bmte s comme du minerai d e fer d u charbon e t de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006) Les scories sont inodore s e t ont une granulomeacutetrie fm e d e 0 agrave 5mm mais elles son t commercialiseacutee s aussi agrave une granulomeacutetrie de 5 agrave 14 mm (voir figure 22)

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP

Sont les pH eacuteleveacutes (12 agrave 13) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxydes meacutetalhques (Huijgen et al 2005) Les raisons principales de lutilisation des scories comme substrat de seacutequestration du

CO2

44

Les scorie s FO P et FP sont plus riches en calcium qu e cell e FAEacute tandis qu e le s scorie s F P

sont plu s riche s o n oxyd e daluminium Le s teneur s e n meacutetau x lourd s son t faible s pou r le s

trois types d e scorie s eacutetudieacutees Les scories d e type FO P et FA Eacute son t diffeacuterente s de s scorie s

HF (Figur e 22) Elle s son t plu s leacutegegravere s e t plu s riches e n fe r (Bonenfan t et al 2006) Le s

scories H F ayan t un e mass e volumiqu e d e 200 0 kgm ^ sont le s plu s leacutegegraveres tandi s qu e le s

scories FOP et FAEacute ont une masse volumique de 3000 kgm

Plusieurs phase s mineacuteralogique s composen t le s scorie s don t le s principale s son t l a

portlandite (Ca(0H)2 ) qu i es t geacuteneacuteralement l a phase dominante l a calcite l a magneacutesite le s

silicates e t diver s oxyde s tel s qu e de s oxyde s d e calcium d e magneacutesium d e fer d e

manganegravese e t de silicium (voi r tableau 14)Selo n Huijgen et al (2005) les conditions dan s

lesquelles le s scorie s son t geacuteneacutereacutee s deacuteterminen t le s proportion s d e ce s phase s dan s le s

scories (Huijgen et al 2005)

213 Le s poussiegraveres de four des cimenteries

Les poussiegravere s d e fou r on t eacutet eacute fourni e pa r le s cimenterie s St-Lauren t Inc (Longueuil

Queacutebec Canada) et Ciment Queacutebec Inc (St-Basil Queacutebec Canada)

Les poussiegraveres de four de cimenterie (voir figure 23) connues aussi sous le nom de laquocernen t

kiln dustraquo (CKD) sont des reacutesidus industriel s reacutecupeacutereacutes pa r les filtres eacutelectrostatiques (Doy e

et Duchesne 2003 ) lor s d e l a fabricatio n d u clinke r (voi r l e scheacutem a d e l a fabricatio n d u

ciment Annexe III) Les CKD ont une granulomeacutetri e tregrave s fine variant de 01 agrave 10 0 pm une

surface speacutecifiqu e d e 46 agrave 14 0 m g Les CKD ont une masse volumique de 480 kgm mai s

compacteacutees leur masse volumique peut atteindre 135 0 agrave 150 0 kgm^ (The Feacutedeacutera l Highway

Administration 2006) L a compositio n chimiqu e moyenn e de s CK D es t repreacutesenteacute e a u

tableau 15

45

Figure 23 Photo des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD)

Tireacute de Doye et Duchesne (2003)

Les CKD hbegraveren t tregrave s rapidemen t d e fortes concentration s e n potassium e n sulfat e e t en alcaliniteacute (Doye et Duchesne 2003) La quantiteacute doxyde de CKD deacutepend du type de four la source des matiegraveres du type de carburant utiliseacute et la maniegravere dont les CKD ont eacuteteacute reacutecupeacutereacute par le systegraveme

Lanalyse mineacuteralogiqu e de s CKD montre quelles sont composeacutees de calcite (CaC03) de dolomie (CaMg(C03)2 d u quart z (Si02) l e portlandit e (Ca(0H)2 de s sel s darkanit e (K2SO4) d e gyps e (CaS04) d e sylvit e (KCl) dhalit e (NaCl ) e t dettrengit e (Ca6(Al)2(OH)i 2(804)326 H2O + 6 H2O)

214 Le s cendres volantes

Les cendres volante s (voi r figure 24) on t eacutet eacute fournie s pa r le s cimenteries St-Lauren t Inc (Longueuil Queacutebec Canada)

46

Figure 24 Phot o des cendres volantes

Les particule s d e cendre s volante s son t l a plupar t d u temp s spheacuterique s avec un e surfac e

speacutecifique d e 25 0 agrave 60 0 m kg Les cendre s volante s d e class e C on t u n p H d e 1 2 e t un e

masse volumiqu e d e 234 0 kgm ^ (Biemack i et al 2007) L a compositio n chimiqu e de s

cendres volantes es t deacutecrite au tableau 16

Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestrer jusquagrave 2 6 kg de CO2 (Montes-Hemandez

2009)

En geacuteneacuteral le s phase s mineacuterale s preacutesentes (Biemack i et al 2007 ) dan s cendre s volante s

sont l e quartz (Si02) l a mullite (3AI2O 3 JE 2Si02) l a plagioclase (Na Ca (Si Al) 40raquo) l a

gehlenite (Ca2A l [AlSiO]) lanhydrit e (CaS04) lheacutematit e (Fe203) Fhalit e (NaCl) l a

sylvinite (KCl) et la calcite (CaC03)

47

22 Meacutethode s expeacuterimentale s

221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacute s

La compositio n chimiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s (scorie s e t boue s rouges ) a eacutet eacute eacutevalueacute e pa r

fluorescence agrave rayon X agrave laid e du n spectromegravetr e Philip s PW2400 Ell e a permis lanalys e

quantitative de s principaux composant s tels que 1 e CaO le FeO et le MgO Ces mesures ont

eacuteteacute reacutealiseacutee s e n triplicat a su r de s eacutechantillon s d e diffeacuterent s lot s de s mateacuteriau x cibleacute s e t

utiliseacutees pour lensemble de s expeacuterimentations

222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductivit eacute

Le p H e t l a conductivit eacute de s meacutelange s lixivieacute s on t eacutet eacute mesureacute s selo n le s meacutethode s

respectives normaliseacutee s 4500-H^- B e t 2510- B (APHA 1989 ) ave c l e pH-megravetr e numeacuteriqu e

PHM 250 ION Analyser ains i que le conductimegravetre numeacuteriqu e CD M Conductivit y Mete r de

la compagni e MaterLab^^ Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute on t eacutet eacute mesureacutee s pou r

chacun des mateacuteriaux cibleacutes avant et apregraves la carbonatation ains i que sur tous les eacutechantillon s

preacutelixivieacutes e t non preacutelixivieacutes filtreacutes e t non-filtreacutes L a filtration a eacuteteacute reacutealiseacute agrave laide d e filtres

Filtropur steacuterile s en aceacutetates de cellulose ayant un diamegravetre de 045 pm

223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin

Lalcaliniteacute de s mateacuteriau x a eacutet eacute mesureacute e agrave laid e d u fitreur automatiqu e TIM86 5 Titrafio n

manager e t d u logicie l Titramaste r 85V130 L e titrag e a eacutet eacute effectu eacute ave c d e lacid e

chlorhydrique (HCl ) 1 N Afi n deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestrafio n de s hui t mateacuteriau x

testeacutes le s reacuteserve s alcaline s de s matrice s on t eacutet eacute mesureacutee s dan s de s eacutechantillon s ayan t de s

granulomeacutetries industrielles Le s eacutechantillons contenaien t 1 0 g de mateacuteriaux cibleacute s e t 20 mL

deau deacuteioniseacute e e t ont eacuteteacute agiteacutes agrave 20degC et 200 rpm et titreacutes par titrage automatique ave c HCl

IN L e bu t d e lactivit eacute eacutetai t deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestratio n de s mateacuteriau x cibleacute s e n

partant de leurs pH naturel jusqu agrave pH 8 3 soi t le pH limite de formafion de s carbonates

48

224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en cuveacutee

Des essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute reacutealiseacute s ave c le s hui t reacutesidu s alcalin s cibleacutes Le s capaciteacute s

dabsorption de s mateacuteriau x choisi s on t eacutet eacute deacutetermineacutee s pa r l e barbotag e d u CO 2 (15 e n

volume CO2N2 ) e n fonctio n d e temp s donneacute s d e reacuteactio n 24 e t 4 8 heures L e choi x d u

meacutelange 1 5 e n volume CO2N 2 a eacutet eacute fai t e n tenan t compt e de s eacutemission s reacuteel s e n CO 2

quune chemin eacute dusine rejett e dan s latmosphegravere ( 8 agrave 1 5 ) Cette opeacuteration a eacuteteacute effectueacute e

dans des Erleinmeyer d e 250 mL qui contenaient 2 0 g de reacutesidu e t 200 mL deau deacuteioniseacute e agrave

20 C avec u n deacutebi t d e 5 mlmin duran t 2 4 e t 4 8 heures sou s un e agitatio n d e 20 0 rpm L e

tableau ci-dessous illustr e le s paramegravetres dexpeacuterimentation

Tableau 22 Paramegravetre s dexpeacuterimentatio n

Paramegravetres Temps

Tempeacuterature Pression

Granulomeacutetrie Volume deau distilleacute e Rapport liquidesolid e

(LS) Vitesse de rotation

Mesures 2448

Constante Atmospheacuterique

Industrielle 200 10

200

Uniteacutes Heures 20degC atm pm mL

kgkg

rpm

Le pH e t l a conductivit eacute ont eacutet eacute mesureacute s selo n le s technique s deacutecrite s preacuteceacutedemment Le s

quantiteacutes d e carbon e absorbeacutee s ont eacutet eacute mesureacutee s agrave laid e danalyseu r DC-85 A TO C d e l a

compagnie Dohrman n Divisio n C o muni dun fou r agrave combustion (800degC) dun flux conten u

doxygegravene e t du n tub e agrave catalyse contenan t d e loxyd e d e cobal t su r alumine Lanalyseu r

est eacutetalonn eacute ave c un e solutio n d e biphtalat e d e potassiu m agrave un e concentratio n e n carbon e

organique d e 200 0 mg-CL Le s concentration s e n carbon e organiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s

lixivieacutees non-lixivieacutees filtreacutees e t non-filtreacutees on t eacutet eacute mesureacutees apregrave s linjectio n d e 20-40 p L

dans le four d u TOC-megravetre

Avant linjectio n dan s l e fou r d u TOC-megravetr e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute agiteacute s ave c u n

baveau magneacutetiqu e agrave environ 50 0 trmin

49

Les concentration s e n carbon e organiqu e d e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute eacutevalueacutee s pa r l a

soustraction de s quantiteacute s d e carbon e mesureacutee s avan t e t apregrave s l a carbonatatio n d e ce s

eacutechantillons

La seacutequestratio n d u CO 2 a eacuteteacute fait e e n bouteille s d e Pyre x d e 25 0 mL Ce s dernier s eacutetaien t

ouverts agrave latmosphegravere L e CO 2 a eacuteteacute inject eacute agrave partir du n meacutelang e d e ga z de reacuteservoir e t l e

deacutebit d e ga z a eacutet eacute controcircl eacute agrave laid e du n deacutebitmegravetr e agrave flotteur e n acie r inoxydabl e d e Cole -

Pamier Instmment Co La reacutepartition uniform e d u gaz dans la boue rouge en milieu aqueux a

eacuteteacute reacutealiseacute e agrave laid e du n diffuseu r poreu x situ eacute agrave linteacuterieu r d e chaqu e fiole coniqu e (voi r

figure 2 5 et photo Annexe VIII) Les eacutechantillons ont eacuteteacute jeteacutes apregraves chaque analyse

Deux types dessais on t eacuteteacute conduits

bull essai s de barbotage preacutelixivieacute s pour lesquels le s eacutechantillons ont eacuteteacute lixivieacutes pendant 24 h

et 48h puis barbotes avec le meacutelange enrich i en CO2 pour une mecircme dureacutee

bull essai s de barbotage non preacutelixivieacutes pour lesquels leacutetape d e lixiviation a eacuteteacute supprimeacutee

Il fau t note r qu e pou r le s deu x temp s dadsorptio n d u CO 2 le s eacutechanfillon s utiliseacute s pou r l a

seacuterie de 24 heures sont diffeacuterents d e ceux utiliseacutes pour la seacuterie de 48 heures

50

Vent to atmosphegravere

Suspension of red mud or leachate

Diffuser mdash

Ecirc3

izzi nz o o o o Shaker

^ H = ^

Flowmeter

Gas mixture reacuteservoir

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee Adopteacute de Bonenfant et al (2008 )

Capaciteacute dadsorption du CO2

La capaciteacute dadsorption (Kco2 ) du C02^ par les reacutesidus alcalins a eacuteteacute deacutetermineacutee en fonction

du rapport liquide solide (LS) agrave la fois pour des essais preacutelixivieacutes et non preacutelixivieacutes

Celle-ci est donneacutee par la formule suivante

^ TOGeacuteiunJ(ppmQ - TOQireacuteppmQ) M(CCh)I MQ KC02 (g COicirclOOg de reacutesidu) = a bull

1000 (21)

ougrave M(C02) et M(C) sont respectivement les masses molaires (gmol) de CO2 et de C

Et a es t un facteur de conversion qui se calcule comme suit

a 100

ms(g) ms( 2)

( ^ ^ +200mL)000mLL) ps(glmL)

ms masse de reacutesidus utiliseacute dans lessai en g

ps masse volumique du reacutesidu alcalin en gcm^

51

225 Meacutethode s e t appareillages analytique s

Le tableau 2 3 reacutesum e le s meacutethodes e t les appareillages utiliseacute s pour le s diffeacuterentes analyse s

qui ont eacuteteacute reacutealiseacutees au cours de la preacutesente eacutetude

Tableau 23 Meacutethodes et appareillages analytique s appliqueacutee s

Type danalyse

pH

Conductiviteacute

Alcaliniteacute

Ca Na K Mg Fe

Carbone organiqu e

Meacutethodes danalys e

4500-H+-B PHM APHA 198 9

2510-B APHA 198 9

2320B APHA 198 9

3500 APHA 198 9

APHA 198 9

Appareillage

pH-megravetre 250 Ion Analyser

(MeterLabiM) Conductimegravetres numeacuteriqu e CDM Conductivity Mete r

(MeterLabiumlM) TIM865 Titration manage r + logiciel Titramaste r 8 5

V130 ICP-AES-IRIS ADVANTAGE

THERMOELECTRIQUE 2000

Analyseur DC-85 A TO C Dohrmann Divisio n Co

Apollo 9000 TOC Combustion Analyze r de

la compagnie Dohrmann Divisio n Co

CHAPITRE 3

RESULTATS ET DISCUSSION S

Les reacutesultat s obtenu s suite s au x essai s reacutealiseacute s seron t preacutesenteacute s e t discuteacute s dan s c e chapitre

Afin d e seacutelectionne r le s troi s reacutesidu s alcalin s ayan t le s meilleur s potentiel s d e seacutequestratio n

du CO2 des essais de seacutequestration d u CO2 de 24 et 48 heures ont eacutet eacute reacutealiseacutes Pour ce faire

les reacutesultats de leacutevolution d u pH de la conductiviteacute du potentie l d e seacutequestration d u CO2 et

du pouvoi r alcali n seron t preacutesenteacutes Enfin le s reacutesultat s de s essai s d e l a cineacutetiqu e d e

ladsorpfion d u CO 2 reacutealiseacute s ave c l e mateacuteria u ayan t deacutemontr eacute l e meilleu r potentie l d e

seacutequestration seron t discuteacutes

31 Evolutio n du pH et de la conductivit eacute

311 Essai s d e 4 8 heures

La figur e 3 1 illustr e l a variation d u pH des huit reacutesidu s apregrave s 48 heures d e seacutequestratio n d e

CO2 L e graphiqu e deacutemontr e clairemen t qu e tou s le s reacutesidu s on t sub i de s baisse s

remarquables d e p H apregrave s 4 8 heure s dadsorptio n d e CO2 Le s p H initiau x (voi r tablea u

31) de s troi s scorie s varien t d e 11 2 agrave 11 9 e t il s on t baisseacute s d e preacute s d e 6 uniteacute s pou r

atteindre l a valeu r d e 7 2 pou r le s scorie s S3 La figur e 3 1 deacutemontr e qui l y a tregraves pe u d e

variation d e p H entr e le s deu x valeur s extrecircme s d u p H conceman t le s deu x type s d e boue s

testeacutees En effet l a variation du pH concemant le s boues rouges humides preacutelixivieacutee s e t non

preacutelixivieacutes ne deacutepasse pas les deux uniteacutes Dans le cas des boues rouges segraveches (preacutelixivieacutes e t

non preacutelixivieacutes) la diffeacuterenc e es t moindr e soi t 1 5 uniteacutes E n revanche l a diminufio n de s

valeurs d u p H pa r rappor t agrave l a valeu r d u p H initia l es t remarquabl e du 12 6 agrave 72 Le s

poussiegraveres d e fours C l e t C2 ont obtenu le s plus fortes baisse s de pH dan s leur s formes non -

filtreacutees Toutefois seulemen t l e C 2 preacutelixivieacutee s e t non-filtr eacute a subi e un e baiss e d e p H

infeacuterieur agrave 70 soi t pregraves de 68 uniteacutes

53

Il fau t souligne r qu e le s diffeacuterence s d e p H entr e le s quatr e eacutechantillon s d e C l son t minime s

soit 0 1 unit eacute contrairemen t agrave celle s d e C 2 qu i son t di x foi s plu s grande s soi t un e uniteacute E n

revanche tous le s eacutechantillons de s cendres volantes F subis des baisse s remarquable s d e pH

variant de 66 agrave 68 uniteacutes

Ces reacutesultat s prouven t qu e l a lixiviation e n geacuteneacuteral jou e u n rocircl e minim e su r l e p H pe u

importe l e reacutesid u utiliseacute Toutefois le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s

meacutetallique tell s qu e Ca Mg Al Fe ^ selon Bonenfan t (2008) Ce son t ce s ions e t leur s

oxydes respectifs qu i assurent le pH et les conductiviteacutes eacuteleveacute s des reacutesidus cibleacutes

Tableau 31 Le s valeurs des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouge s humides (Bl )

Boues rouges segraveche s (B2)

Scories SAE (SI ) Scories FP (S2) Scories HF (S3)

CKD St-Lauren t C l CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

pH

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

115

115

115 116 118 126

-

-

48 heures

126

121

116 118 116 127 125

95

Non-filtreacute 24

heures 117

116

119 116 119 130

-

-

48 heures

126

121

119 119 117 127 127

92

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

121

120

112 114 115 128 125

88

Non-filtreacute -

124

122

115 124 117 128 126

89

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute (figur e 32) s i on compare ce s reacutesultats avec ceux d u

pH on peut constate r qui l exist e un lie u direct entr e leacutevolutio n d u pH e t leacutevolutio n d e la

conductiviteacute plu s le s valeur s d e p H augmentent plu s le s valeur s d e l a conductivit eacute

augmentent aussi Cett e relatio n peu t sexplique r pa r un e teneur plu s eacutelev eacute de s meacutetau x dan s

la solution surtou t dans les solutions de CKD

54

B1 B 2 S I 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

C2

Figure 31 Eacutevolution du pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutees ( bull ) non filtreacutes (o ) lors des essais de 48 heures

Il est coimu quen geacuteneacuteral les ions meacutetalliques en solution tels que Ca Mg Na^ forment

des eacutelectrolyte s beaucou p plu s puissant s qu e ceu x de s non-meacutetau x dougrave le s valeur s plu s

eacuteleveacutees de conductiviteacute des CKD (Cl) Toutefois s i on compare les valeurs de conductiviteacutes

initiales reacutesumeacutees au tableau 32 des scories FAEacute HF et les cendres volantes F on remarque

que contrairemen t au x autre s reacutesidus leur s valeur s d e conductivit eacute apregrave s 4 8 heure s d e

carbonatation ont augmenteacutes Ces reacutesultats corroborent ceux obtenus par Bonenfan t (2008)

Bonenfant expliqu e cet eacutecart par la preacutesence des oxydes amphotegraveres dans la solution tels que

lAl203 qu i diminuen t substanfiellemen t leur s influence s su r l e p H de s mateacuteriau x cibleacute s

comparafivement agrave ceux des oxydes fortement basique s tels que les oxydes de calcium et de

sodium

55

Tableau 3 2 Les valeurs des conductiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories SA E

(SI) Scories FP (S2) Scories HF (S3 ) CKD St-Lauren t

Cl CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

Conductiviteacute e n mS

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

58

43

05

69 11

243

-

-

48 heures

72

44

03

77 18

187

69

18

Non-filtreacute 24

heures 63

47

06

66 15

262

-

-

48 heure s

78

49

07

71 19

251

85

16

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

59

44

06

59 10

208

92

14

Non-filtreacute -

62

45

07

61 14

172

100

14

En revanche l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s daluminiu m dan s le s lixiviat s de s boue s

rouges e t des scorie s FA Eacute es t susceptibl e decirctre en partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees d e

conductiviteacute d e ce s troi s solution s selo n Bonenfan t (2008) I l es t inteacuteressan t d e constate r

encore un e foi s qu e l a preacutelixiviation comm e dan s l e cas d u pH a tregraves pe u dincidenc e su r

leacutevolution d e l a conductiviteacute E n fait i l nexist e aucun e diffeacuterenc e significafiv e d e

conductiviteacute entre le s reacutesidus preacutelixivieacutes et non-preacutelixivieacutes comme le deacutemontre l a figure 32

56

21

co18

bull^12

bullB 9 o ^ 6 O O 3

B1 8 2 81 82 8 3 C 1 C 2

Types de reacutesidus

Figure 32 Eacutevolution de la conductiviteacute des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) no n filtreacutes (bull) etnon-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull) no n filtreacutes (0) lors des essais de 48 heures

312 Essai s de 24 heures

Tel quexpliqu eacute preacuteceacutedemment le s essai s d e seacutequestratio n d u CO 2 d e 2 4 heure s on t eacutet eacute

reacutealiseacutes dans le but de deacutecouvrir sil existai t une diffeacuterence significativ e entr e les deux temps

de seacutequestratio n d u d e CO 2 eacutetudieacutes 24 e t 4 8 heures Pou r c e faire le s reacutesidu s qu i on t

obtenus le s meilleurs reacutesultat s de seacutequestration du CO2 lors des essais de 48 heures ont eacuteteacute

soumis agrave des tests de seacutequestration de 24 heures Ces reacutesidus sont le s boues rouges (humides

et segraveches) les scories (FAEacute FP HF) et les CKD St Laurent

La figure 33 illustre les reacutesultats de leacutevolution du pH apregraves 24 heures de barbotage de CO2

On remarque que les valeurs de pH des Bl B2 SI S3 et Cl son t tregraves semblables Ils varient

de 69 (Cl preacutelixivi eacute filtreacute) agrave 82 imiteacutes (SI non - preacutelixivi eacute filtreacute)

57

12 n

m lU

0

4

2

0

i I -i IM i i [ML 1

i I I Lli 1

m 1 i I m 1

i i i ji I

n 1 i Lli -] B1 8 2 8 1 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

Figure 3 3 Eacutevolutio n d u pH de s si x reacutesidu s preacutelixivieacute s filtreacutes (D) no n filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes (bull) no n filtreacutes (s ) lors des essais de 24 heures

Les scories S2 se deacutemarquent par leurs valeurs de pH eacuteleveacutees soient de 93 (preacutelixivieacute filtreacute)

agrave 100 4 (non-preacutelixivieacute non-filtreacute) Ce s reacutesultat s deacutemontren t qu e le s scorie s S 2 relacircchen t

plus difficilemen t le s ion s meacutetalliques qu e l e reste de s reacutesidus alcalins Rappelon s qu e le s

CKD (Cl ) on t obten u le s plu s forte s baisse s d e p H pa r rappor t au x valeur s avan t l a

carbonisation soi t plu s d e 6 uniteacutes Toutefois le s diffeacuterence s d e p H entr e le s eacutechantillon s

preacutelixivieacute e t non-preacutelixivi eacute son t moin s significative s soien t d e 0 1 agrave 1 uniteacute Ce s reacutesultat s

deacutemontrent encore une fois qu e la preacutelixiviation a peu dincidence sur leacutevolution du pH

Quant agrave leacutevolution d e la conductiviteacute l a figure 3 4 permet d e constater qu e le s valeurs de

conductiviteacute obtenues sont tregraves semblables avec celles obtenues lors les essais de 48 heures

car les meacutecanismes qui reacutegissen t la libeacuterafion des ions meacutetalliques sont identiques

58

30

lto25 E S 20

gt 15 o = 10

B1 62 81 8 2

Types de reacutesidus

83 CI

Figure 34 Eacutevolution de la conductiviteacute des six reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull ) non filtreacutes (3) lors des essais de 24 heures

32 Deacuteterminatio n du pouvoir alcalin

Les reacutesultats de s essai s d e titrage reacutealiseacute s avec le s hui t reacutesidu s (voi r le s reacutesultat s complet s

Armexe VI ) son t illustreacute s respectivemen t pa r le s figure s 3 5 agrave 37 Le s reacuteserve s alcaline s

calculeacutees agrave parti r d e ce s figure s son t reacutesumeacute s dan s l e tablea u 33 Ce s reacutesultat s indiquen t

clairement qu e le s quantiteacutes dacide chlorhydriqu e (acide fort ) neacutecessaire s pour atteindre le

pH 8 3 (p H d e saturatio n e n CaC0 3 dun e solutio n agrave leacutequilibr e e t agrave l a pressio n

atmospheacuterique) son t d e 8 agrave 1 1 foi s plu s eacuteleveacutee s dan s l e ca s de s scorie s dacieacuterie s

comparativement au x boues rouges de 2 agrave 27 fois plus eacuteleveacutees que les CKD et jusqu agrave 38

fois plus eacuteleveacutees que les cendres volantes Les cendres volantes ont un pouvoir alcali n tregraves

faible seulement 2 mL de HCl on suffit pou r baisser le pH initial en-dessous de 5 uniteacutes Les

CKD preacutesentent des pouvoirs tampons les plus eacuteleveacutes parmi les reacutesidus alcalins suivis par les

scories HF et FP

59

Tableau 33 Reacuteserves alcalines des huit reacutesidus

Type de reacutesidu

Boues rouges humides ( B 1 ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FAE (SI ) Scories FP (S2 ) Scories HF (S3 ) CKD (Cl ) CKD (C2 ) Cendres volantes (F )

pH

83

Reacuteserve alcaline (mole de HCIkg de reacutesidu)

038 04 31 39 43 14 16

012

En revanche le s boue s rouge s on t u n pouvoi r tampo n beaucou p plu s faibl e compar eacute au x

autres reacutesidus mentionneacutes ci-dessus mais plus eacuteleveacute que les cendres volantes Les particules

solides contribuent pou r 7 6 du pouvoir neutralisant de s boues rouges e t l a phase liquide

pour 24 constate Bonenfant et al (2008)

14 1

12

10 -

8 -

6 -

4 -

2 -

n -u 1

(

icirc-~~-icircraquo^^

1

) 1 0

bull ^

1 1 1

20 3 0 4 0

HCIlNenml

V

I

50

1

60

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FA E (bull) FP (bull) e t HF (0) en fonction du volume dacide ajouteacute

60

Figure 36 Courbes d e titrage des CKD Cl (bull ) e t C2 (bull) e n fonctio n du volume dacide ajouteacute

16-

14 A

pH

00 O

to

1 1 1

r-1

6 -

4 -

2 -n -

4P

^ ^HU

u T 1

0 1 0

Vp-

^9laquo^--f^-^^

20 3 0 4 0

H C I l N e n m l 50

Figure 37 Courbes de titrage des boues rouges segraveches (D ) et humides (bull) en fonction d u volume dacide ajouteacute

61

Ces reacutesultats indiquen t qu e les scories dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute de neutralisation plu s

eacuteleveacutee qu e tou s le s autre s reacutesidus D e plus le s scorie s H F son t le s plu s reacuteactive s ave c un e

reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en solution aqueus e

Cette eacutetap e d e la preacutesent e eacutetud e a consist eacute agrave mesure r le s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 en

solution pa r le s hui t reacutesidu s alcalins Lobjecfi f principa l d e cett e eacutetap e eacutetai t deacutevalue r l a

variation d u potentie l d e seacutequestratio n pa r le s matrice s de s reacutesidu s e t d e leur s lixiviat s

pendant 2 4 e t 4 8 heure s afi n d e seacutelectionne r le s reacutesidu s ayan t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration Cett e eacutetap e visai t eacutegalemen t agrave deacutetermine r si l exist e un e diffeacuterenc e

significative de s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s entr e le s deu x temp s d e

seacutequestration Enfin leacutetud e d e l a cineacutetiqu e d e seacutequestratio n pa r l e reacutesid u alcali n ayan t

obtenu l e meilleur rendemen t dadsorptio n d u CO2 lors les deux seacuterie s dessais a pour bu t de

mieux comprendre c e processus

331 Essai s de 4 8 heures

Les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit reacutesidus sont repreacutesenteacutes agrave la figure 38 Le CO2

injecteacute agrave deacutebi t constan t s e transform e e n phas e aqueuse c e qu i impliqu e un e baiss e d e p H

mais auss i un e adsorptio n d e CO2 Il s deacutemontren t qu e le s scorie s H F e t F P obtiennen t le s

meilleures reacutesultat s (voi r le s reacutesultats complet s Annex e IV ) dadsorpfion d u CO2 suivies pa r

les CKD d e type C l e t C2 Les de boues rouges humides (Bl ) e t segraveche s (B2 ) preacutesentent de s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 beaucoup moin s importante s mais plu s importante s qu e

les cendres volantes (F) La figure 38A indiqu e les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit

reacutesidus non-preacutelixivieacutes O n remarqu e qu e le s eacutechantillon s non-filtreacutee s (matrice s + lixiviats )

des scorie s S 2 e t S 3 obfiennen t le s meilleurs reacutesultat s dadsorpfio n d u CO 2 soien t 008 3 e t

0084 g de C02g de reacutesidu suivies par les Cl qu i preacutesente des capaciteacutes dadsorption d e 008

g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

62

Bl B2 S I 8 2 S 3 C I 0 2

Types de reacutesidus

15 07|

F

81 82 S I S 2 S 3 C I C 2

Types de reacutesidus

1214

Ll F

Figure 38 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 8 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes (D ) e t non- filtreacutes (bull ) lor s des essais de 4 8 heures

63

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s segraveche s e t humide s non-filtreacutee s offren t de s rendement s

infeacuterieurs agrave 60 compareacutes agrave ceux de s scories S 2 et S3 Les cendres volante s offre s le s plus

faibles reacutesultat s dadsorption soi t 0015 g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

Si o n compar e le s graphique s A e t B o n remarqu e qu e l a lixiviatio n a e u de s impact s

diffeacuterents su r le s hui t reacutesidu s testeacutes Le s boue s rouge s humide s e t segraveche s e t le s cendre s

volantes ont eacutet eacute plus sensibles agrave la lixiviation e n deacutemontrant de s reacutesultat s presqu e identique s

dadsorpfion d u CO2 L a figur e 48 B illustr e u n autr e fai t inteacuteressant Le s meacutelange s

(matrices+ lixiviats ) de s scorie s S 2 e t de s poussiegraveres d e fou r de s cimenterie s C 2 offren t de s

meilleurs tau x dadsorptio n d u CO 2 que le s lixiviat s seuls C e reacutesulta t peu t sexplique r pa r

tme preacutesence plus eacuteleveacutee des ions meacutetalliques dans les matrices que dans la solution

Les scorie s F P ont u n pouvoi r d e seacutequestratio n d u CO 2 qui peu t atteindr e 010 7 g de C02 g

de scorie s soi t l e tripl e d u pouvoi r de s boue s rouges C e hau t nivea u dadsorpfio n peu t

sexpliquer pa r l a teneur eacuteleveacute e en CaO jusquagrave 31 7 de Si0 2 (91) e t MgO (6 ) selo n

Huijgen et al (2005) Ce s oxyde s on t l a proprieacutet eacute d e reacuteagi r facilemen t ave c l e CO 2 e t d e

former de s carbonates stables

332 Essai s de 2 4 heure s

La figure 3 9 illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 apregraves 2 4 heure s d e carbonatatio n pa r

les si x reacutesidu s seacutelectionneacute s (voi r le s reacutesultat s complet s Armex e V) Lallur e geacuteneacuteral e de s

graphiques de la figure 39 sapparent e agrave celle de la figure 38 Comme dans l e cas des essai s

de 4 8 heures le s scorie s S2 S 3 e t le s CK D typ e C l no n - preacutelixivieacute s offren t le s meilleur s

reacutesultats dadsorptio n d u CO2 Les boues rouge s segraveche s (non-filtreacutes ) preacutesente s de s capaciteacute s

dadsorption d u CO2 20 supeacuterieures agrave celles humides e t 45 infeacuterieure s au x scorie s S3

La figure 39 A illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 par le s si x eacutechantillon s preacutelixivieacute s

pendant 2 4 heures

64

CM O O agt

O)

O)

O)

o 0)

laquo - s = ltr t

O) I -V)

laquoM O O 0)

bullo o

7 4gt

bull O

O) o o mdash lt1) -gt (A 0) 3

(A

(A 3

bull O

res

h

5 ^

4

3 18

A

29

6

5

4

3

2

1

0

B

35

65

36

81 8 2 S 1 S 2 S 3

Types de reacutesidus

Bl B 2 8 1 8 2 8 3

Types de reacutesidu s

CI

CI

Figure 3 9 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 6 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacute s (B ) filtreacutes (D ) e t non - filtreacutes (bull ) lor s de s essai s d e 24 heures

65

La preacutelixiviatio n sembl e davoi r u n impact e positi f su r ladsorptio n d u CO 2 pa r le s troi s

types de scories et les boues rouges humides non-filtreacutes

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s humide s ont augment eacute respectivemen t leu r pouvoi r

dadsorpfion d e CO 2 d e 5 2 e t d e 27 pa r rappor t au x eacutechantillon s non-preacutelixivieacutes Le s

faibles reacutesultat s dadsorption d u CO2 par les eacutechantillons preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes

deacutemontrent qu e le s carbonates s e trouvent majoritairemen t dan s le s matrices e t non dan s le s

lixiviats

La comparaison de s reacutesultats obtenus de la seacutequestration d u C02 lor s des deux seacuterie s de tests

permet d e constate r qu e le s diffeacuterence s d e gain s son t tregrave s diffeacuterentes Le s plu s grande s

diffeacuterences d e gain s son t enregistreacutee s pa r le s scories S 3 e t S 2 respectivement lor s des essai s

de 2 4 e t 4 8 heures D e plus le s scorie s S 2 obtiennen t le s plu s haut s gain s sou s leu r form e

preacutelixivieacutee contrairemen t au x scorie s S 3 qu i obtiennen t le s meilleur s reacutesultat s sou s leu r

forme non-preacutelixivieacutee D e ce fait o n peut conclur e qu e l a carbonatation peu t ecirctr e influenceacute e

par l e temps d e preacutelixiviation de s oxydes meacutetallique s s i la preacutelixiviation es t supeacuterieur e agrave 24

heures

34 Cineacutetiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP

Leacutetude de s potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 par le s hui t reacutesidu s testeacute s a releveacute qu e le s

scories F P (S2 ) offren t l e meilleu r potentie l d e seacutequestration D e c e fait i l import e don c

deacutetudier l a cineacutefique dadsorpfio n d u CO2 par ce reacutesidu alcalin afi n d e mieux comprendr e c e

processus L e choi x de s scorie s non-preacutelixivieacutee s s e justifi e pa r leur s rendement s d e

seacutequestrafion d u CO 2 qui son t plu s eacuteleveacutes par rappor t agrave celles preacutelixivieacutees Pou r c e faire le s

reacutesultats d e leacutevolutio n d u pH de conducfiviteacute e t de ladsorpfio n d u CO 2 seront preacutesenteacute s e t

analyseacutes

66

Les figures 31 0 e t 311 illustrent leacutevolutio n d u pH et de la conducfiviteacute de s scories F P non-

preacutelixivieacutees apregrave s 8 heures de carbonatation (voi r le s reacutesultats comple t agrave F Armexe VII) Huit

mesures de s valeur s d e pH e t conductiviteacute ont eacutet eacute reacutealiseacutees soi t apregrave s 0 25 5 10 20 60

120 et 480 minutes

1 12 bull

11 -

X ^ 10 -

9-

8-

7 1

^ ^ _

^ ^ ^ N gt N L

1 1

l 1 0 10 0 Temps d e barbotage a u C02 (e n min)

1

1000

Figure 31 0 Eacutevolutio n d u p H de s scorie s F P filtreacutees (bull) no n filtreacutees (D) e n fonction d u temps de barbotage au CO2

Le pH et l a conductiviteacute son t lieacute s par les mecircmes meacutecanismes soi t ceu x d e libeacuteration de s ion s

meacutetalliques d e calciu m e t d e magneacutesiu m dan s l a solufio n pa r le s particule s solide s degrave s l e

deacutebut d e l a reacuteaction Le s baisse s de s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute sexpliquen t pa r l a

reacuteaction de s ion s meacutetallique s ave c l e CO 2 qu i es t transform eacute preacutealablemen t e n acid e

carbonique e t l a formation de s carbonates Le s ions e t le s oxydes amphotegravere s reacuteagissen t pe u

dans l a solufio n e t d e c e fait il s ont pe u dimpac t su r l e p H e t l a conducfiviteacute Ces t

seulement apregrave s les dix premiegraveres minutes quon observ e une baisse significative de s valeur s

de pH et de conductiviteacute

67

Ce consta t es t e n accord ave c le s reacutesultats obtenu s pa r Hujge n et al (2006 ) e t Bonenfan t et

al (2008) Mecircm e s i ces auteur s ont travaill eacute ave c de s scorie s ayan t un e granulomeacutetri e plu s

fine (38-16 0 pm) le s preacutesent s travau x conduisen t agrave l a mecircm e conclusio n queu x le s ion s

meacutetalliques s e libegraveren t de s matrice s degrave s l e deacutebut d u processus d e carbonatatio n soi t entr e l e

deuxiegraveme e t l a dixiegravem e minute Selo n ce s auteurs l a concentratio n d e calciu m augment e

presque lineacuteairemen t agrave laugmentatio n d u temp s d e reacuteaction jusquagrave enviro n 1 0 min Apregrave s

cela l a concentratio n nivegravel e o u diminue L a sursaturatio n a e u lie u parc e qu e l e tau x d e

deacutepocirct d e carbonat e d e calciu m agrave parti r d e l a solutio n eacutetai t beaucou p plu s len t qu e l e tau x

dextraction de s ions calcium agrave partir des deacutechets de ciment (lizuk a et al 2004)

CZ5

3 -a S O

6

5

^ 4

f 3 2

1

0 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee de barbotage d u CO2 (en min) 481

Figure 31 1 Eacutevolutio n d e l a conductivit eacute de s scorie s F P non -preacutelixivieacutees filtreacutees (D ) et no n filtreacutes (bull ) e n fonctio n du temp s d e barbotage a u CO2

Le CO 2 reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates C e reacutesulta t c e confirm e auss i pa r le s figures 31 2 e t 31 3 qu i illustren t

leacutevolution d u potentiel de seacutequestration d u CO2 en fonction d u temps

68

lt3gt bull O

(SX)

C l U agt bull -

S cr

O

8

7

6

5

4

3

2

1

0 D-

1 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee d e barbotag e du CO2 (en min)

481

Figure 31 2 Eacutevolutio n d u pouvoi r d e seacutequestratio n du carbon e de s scories F P non-preacutelixivieacutee s filtreacutees (D) non-filtreacutee s (bull ) e n fonctio n du temps de barbotage au CO2

On remarqu e qu e le s quantiteacute s d e CO 2 adsorbeacutes le s plu s eacuteleveacute s son t attein t apregrave s 8 heure s

soit 7 4 g de CO2100g de scorie s F P mais cest entr e l a deuxiegraveme e t dixiegraveme minut e quo n

observe qu e l a vitess e d e seacutequestrafio n es t plu s eacuteleveacute e (figur e 313) Te l qu e expliqu eacute

preacuteceacutedemment dan s cett e eacutetude c e son t le s matrice s qu i offren t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 A l a diffeacuterenc e de s temp s d e seacutequestratio n d e 2 4 e t 4 8 heures i l

semble que le temps de huit heures est trop court pour que le s solutions filtreacutees reccediloiven t de s

quanfiteacutes suffisante s dion s meacutetallique s pour seacutequestrer l e CO2 agrave des quantiteacutes notables

69

006 bull ] u a M 00 5 -0 - p u E

I 3 E 00 4 bull Tl -v

1 C ^ ^ 9 CL 003 bull

bullJ L L

i 0 iuml 0 0 -XI 0

i Q O i = 0 oo i bull 1 0 1 o i ( A mdash icirc l l

icirc s 0 gt

1 i

^

25 5 10 2 0 6 0

Temps en min

120 48 0

Figure 31 3 L a vitess e dadsorptio n d u CO 2 e n fonctio n d u temp s par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes (n) et non filtreacutes (bull)

Synthegravese

Les capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 ont eacutet eacute eacutetudieacutees pou r hui t reacutesidu s alcalin s soi t le s boue s

rouges humide s e t segraveches le s scorie s FP FOP FAEacute le s CK D ( 2 types ) e t le s cendre s

volantes Le s essai s de carbonatation direct e e t indirecte on t eacutet eacute effectueacutes e n cuveacutee agrave un flux

gazeux d e 1 5 d e CO 2 e t 8 5 d e N 2 pendan t 4 8 heure s e t ont permi s d e tire r le s

conclusions suivantes

Les valeur s d e p H de s scorie s e t de s boue s rouge s e t de s CK D son t tregrave s semblable s soi t

leacutegegraverement au-dessu s d e 7 (preacutelixivieacutees e t non-preacutelixivieacutees) Seulemen t le s cendres volante s

ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7 En ce qui concerne l a conductiviteacute

on peu t firer le s mecircme s conclusion s qu e l a variafio n d u p H agrave lexcepfio n de s CK D qu i

obtiennent de s valeur s d e conductivit eacute quatr e foi s supeacuterieure s qu e le s autre s reacutesidus Cett e

diffeacuterence peu t ecirctr e occasionneacute e pa r un e meilleur e teneu r de s ion s meacutetallique s e n solutio n

dans le cas des CKD

70

Quant au x capaciteacute s de s reacutesidus agrave seacutequestrer l e CO2 trois reacutesidus s e sont deacutemarqueacute s lor s de s

deux seacuterie s d e test s les scorie s HF FP e t le s CKD Lor s le s essai s ce s reacutesidus on t obtenu s

les reacutesultats de seacutequestration d u CO2 suivants

bull Essai s de 24 heures

Scories HF (65 pp) gt scories FP (59 pp) gt CKD St-Lauren t (4 7 pp)

bull Essai s de 48 heures

Scories FP (107 pp) gt scories HF (84 pp) gt CKD St-Lauren t gt (79 pp)

Les tests sur le pouvoir alcalin des scories ont indiqueacute que les scories dacieacuterie possegraveden t un e

capaciteacute de neutralisation plu s eacuteleveacutee que tous les autres reacutesidus De plus les scories HF sont

les plus reacuteactives avec une reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

Enfin le s test s d e l a cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2 par le s scorie s F P ont deacutemontr eacute qu e l a

seacutequestration d u CO 2 s e reacutealis e plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegravere s minute s d e l a

reacuteaction

CHAPITRE 4

DISCUSSION GEacuteNEacuteRAL E

Le preacutesen t chapitr e a pou r objecti f dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s

obtenus dan s l e cadr e d e cett e eacutetude C e chapitr e compar e eacutegalemen t le s reacutesultat s obtenu s

lors de s deu x seacuterie s d e test s (2 4 e t 4 8 heures ) ave c ceu x obtenu s pa r dautre s eacutetude s

semblables De plus limpact enviroimementa l de ce proceacutedeacute sera analyseacute e t preacutesenteacute

41 Inteacutegratio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests

Les essai s reacutealiseacute s on t montr eacute qu e l e potentie l d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s

industriels alcalin s vari e e n fonctio n d e leur s caracteacuteristique s physico-chimique s telle s qu e

la teneu r e n ion s meacutetallique s tel s qu e Ca ^ e t Mg^ l e pH la granulomeacutetri e e t auss i de s

conditions expeacuterimentale s choisies L a tempeacuterature l a pression l e ratio L S e t l a vitesse d e

brassage jouent u n rocircle de premier plan sur les reacutesultats de seacutequestration d u CO2

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lor s des essai s d e 24 et 48 heures

Lobservation de s reacutesultat s d e p H e t d e conducfivit eacute obtenu s lor s de s deu x seacuterie s d e test s

deacutemontre qu e le s diffeacuterence s d e pH son t tregrave s semblable s pou r le s Bl B2 SI S3 et Cl E n

fait le s diffeacuterence s d e p H varien t entr e 0 2 agrave 0 8 uniteacute s (sau f le s CKD) tregrave s pe u s i o n

considegravere qu e l a diffeacuterence d e temps es t des deux foi s supeacuterieure s entr e l a deuxiegraveme seacuteri e de

tests Le s CK D manifestemen t conserven t leu r pouvoi r alcali n presqu e inchangeabl e apregrave s

24 heure s d e carbonatation Seulemen t le s scorie s F P (S2 ) on t subi e baiss e d e p H

significafive d e 2 agrave 25 uniteacutes entre les deux seacuteries dessais

72

Ces reacutesultat s deacutemontren t qu e tous ce s reacutesidus alcalin s ont de s excellente s reacuteserve s alcaline s

et quil s relacircchen t se s ions meacutetalliques tregrave s lentemen t dan s l a solution aqueuse Ce s reacutesultat s

sont semblable s agrave ceu x obtenu s pa r plusieur s chercheur s (Hujge n et al 2006 Bonenfan t

2008 Huntziger 2009)

Dans l e ca s de s boue s rouges le s reacutesultat s obtenu s son t e n accor d ave c ceu x obtenu s pa r

Bonenfant (2006) Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute son t plu s eacuteleveacutee s pou r le s boue s

rouges humide s qu e le s boue s rouge s segraveche s e t peuvent ecirctr e expliqueacutee s pa r un e plus grand e

faciliteacute d e libeacuteratio n de s ion s (cation s e t ion s hydroxyles ) de s boue s rouge s humide s

occasionneacutee pa r leu r dissolutio n preacutealabl e dan s l a soud e caustique comparativemen t au x

boues rouge s segraveche s qu i non t pa s subi t c e traitement Ce s reacutesultat s prouven t qu e l a

lixiviation en geacuteneacuteral joue un rocircle minime su r le pH peu import e le reacutesidu ufiliseacute Toutefois

selon Bonenfant (2008) le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s meacutetallique s

tels que Ca Mg Ap^ Fe Ce sont ces ions et leur s oxydes respectif s qu i assuren t l e pH

et le s conductiviteacutes eacuteleveacute s de s reacutesidus cibleacutes Les grandes quantiteacute s dhydroxyd e d e sodiu m

libeacutereacutees dan s le s lixiviat s de s boues rouge s peuven t eacutegalemen t ecirctr e responsable s de s valeur s

eacuteleveacutees de pH e t de conductiviteacute qu i ont eacuteteacute mesureacutees apregraves 24 et 48 heures de lixiviation E n

effet le s grande s quantiteacute s d e solution s dhydroxyd e d e sodiu m on t de s alcaliniteacute s e t

conductiviteacutes eacutelectriques eacuteleveacutees

Hujgen et al (2006 ) on t deacutemontr eacute qu e le s ion s meacutetalliqu e s e libegraveren t de s matrice s de s l e

deacutebut d u processu s d e carbonatatio n soi t entr e l e deuxiegravem e e t l a dixiegravem e minute L e CO 2

reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates

Les bou s rouge s humide s no n - preacutelixivieacutees filtreacutees e t no n filtreacutees s e deacutemarquen t pa r de s

valeurs de pH e t de conductivit eacute leacutegegraveremen t infeacuterieure s pa r rappor t au x boue s rouges segraveche s

et le s scories E n revanche selo n Bonenfant (2008) l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s

daluminium dan s le s lixiviat s de s boues rouge s e t des scorie s FA Eacute es t suscepfibl e decirctr e e n

partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees de conducfiviteacute d e ces trois solutions

73

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute le s valeurs obtenues lor s des deux seacuterie s de tests son t

tregraves semblables ca r le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t l a libeacuteratio n de s ion s meacutetallique s son t

semblables

Liu et al (2003 ) ont deacutemontr eacute qu e l e p H de s boue s rouge s augment e ave c l e temp s d u

stockage L e Ca^ ^ es t plu s facilemen t eacutechangeabl e dan s de s boue s fraicircche s qu e dan s le s

vieilles boues Ce s demiegravere s son t domineacutee s pa r le s eacutechange s d e Na^ Laluminiu m conten u

dans le s boue s rouge s es t preacutecipit eacute d e l a solutio n sou s form e d e dawsonit e NaAlC03(OH) 2

(Nikraz et al 2007)

Les cendre s volante s mecircm e s i elle s on t de s valeur s initiale s d e p H plu s ba s qu e le s autre s

reacutesidus soi t d e 88 6 agrave 895 deacutemontren t de s capaciteacute s d e carbonatatio n inteacuteressante s s i o n

tient compte d e leur faibl e teneu r de CaO Dailleurs selo n Soon g et al (2006) i l nest pa s

utile davoir u n p H tregraves bas car les carbonates se forment agrave un pH eacutega l ou supeacuterieur agrave 78

De ce fait on peut conclure que

bull i l nest peut-ecirctr e pas utile daugmenter l e temps dadsorption d u CO2 au-delagrave de 24

heures car les valeurs de pH et de conductiviteacutes varient tregraves peu

bull le s reacutesidus alcalins ont des meacutecanismes de carbonatation e t des pouvoirs tampons tregrave s

semblables

il existe un lien direct entre la variation du pH et de la conducfiviteacute

bull c e sont le s ions meacutetalliques tels que Ca ^ Mg Na^ qui deacuteterminent e n grande partie

leacutevolution d u pH et de la conductiviteacute

74

412 Limpac t du pouvoir alcalin e t de la cineacutetique de ladsorption du CO2 sur la seacutequestration d u CO2

Il est inteacuteressan t d e noter que l e pouvoir tampon de s reacutesidus s e manifeste agrave des intervalle s de

pH diffeacuterent s entre 1 0 agrave 8 pou r le s scories 8 agrave 6 pou r le s CK D e t 6 agrave 4 pou r le s boue s

rouges Ces reacutesultats son t en accord avec ceux obtenu s par Bonenfant et al (2008) Huijge n

et Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009) Ce s pouvoir s tampon s important s son t du s

probablement a u fai t qu e le s silicate s ont partiellemen t reacuteag i dan s ce s gamme s d e pH

(Baciocchi et al 2009)

Selon Bonenfant (2006) l a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n

oxydes meacutetalliques plus particuliegraverement de s oxydes meacutetalliques basiques tels que l e CaO et

le Mg O scories F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

Bonenfant et al (2008) Huijgen e t Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009 ) ont eacutetudi eacute le

rapport entr e l e pouvoi r alcali n e t l a lixiviatio n de s meacutetau x pa r ce s reacutesidus Le s test s d e

lixiviation meneacute s pa r Baciocch i e t Bonenfan t ont confirm eacute qu e l a quantit eacute de s ion s Ca^ ^

dans les scories es t plus basse agrave des pH gt 8 en raison de la formation d e calcite

Selon Hujge n et al (2005 ) le s scorie s agrave des pH varian t entr e 5 1 agrave 3 5 libegraveren t le s ion s d e

calcium qu i formen t de s silicate s e t des bicarbonates Quan t au x CKD leu r pouvoi r tampo n

eacuteleveacute empecircch e l a formatio n d e bicarbonates Pou r obteni r l a formatio n d e ce s demiegraveres i l

faut ajoute r davantag e dacide chlorhydriqu e e t augmenter l e temps de reacuteaction au-delagrave de 24

heures

Lorsque l e p H attein t un e valeu r infeacuterieur e agrave pK2 = 10 3 d u systegravem e carbonates Feacutequilibr e

se deacuteplac e dan s l e sen s favorisan t l a consommafion de s ion s bicarbonate s CO3 et l e deacutepocirc t

de l a calcit e (CaCOs ) jusqu agrave latteint e dun e limit e qu i deacutepen d d e l a teneu r d e Ca en

solution Selo n Bonenfant (2008) cette situatio n deacutefini t eacutegalemen t l a capacit eacute dadsorptio n

de CO2

75

Le M g s e mobilis e e n mecircm e temp s qu e l e Ca ^ mais se s composeacute s son t plu s soluble s qu e

ceux d u calcium Le s concentrafions d e Ca^ sont en moyenne 1 0 fois plu s eacuteleveacutees qu e cell e

du M g apregrave s 6 heure s d e lixiviatio n e t cett e libeacuteratio n d e cation s (C a ^ et M g ) s e fai t e n

parallegravele ave c laugmentatio n d u p H e t d e l a conductivit eacute d e l a solutio n (Bonenfan t et al

2006)

Les reacutesultat s de s deux seacuterie s de tests (24 et 48 heures) su r le s capaciteacutes dadsorptio n d u CO2

par ce s reacutesidu s ont deacutemontreacute s qui l es t possibl e d e seacutequestre r l e CO 2 agrave parti r d e reacutesidu s e t

sous-produits industriel s alcalin s (voi r tableau 41) Les matrices d e ces mateacuteriaux sembleacute s agrave

posseacuteder un e grand e capacit eacute d e libeacuteratio n de s cation s e t de s ion s hydroxyle s capable s d e

reacuteagir avec l e CO2 Le s cendres volantes on t enregistreacute le s plus faibles reacutesultat s dadsorptio n

du CO 2 (15 pp) e t ce agrave cause des faible s teneur s e n calcium e t magneacutesium ( lt de 1 0 )

Pourtant le s capaciteacutes theacuteoriques dun e tonn e de cendres volante s contenan t 4 1 de chaux

peuvent seacutequestre r 32 2 k g d e C02tonn e d e cendre s volante s (Montes-Hemande z et al

2009) Quan t au x CKD leur s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestratio n d u CO 2 dan s de s

conditions dexpeacuterimentatio n ambiante s son t d e lordr e d e 11 5 kgtonn e d e reacutesid u

(Huntzinger et al 2009)

Lors l a carbonatation de s CK D e t des cendres volante s lettringit e es t transform eacute e n calcite

en quart z e t e n gypse Aucu n reacutesid u nattein t le s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestrafio n d u

CO2 mecircm e apregrave s 4 8 heure s d e carbonatation Ce s reacutesultat s sexpliquen t pa r l a formatio n

dune couch e d e carbonate su r le s particules qu i colmat e le s pores e t de ce fait l a libeacuterafio n

des ion s meacutetallique s d e C a e t M g dan s l a solufio n es t compromis e (Bonenfan t et al 2008

Hujgen et al 2006)

76

Tableau 41 Reacuteserves alcalines et potentiel de seacutequestration des reacutesidus alcalins

Type de reacutesid u

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FA E

(SI) Scories FP

(S2) Scories HF

(S3) CKD (Cl) CKD (C2)

Cendres volantes

(F)

Seacutequestration d e CO2 en 24 heure s (gdeCO2100gde

reacutesidu alcalin ) 35

36

47

59

65

47

-

Seacutequestration d e CO2 en 48 heures (g de CO2100g de

reacutesidu alcalin ) 34

31

36

107

84

79

6

L5

Reacuteserve alcalin e (mole de HClkg de

reacutesidu)

038

04

31

39

43

14

16

012

Selon lizuka (2004 ) mecircm e s i le s calcul s thermodynamique s indiquen t qui l es t

theacuteoriquement possibl e d e convertir plu s de 67 du calcium conten u dan s le s deacutechets de

ciment en carbonate de calcium le taux de conversion pratique est largement deacutetermineacute e par

les facteur s cineacutetique s d e l a reacuteactio n e t l e degreacute d e l a carbonatatio n es t limit eacute agrave quelque s

millimegravetres deacutepaisseur sur la surface des particules

La formation de s silicate s es t un autr e facteu r qu i baiss e l a libeacuteration de s ion s meacutetallique s

dans la solution aqueuse Ces reacutesultats indiquent que les chutes de pH et de conductiviteacute sont

plus eacuteleveacutees dans la solution de scories FP en solution que celles observeacutee dan s la solution

des scories FAEacute des boues rouges humides et segraveches des CKD et des cendres volantes

77

Toutes le s autre s eacutetude s d e seacutequestratio n d u CO 2 ont utilis eacute soi t de s tempeacuterature s e t de s

pressions eacuteleveacutees soit des granulomeacutetries beaucoup plus petites soit tous ces facteurs reacuteuni s

ensemble (voir tableau 42)

Tableau 42 Reacutesumeacute des reacutesultats seacutequestration du CO2 obtenus par dautres eacutetudes

Type de reacutesidus

Boues rouges

Scories

CKD

Cendres volantes

3 ^ ^

Tem

peacutera

(e

ndegC

22

100

70 200

22

22

25

Conditions opeacuteratoire s

S ^ 0 u

A

19

30 3

A

A

30

^

Rat

io L

S (

10

2

05 04

10

12

10

C G

ranu

lom

(e

n pr

r

I

lt38

lt10 lt

01 38-160

I

I

0 _ T3 4 J V -

Vite

sse

bras

ag

ten

ron

300

1000

--

300

-

-

c

Tem

ps (

heur

es

24

05

2 2

24

816

18

CaO e n

de masse

55

317

48

41

Potentiel d e seacutequestr

theacuteorique du C02en kgkg 006^

025

016

003

Reacutesultat de

seacutequestr du C02e n

kgkg

0043

75 du total de Ca

002 013^

025

012^

003

1) Hujgen et al (2005) 2) Eloneva et al (2008) 3) Baciochi el al (2009) 4) Bonenfant et al (2008) 5) Khaitan (2003) 6) Huntzinger (2009) 7) Montez-Hemandez (2009) A=atmospherique I=industrielle

Les reacutesultats obtenus par ces eacutetudes deacutemontrent que dans les cas des scories dacieacuteries e t des

poussiegraveres d e fou r de s cimenteries loxyd e d e calciu m es t loxyd e meacutetalliqu e qu i leu r

confegravere leu r potentiel de seacutequestration du CO2

Dans le cas des boues rouges agrave part le calcium qui joue un rocircle significafif dan s le potentiel

de seacutequestration d u CO2 le sodium qui est libeacutereacute en quantiteacute preacutedominante peut eacutegalement

jouer un rocircle dans la seacutequestration du CO2 (Bonenfant et al 2006)

78

Il es t importan t d e note r qu e seule s le s scorie s F P on t doubl eacute leu r capacit eacute dadsorptio n d u

CO2 lors des essais de 48 heures par rapport aux essais de 24 heures

Selon l a litteacuterature l a taille de s particule s d e scorie s exerc e leffe t l e plu s significati f su r l a

reacuteaction plu s l a taill e de s particule s es t petite plu s l a reacuteactio n ave c l e CO 2 es t eacuteleveacutee L a

tempeacuterature e t l a ration L S eacuteleveacutee s jouent eacutegalemen t u n rocircle importan t su r l a dissolution d e

silicates (Baciocchi et al 2009)

En conclusion i l exist e u n lie n direc t entr e l e pouvoir alcali n e t la capaciteacute d e seacutequestratio n

du CO 2 pa r le s reacutesidu s alcalins Plu s l e pouvoi r alcali n es t eacuteleveacute plu s l a capacit eacute d e

seacutequestration d u CO2 par ces reacutesidus est eacuteleveacutee

42 Limpac t environnementa l d e la seacutequestration du CO2

Les reacutesidu s alcalin s eacutetudieacute s s e caracteacuterisen t pa r de s p H tregrave s eacuteleveacute s gracircc e agrave leur s teneur s

eacuteleveacutes dion s meacutetalliques Aucu n d e ce s reacutesidus n e deacutepassai t le s norme s environnementale s

traitant le s meacutetaux lourd s tels que le chrome le molybdegravene le mercure l e plomb etc

Bonenfant et al (2006) Huijge n et al (2005 ) e t Huntzinge r et al (2009 ) ont deacutemontr eacute

quaucun eacuteleacutemen t dangereu x n e se libegravere lor s de la lixivitaion de s reacutesidus alcalins carbonate s

tels que le s scories le s boues rouge s e t le s poussiegraveres d e four s d e cimenteries Le s eacuteleacutement s

les plu s lixivieacute s son t l e calcium e t l e sodium preacutesent s dan s le s lixiviat s de s boue s rouge s e t

des scories Laluminiu m es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quantiteacute s dan s ce s solufion s

(Bonenfant ea 2006)

En c e qu i concem e l e tau x d e libeacuterafio n de s eacuteleacutement s reacuteactif s de s scorie s FA Eacute d e

granulomeacutetrie 06 3 - 12 5 mm l a concentration d e Ca est e n moyenn e 1 0 fois plu s eacuteleveacute e

que cell e d u Mg ^ et attein t u n maximu m apregrave s 6 h d e lixiviatio n (Bonenfan t et al 2006)

Les autres meacutetaux eacutetudieacutes ne sont preacutesents quen petite s quantiteacutes agrave leacutetat d e trace ou absents

des lixiviats (Proctor et al 2000)

79

Quant au x cendre s volantes aucun e libeacuteratio n d e substance s toxique s meacutetallique s n a eacutet eacute

observeacutee apregraves 1 8 heures de lixiviafion selo n Montes-Hemandez et al (2009) La lixiviatio n

Cr nest pa s influenceacutee pa r le processus de la carbonatation san s doute agrave cause de la faibl e

solubiliteacute de Cr ^ (Baciocchi et al 2009) Agrave ce stade de leacutetude la carbonatation de s reacutesidus

alcalins n e repreacutesenterai t pa s d e dange r su r l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Quan t au x autre s

composeacutes dangereu x eacutemi s dans latmosphegraver e tel s que l e SO2 lesNOx le s fluomres (gazeus e

et particulaire) les dioxines etc i l nexiste pas de donneacutees significatives su r la question

43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins perspective s de lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e

Les reacutesultat s expeacuterimentau x d e l a seacutequestration mineacuteral e d u CO 2 indiquent qui l es t possibl e

dabaisser le s eacutemission s d e c e ga z pa r le s troi s industrie s concemeacutees Toutefois i l fau t

analyser ce s reacutesultat s dan s un e perspectiv e d e deacuteveloppemen t durabl e afi n d e mieu x

comprendre limpac t d e cett e technologi e su r lenvironnement leacuteconomie le s insfitution s

politiques et la socieacuteteacute

Le tablea u 4 3 es t l a suit e d u tablea u d e l a pag e deu x d u preacutesen t travai l e t i l illustr e le s

eacutemissions d u CO 2 par le s troi s industries le s rendements d e l a seacutequestratio n mineacuteral e e t le s

calculs de s reacuteductions de s eacutemission s d u CO2 si cette technologie serai t appliqueacute e agrave leacutechell e

industrielle Dan s l e tablea u 43 le s reacuteduction s calculeacutee s de s eacutemission s d u CO 2 pa r l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s alcalin s de s troi s industrie s son t asse z modeste s s i o n

considegravere qu e le s eacutemission s d e c e ga z eacutemise s pa r le s activiteacute s humaine s seacutelegraveven t agrave 3 8 G t

(GIEC 2007) Toutefois s i o n considegraver e qu e le s troi s industrie s eacutemetten t 1 6 de s

eacutemissions totale s de s acfiviteacute s industrielles le s reacuteduction s de s eacutemission s d u CO 2 proposeacute s

par cette technologie semblen t non-neacutegligeables

80

Tableau 43 Reacutesumeacute des eacutemissions par les trois industries et les baisses respectives de leurs eacutemissions suit e agrave la seacutequestration d u CO2 par leurs reacutesidus alcalin s

Type dindustrie

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Emissions duC02 (en Gt)

015

17

18

Quantiteacutes d e reacutesidus

alcalins (en Mt)

90

350-420

480

Pouvoir de seacutequestration mineacuteral e des reacutesidus industriel s alcalins ( t de C02t de

reacutesidu)

0032

0073

0016

Reacuteduction de s eacutemissions d e

CO2 (en Gt)

00003

0026-003

008

Limplantation d e cett e technologi e agrave leacutechell e industriell e demand e un e eacutetud e eacuteconomiqu e

approfondie Pou r c e faire i l fau t tou t dabor d deacutetermine r le s paramegravetres optimum s d e cett e

technologie tel s que l a dureacutee d e l a seacutequestration l a pression e t la granulomeacutetri e agrave utiliser I l

faut entr e autres teni r compt e d e lintervall e d e production de s quantiteacutes d u typ e d e

transport (contin u o u discontinu ) e t d u temp s d e seacutejou r dan s le s usine s de s reacutesidu s alcalin s

produits pa r le s troi s industries L e choi x d e ce s paramegravetre s influencer a directemen t l e

rendement d e l a seacutequestratio n d u CO 2 Or d e no s jours limplantatio n dun e nouvell e

technologie n e deacutepen d pa s seulemen t d e so n efficacit eacute eacuteconomique Plusieur s dautre s

aspects rentren t e n lign e d e compte E n fait i l fau t utilise r un e approch e systeacutemiqu e (4R -

VD Reacuteduire Reacuteutiliser Reacuteparer Reacutecupeacuterer Valoriser Disposer ) s i o n veu t teni r compt e

de toute s le s interacfion s e t le s impact s quun e tell e deacutecisio n peu t engendrer L a figur e 4 1

illustre le s interaction s entr e le s quatr e pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e pa r rappor t au x

reacuteductions des eacutemissions du CO2 par les trois industries eacutetudieacutees

La figure 4 1 montr e qu e l e deacuteveloppemen t durabl e e n geacuteneacutera l deacutepen d d e l a quantit eacute e t su r

tout d e l a qualit eacute de s interaction s entr e le s quatr e piliers D e c e fait limplantatio n d e l a

technologie d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 n e deacutepen d pa s qu e d e lefficacit eacute

eacuteconomique mais aussi des lois eacutemises par les institutions politiques

81

^ ^ ^ ^ a ^ J S S Eacute agrave ^ ^ ^

SOCIEacuteT Eacute ^ bull participation agrave la W

pris e des deacutecisions

X^^jpraquo^

ENVIRO gt

^ EacuteCONOMI E bull croissance bull efficacit eacute bull stabiliteacute bull valorisation

DEacuteVELOPPEMENT DURABLE

JNEMENT bull biodiversiteacute

bull ressources naturelles bull pollution

J INSTn rUTIONS bull lois bull regraveglements

bull infiastructure

p

1 II

Figure 41 Deacuteveloppement durable et seacutequestration du CO2

Dune maniegraver e plus simple on peut dire que les institutions politiques on t le pouvoir e t la responsabihteacute dexiger par les entreprises de limiter leurs eacutemissions du CO2 voir agrave supprimer ces demiegraveres agrave la source Mecircme si le processus de la seacutequestration mineacuteral e du CO2 est un pheacutenomegravene nature l exothermique i l faudrai t ufilise r dautre s source s deacutenergi e afi n d e lacceacuteleacuterer et par voie de conseacutequence augmenter le rendement de la seacutequesfi-ation du CO2 I l est preacutefeacuterable de remplacer les combustibles fossiles par des eacutenergies moins polluantes telles que leacutenergie nucleacuteaire et leacutenergie eacutelecfrique etou solaire

La socieacuteteacute peut jouer son rocircle de piher en demandant aux pouvoh-s politiques deacutemettre des lois qui exigent aux entreprises de respecter lenvironnement e t dameacuteliorer l a qualiteacute de vie de la socieacuteteacute Dans le mecircme ordre dideacutees l a socieacuteteacute peut exercer un e pression important e sur les entreprises en utilisant leur pouvoir dachat comme moyen de pression

82

Les reacutesultat s obtenu s lor s d e cett e eacutetud e ont deacutemontr eacute qu e limpac t su r lenvironnemen t es t

positif su r tou t a u nivea u d e l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Dautre s eacutetude s son t neacutecessaire s

pour eacutetudie r leffe t de s autre s composant s gazeu x su r lenvironnemen t e t l a sant eacute humaine

Le fai t dutilise r le s reacutesidus e t les sous-produit s industriel s alcalin s afi n d e seacutequestre r l e CO2

et l a revalorisation d e ces derniers dans plusieurs nouveaux domaine s pourrai t provoque r de s

changements neacutegatif s a u nivau x d e leacuteconomi e (changemen t d e prix augmentatio n d e l a

concurrence entr e le s entreprises ) e t d e l a socieacutet eacute (changemen t d e l a qualit eacute d e vie) D e c e

fait i l import e qu e tou s le s acteur s repreacutesentan t le s quatre pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e

travaillent e n eacutetroit e collaboratio n pou r qu e cett e technologi e soi t viabl e e t e n tota l respec t

avec lenvironnement

CONCLUSIONS

La preacutesente eacutetude avai t pour objecti f d e deacuteterminer le s reacutesidus et le s sous-produits industriel s

alcalins offrant le s meilleurs potenfiels d e seacutequestration d u CO2

Pour c e faire troi s type s d e scories (HF FP FAEacute) de s acieacuteries deux type s d e boues rouge s

(humides e t segraveches ) de s aluminerie s e t deu x type s d e reacutesidu s de s cimenterie s (CK D e t

cendres volantes ) ont eacutet eacute testeacute s e n cuveacutee Afi n d e mieu x eacutevalue r leur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 des seacuterie s d e test s d e 2 4 e t 4 8 heure s on t eacutet eacute reacutealiseacutes Le s condition s

opeacuteratoires eacutetaien t le s suivantes tempeacuterature = 20-22degC pression atmospheacuterique ratio SL =

10 kgkg vitesse de brassage = 200 rpm granulomeacutetrie industrielle eau deacutemineacuteraliseacutee

Les reacutesultat s obtenu s lor s le s essai s d e 2 4 heures on t deacutemontr eacute qu e troi s reacutesidu s alcalin s s e

sont deacutemarqueacutes pa r leurs hauts potentiels de seacutequestration d u CO2

bull le s scories HF 65 kg de C02t de scories

bull le s scories FP 59 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours de cimenteries (CKD) 47 kg de C02t de CKD

En revanche le s reacutesultat s obtenu s lor s le s essais d e 48 heure s ont deacutemontr eacute qu e le s mecircme s

reacutesidus alcalin s permettaien t dobtiermen t d e meilleur s reacutesultat s d e seacutequestratio n d u CO2

mais cette fois ci ce sont le s scories FP qui se trouvent en tecircte

bull le s scories FP 107 kg de C02t de scories

bull le s scories HF 84 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours d e cimenteries (CKD) 79 kg de C02t de CKD

84

Ces reacutesultat s sexpliquen t pa r de s teneur s plu s eacuteleveacutee s doxyde s meacutetallique s tel s qu e le s

CaO MgO AI2O3 Cr203 Ti02 FeO Mn O Si02 dan s ce s troi s reacutesidu s pa r rappor t au x

autres reacutesidu s testeacutes Ce s oxyde s e t leur s hydroxyde s respecfif s reacuteagissen t ave c l e CO 2

dissout dan s lea u e t formen t de s bicarbonate s thermodynamiquemen t stables

Theacuteoriquement l a teneu r eacuteleveacute e e n ion s meacutetallique s s e tradui t pa r u n potentie l d e

seacutequestration d e CO 2 eacuteleveacute Toutefois l a diffeacuterenc e d e reacutesultat s d e seacutequestratio n entr e le s

scories lor s de s deu x essai s a deacutemontreacute qu e mecircm e s i le s meacutecanisme s d e carbonatatio n son t

semblables pour tous le s types de reacutesidus alcalins l a nature e t l a mod e de fabricatio n d e ces

derniers influencen t sensiblemen t leur s potentiel s d e seacutequestration C e consta t es t valabl e

aussi bie n pou r le s reacutesidu s preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes Dailleurs le s test s su r l a

carbonatation de s reacutesidu s filtreacutes (preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes ) on t indiqu eacute qu e le s reacutesidu s

alcalins libegraveren t facilemen t leur s ion s meacutetallique s dan s l a solufio n aqueus e e t qu e le s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 de ce s derniegravere s son t inteacuteressantes Toutefois c e son t le s

reacutesidus non-preacutelixivieacute s e t non-filtreacute s qu i on t enregistreacute s le s meilleur s reacutesultat s d e

seacutequestration

Les autres objectif s d e ce travai l consistaien t agrave eacutetudier leacutevolutio n d e pH de l a conductiviteacute

et du pouvoir alcalin de s reacutesidus testeacutes

Premiegraverement le s valeurs de pH des scories des boues rouges e t des CKD obtenues apregraves l a

carbonatation son t tregrave s semblable s soi t leacutegegraveremen t au-dessu s d e 7 Seulemen t le s cendre s

volantes ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7

Deuxiegravemement le s test s su r l e pouvoi r alcali n de s scorie s ont indiqu eacute qu e le s scorie s

dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute d e neutralisation plu s eacuteleveacutee qu e tous le s autres reacutesidus D e

plus le s scories H F son t le s plus reacuteactives avec une reacuteserve alcalin e de 43 moles de HClk g

de scories L a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n oxyde s

meacutetalliques plu s particuliegraveremen t de s oxyde s meacutetallique s basique s tel s qu e l e Ca O e t l e

MgO scorie s F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

85

Troisiegravemement le s tests de la cineacutetique dadsorption d u CO2 par le s scories FP ont deacutemontr eacute

que l a seacutequestratio n d u CO 2 se reacutealise plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegraveres minute s d e la

reacuteacfion C e reacutesulta t sexpliqu e pa r l e fai t qu e l a formation dun e couch e d e carbonate su r l a

surface de s particule s de s reacutesidu s empecircch e l a libeacuteratio n dan s l a solufio n aqueus e de s ion s

meacutetalliques ayan t pou r conseacutequence l a baisse du taux de carbonatation

Enfin laugmentatio n pa r deux d e la dureacutee de carbonatation (d e 24 agrave 48 heures) ne se tradui t

pas par des doublement s de s potentiels d e seacutequestrafion d u CO 2 par le s reacutesidus alcalin s pou r

les raisons mentionneacutes ci-dessus

Perspectives

Cette eacutetud e sinscri t dan s loptiqu e d e deacuteveloppe r u n proceacuted eacute simpl e e t eacuteconomiqu e d e

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s industriel s alcalins D e c e fait

plusieurs perspective s son t identifieacutee s suite au x reacutesultat s obtenu s pa r cett e eacutetude E n voic i

quelques unes

bull eacutelargi r leacutetud e su r la seacutequestrafion d u CO2 avec dautres reacutesidu s industriel s tels les boues

de deacutesencrage de s papeteries le s reacutesidus d e constmctions e t d e deacutemolitions le s deacutechet s

municipaux le s deacutechet s d e lindustri e de s plastiques le s deacutechet s de s hocircpitau x etc

Plusieurs eacutetude s indiquen t qu e ces reacutesidus son t riche s e n oxyde s meacutetallique s e t peuven t

ecirctre utiliseacutes eacuteventuellement agrave la seacutequestration du CO2

bull puisqu e le s source s dea u douce s son t e n diminutio n constant e a u nivea u planeacutetaire i l

serait inteacuteressan t agrave envisage r l a reacutealisatio n d e cett e mecircm e eacutetud e ave c d e lea u d e mer

Cette perspectiv e pren d un e importanc e particuliegraver e s i o n considegraver e qu e plusieur s pay s

de Moye n Orient o ugrave son t deacutej agrave installeacutee s plusieur s aluminerie s e t cimenteries ont tregrave s

peu de sources deau douce

86

bull reacutealise r de s essai s pilotes e n colonnes afi n d e veacuterifie r l e transfer t d e ce s reacutesultat s dan s

des conditions expeacuterimentales semblables agrave celles industrielles

bull effectue r un e eacutetude eacuteconomique afin de savoir si ce proceacutedeacute est eacuteconomiquement viable

bull effectue r un e eacutetud e d e cycl e d e vi e afi n d e deacuteterminer entr e autres limpac t

environnemental de ce proceacutedeacute

ANNEXES

ANNEXE I

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LALUMINIUM

Bauxite ^

CaO bull

NaOH bull

bull

Raw Material s

1 Digestion

Liquor Heatin g

Liquor Surge

T Evaporation

Removal

1

Steam

Liquor Flashing

Heating

N Impunties

lt

Fuel ^

Steam

Sand Seacuteparation

1 Fuial residue

Cooling

i

Preacutecipitation

seedT ^ Classification

1 Washing

1 Calcination

^

-^^^

SandResidue Wa-shing

JL Solids Liquo r

Solids Disposa i

^ Wate r

^ Alumin a

Figure All Proceacuted eacute Bayer Tireacute de Hind ea (1999)

ANNEXE II

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LACIER

AnninmeacuteratJon

J ^=2=vBB Minefo i d e fe r Chofbon

Haut-Fourneau

o Eacutebauche de formes solide s (demi-produi t ) pa r moulag e de lacie r liquide

Acier liquide mi s

^lanuoncey statio n datfinage

Machine de couleacutee

continue

e Transformation de s eacutebauches e n produits finis par laminage

okerie

Eacutelaboration d e lacie r liquide agrave part ir d e minerai de fer

AciefS plats

Train de laminage

agrave chau d

obinojx

Produit fin i

Figure A21 Proceacutedeacute de fabrication de lacier Tireacute de Arcelor Meacutediterraneacutee

tli(ipwwwarcelormediteiTanee coindecouvertefabricationschemahtm)

VII

CHAPITRE 4 DISCUSSIO N GEacuteNEacuteRAL E 7 1 41 Inteacutegrafio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests 7 1

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lors des essais de 24 et 48 heures 7 1

412 Impac t du pouvoir alcalin et de la cineacutefique d e ladsorpfio n du CO2 sur la seacutequestration d u CO2 7 3

42 Impac t environnemental d e la seacutequestrafion d u CO2 7 8 43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins

perspectives d e lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e 7 9

CONCLUSIONS 8 3

ANNEXE I SCHEacuteM A D E FABRICATION D E LALUMINIUM 8 8

ANNEXE I I SCHEacuteM A D E FABRICATION D E LACIER 8 9

ANNEXE II I SCHEacuteM A D E FABRICATION D U CIMENT 9 0

ANNEXE I V REacuteSULTAT S COMPLET S DE S ESSAIS DE 48 HEURES EN CUVEacuteE 9 1

ANNEXE V REacuteSULTAT S COMPLET S DE S ESSAIS DE

24 HEURES EN CUVEacuteE 9 7

ANNEXE V I REacuteSULTAT S DE S TITRAGES DE S REacuteSIDUS ALCALINS 10 2

ANNEXE VII RESULTAT S D E LEacuteTUDE D E LA CINEacuteTIQU E DE LADSORPTION D U CO2 EN SOLUTION PA R

SCORIES FP NON-PREacuteLIXIVIEacuteES 10 6

ANNEXE Vll l MONTAG E DE S ESSAIS EN CUVEacuteE 10 7

LISTE DE REacuteFEacuteRENCES BIBLIOGRAPHIQUE S 10 8

LISTE DES TABLEAU X

Page

Tableau 1 1 Proprieacuteteacute s physico-chimiques d u CO2 9

Tableau 1 2 Teneu r en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins 2 2

Tableau 1 3 Compositio n chimique moyenne des boues rouges 2 5

Tableau 1 4 Composifio n chimiqu e moyenne des scories 2 6

Tableau 1 5 Composifio n chimiqu e moyenne des CKD 2 7

Tableau 1 6 Compositio n chimique des cendres volantes 2 8

Tableau 21 Compositio n chimiqu e moyenne des boues rouges humides et segraveches 4 2

Tableau 2 2 Paramegravetre s dexpeacuterimentation 4 8

Tableau 23 Meacutethode s analytiques appliqueacutees 5 1

Tableau 3 1 Valeur s des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacutes 5 3

Tableau 3 2 Le s valeurs des conducfiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacutes 5 5

Tableau 33 Reacuteserve s alcalines des huit reacutesidus 5 9

Tableau 41 Reacuteserve s alcalines et potentiel d e seacutequestratio n des reacutesidus alcalins 7 6

Tableau 42 Reacutesum eacute des reacutesultats seacutequestration d u CO2 obtenus par dautres eacutetude s 7 7

Tableau 43 Reacutesum eacute des eacutemissions par les trois industries e t les baisses respectives de leurs eacutemissions suite agrave la seacutequestration du CO2 par leurs reacutesidus alcalins 7 9

LISTE DES FIGURE S

Page

Figure 1 1 Reacutepartitio n pa r activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004 7

Figure 1 2 Cycl e du carbone organique 1 2

Figure 1 3 Cycl e du carbone inorganique 1 2

Figure 1 4 Seacutequestratio n d u CO2 par carbonatafion mineacuteral e 2 3

Figure 21 Photo s des boues rouges humides et segraveches 4 2

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP 4 3

Figure 23 Phot o des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD) 4 5

Figure 24 Phot o des cendres volantes 4 6

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee 5 0

Figure 3 1 Eacutevolufio n d u pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) etnon-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 48 heures 5 4

Figure 32 Eacutevolufio n d e la conducfiviteacute de s huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 6

Figure 33 Eacutevolutio n du pH des six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) et non-preacutelixivieacute s (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 7

Figure 34 Eacutevolutio n de la conducfiviteacute de s six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 8

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FAE FP et HF en fonction d u volume dacide ajout eacute 5 9

X

Figure 3 6 Courbe s de titrage des CKD Cl e t C2 en foncfio n du volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 3 7 Courbe s de titrage des boues rouges segraveches et humides en foncfion d u volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 38 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 8 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (A) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 48 heures 6 2

Figure 39 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 6 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (C) et preacutelixivieacutes (D) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 24 heures 6 4

Figure 310 Eacutevolufio n d u pH des scories FP filtreacutees e t non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 6

Figure 311 Eacutevolutio n de la conductiviteacute des scories FP filtreacutees et non filtreacutes en fonction d u temps de barbotag e au CO2 6 7

Figure 312 Eacutevolutio n du pouvoir de seacutequestration d u carbone de scories FP filtreacutees et non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 8

Figure 313 Vitess e dadsorption d u CO2 en foncfion d u temps par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes et non filtreacutes 6 9

Figure 41 Deacuteveloppemen t durabl e et la seacutequestration d u CO2 8 1

LISTE DE S ABREacuteVIATIONS SIGLES ET ACRONYME S

AIE

AMPERE

CKD

EacuteTS

FAEacute

FHWA

FP

Agence internationale d e leacutenergi e

Commission pou r lAnalyse de s Modi Redeacuteploiement de s Eacutenergies

Cernent kiln dus t

Ecole de technologie supeacuterieur e

Four agrave arc eacutelectriqu e

The Feacutedeacuteral Highway Administratio n

Four Poch e

GES Ga z agrave effet d e serre

GIEC Group e dexpert s intergouvemementau x su r leacutevolution d u climat

HF Hau t fournea u

ICP-AES Inductivel y Couple d Plasma-Atomi c Emissio n Spectrometr y

MEA Mon o eacutethylamin e

PSA Pressur e Swin g Adsorptio n

STEPPE Statio n Expeacuterimental e des Proceacutedeacutes Pilotes en Environnemen t

TSA Therma l Swin g Adsorptio n

LISTE DES SYMBOLES ET UNITEacuteS DE MESURES

m

kg Mt

Gt

t

degC

Pa

atm

S

min

ppm

gmol

L

Ka

Ma

kJ

pH

rpm

trmin

IN

megravetre

kilogramme

Million de tonnes

Milliard d e tonnes

tonne

degreacute Celsiu s

pascal

atmosphegravere

Siemens

minute

parties par million par volume

grammes par mol

Litre

milliers danneacutees

millions danneacutees

kilo joules

potentiel hydrogegraven e

rotations par minute

tours par minute

1 X Normale

INTRODUCTION

Probleacutematique impact de s activiteacutes industrielle s

Lactiviteacute industriell e mondial e augment e san s cess e anneacute e apregrave s anneacutee L e bie n ecirctr e de s

millions d e personne s partou t dan s l e mond e e n deacutepend Toutefois lindustri e n a pa s creacute eacute

seulement d e l a richesse ell e a engendr eacute auss i plusieur s problegraveme s environnementaux U n

des problegraveme s environnementau x es t leacutemissio n de s ga z agrave effe t d e serr e (GES) I l exist e

plusieurs GES L e dioxyd e d e carbon e (CO2) l e meacutethan e (CH4) l e protoxyd e dazot e o u

loxyde nitreu x (N2O) lozon e (O3) le s chlorofluorocarbone s (CFC) le s hydrocarbure s

halogegravenes (HFC PFC) lhexafluomr e d e soufr e (SFOcirc ) son t le s principau x GE S (GIEC

2007)

Ces gaz don t l e dioxyd e d e carbon e (CO2) jouent u n rocircl e majeu r dan s l a reacutegulatio n d e l a

tempeacuterature terrestre ca r il s laissen t passe r le s radiafion s solaires mai s absorben t certaine s

radiations infrarouge s (chaleur ) eacutemise s pa r l a surfac e chaud e d e l a Terr e c e qu i fa h

augmenter l a tempeacuteratur e d e latmosphegravere L e dioxyd e d e carbone avec un e dureacute e d e vi e

exceacutedant 12 0 an s e t un e contributio n pou r enviro n 5 5 d u reacutechauffemen t planeacutetaire s e

trouve e n tecirct e de s ga z agrave effe t d e serr e (Coolin g et al 2006) Entr e 197 0 e t 2004 le s rejet s

annuels d e CO2 l e principa l ga z agrave effe t d e serr e anthropique son t passeacute s d e 2 1 agrave 3 8

gigatonnes (Gt) soi t un e augmentatio n denviro n 8 0 Ce s rejet s repreacutesentaien t 7 7 de s

eacutemissions totale s d e GE S anthropique s e n 200 4 (GIEC 2007) L e Group e dexpert s

intergouvemementaux su r leacutevolution d u climat (GIEC 2007) estime que l a teneur moyenn e

en CO 2 dan s latmosphegraver e a augment eacute plu s d e 30 depui s l e deacutebu t d e legraver e industrielle

passant d e 28 0 ppm v agrave 37 9 ppmv D e plus lAgenc e intemational e d e leacutenergi e (AIE )

constate qu e le s eacutemission s d e dioxyd e d e carbon e lieacutee s au x activiteacute s humaine s devraien t

atteindre 4 3 G t pa r a n dic i 2030 soi t un e augmentatio n d e 6 0 (Gielen 2008) Ce s

augmentations pourraien t provoque r l a hausse de l a tempeacuterature d e l a surface d e la Terre e n

moyenne entr e 14deg C a u minimu m e t 4deg C a u maximu m su r l a peacuteriod e d e 199 0 agrave 210 0

(GEIC 2007)

Selon Environnemen t Canad a (2007) ce s augmentation s d e tempeacuterature s peuven t ecirctr e agrave

lorigine de s fonte s de s glaces d e laugmentatio n de s catastrophe s naturelle s e t d e l a

disparition d e plusieurs espegraveces animales et veacutegeacutetales

Contexte eacuteconomico-politiqu e

Les activiteacute s de s alumineries de s acieacuterie s e t de s cimenterie s produisen t chaqu e anneacute e de s

millions d e tonne s d e reacutesidu s alcalin s e t eacutemetten t dan s latmosphegraver e de s quantiteacute s

consideacuterables d e CO 2 L e tablea u ci-dessou s lillustr e le s eacutemission s d u CO 2 par le s troi s

industries

Type dindustri e

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Eacutemissions du CO2 (en Gt)

015

L7

18

Quantiteacutes de reacutesidus alcalins (en Mt)

90

350-420

480 (30 MT de CKD + 450MT de cendres

volantes de tout genre )

Sources

Institut Intemafional d e

laluminium (2008) Kumar eacutetal (2006 )

Miclos (2000) Gielen (2008)

Eloneva (2008) Konsta-Gdoutos et Shah (2003) Kumar et al

(2005)

Illustration de s eacutemissions d e CO2 et les quantiteacutes des reacutesidus alcalins produit s au niveau mondia l pa r les trois industries

Les eacutemission s d e CO 2 augmentent danneacute e e n anneacute e malgr eacute le s effort s de s entreprise s agrave le s

reacuteduire Pourtant l e protocole du Kyoto (1997) a fixeacute des objectifs d e reacuteduction d e GES pour

tous le s pay s signataires L e protocol e d u Kyot o a fixeacute a u Canad a agrave reacuteduir e d e 6 se s

eacutemissions d e GE S entr e 200 8 e t 201 2 pa r rappor t agrave lanneacute e 199 0 (Environnemen t Canada

2007)

Les quinz e pay s signataire s d e lUnio n Europeacuteenn e on t deacutej agrave attein t lobjecfi f d e 8

reacuteduction d e GES fixeacute pa r Kyoto (AEacuteE 2009) Des pays tels que la France LAllemagne l a

Gregravece l a Suegraved e l e Royaume Un i ont mecircme deacutejagrave attein t u n niveau infeacuterieu r agrave leur objectif d e

Kyoto Le s projection s reacutealiseacutee s pa r lAgenc e Europeacuteenn e pou r lEnvironnemen t (AEacuteE )

deacutemontrent qu e le s politique s climatique s e n vigueu r agrave lheur e actuell e permettron t d e fair e

une reacuteductio n suppleacutementair e d e 3 5 dic i 201 2 gracircc e agrave lacha t d e creacutedit s issu s d e projet s

de reacuteductio n de s eacutemission s meneacute s dan s le s pays tier s (AEacuteE 2009) L e Canad a e t le s Eacutetat s

Unis au contraire ont augmenteacute plus du double leurs eacutemissions de GES

Lameacutelioration d e lefficacit eacute leacutenergeacutetiqu e e t lutilisafio n d e source s alternative s deacutenergi e

pourraient reacuteduir e le s eacutemissions d e CO2 mais ces mesures seron t insuffisante s pou r atteindr e

les objectifs d e Kyoto ca r l a demande mondial e e n matiegravere premiegraver e augment e agrave un rythm e

soutenu Le s besoin s e n acie r e t e n aluminiu m connaicirctron t un e croissanc e d e 3 0 e t 60

par deacutecennie e t lInde estimen t Kuma r et al (2006) Kharoune (2006) ce qui rend neacutecessair e

la recherche d e nouvelle s technologie s d e seacutequestration d u CO2 De plus l a Chine e t lInd e

connaicirctront de s croissance s d e 8 0 agrave 100 pa r deacutecenni e dan s le s mecircme s domaines

Lindustrie d e lacier d e la Chine rejette 5 0 des eacutemissions mondiales du CO2 Dailleurs il

est agrave noter qu e le s eacutemissions d u CO2 par lindustri e d e production d e laluminiu m eacutetaien t d e

96 Mt en 199 0 au niveau mondia l e t elles ont eacuteteacute reacuteduites agrave moins de 25 Mt de CO2 en 2007

une reacuteductio n d e 7 4 alor s qu e l a productio n daluminiu m a doubl eacute pendan t l a mecircm e

peacuteriode d e 19 5 agrave 38 M t (GEIC 2006) Entre 199 0 et 2002 le secteur canadie n d u ciment a

ameacutelioreacute l e rendemen t d e se s four s d e 1 2 e t diminueacute se s eacutemission s d e GE S pa r tonne d e

produits cimentaire s d e 71 En chiffres absolus l a production total e nett e deacutemission s d e

CO2 a augmenteacute d e 23 de 199 0 agrave 2004 Toutefois l a production d e ciment a augmenteacute de

25 a u cour s d e cett e peacuteriode c e qu i expliqu e e n grand e parti e laccroissemen t de s

eacutemissions (Environnemen t Canada 2007) Dan s le s anneacutee s 1950 l a productio n mondial e

dacier eacutetai t denviro n 20 0 millio n d e tormes meacutetriques E n 2006 l e chiffr e seacutelevai t agrave 124 0

Mt dacier

Le Japo n fai t un e bonn e figure dan s l e cadr e d e reacuteduction s d e GES So n industri e dacie r a

reacuteduit d e 6 s a consommatio n deacutenergi e e n 200 5 pa r rappor t a u nivea u d e 199 0 (GEIC

2006) Le s entreprise s eacutemettrice s d e CO 2 doiven t fair e preuv e d e plu s dinnovation s e t d e

recherches technologique s dan s c e sens Louvertur e d e l a bours e d e carbon e depui s ma i

2008 agrave Montreacutea l leu r perme t deacutechange r leur s creacutedit s deacutemissio n d e GE S e t d e s e voi r

reacutecompenseacutees pour leurs efforts

Technique d e reacuteduction de s eacutemissions d e CO2 proposeacutee

Plusieurs proceacutedeacute s son t utiliseacute s pou r limite r le s eacutemission s atmospheacuterique s d e CO 2 qu i

agissent principalemen t su r l a captur e e t l a seacutequestrafio n d e c e gaz Alor s qu e le s proceacutedeacute s

membranaires e t dabsorption son t utiliseacutes pour l e captage d u CO2 le stockage e n reacuteservoir s

geacuteologiques o u miniers e n aquifegravere s salin s o u encor e pa r enfouissemen t oceacuteaniqu e son t

utiliseacutes pour l a seacutequestration (Bonenfan t et al 2006)

Lutilisation de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s issu s de s activiteacute s industrielle s telle s qu e

les alumineries le s acieacuterie s e t le s cimenterie s offren t d e nouvelle s possibihteacute s s e

seacutequestrafion d u CO2 Cett e technologi e es t baseacute e su r u n pheacutenomegraven e chimiqu e simpl e la

formation d e carbonate s stable s suite agrave labsorptio n d u CO 2 par de s composeacute s alcalin s tel s

que le s oxydes de calcium (CaO ) e t de magneacutesium (MgO) Lideacutee dutilise r le s reacutesidus e t les

sous-produits alcalin s afin d e seacutequestrer l e CO2 a eacuteteacute lanceacutee pour l a premiegravere foi s par Seifrit z

(1990) et a eacuteteacute eacutetudieacute en en profondeur pa r Lackner (1995)

La reacuteductio n de s eacutemission s d e CO 2 agrave l a sourc e sinscri t dan s l e cadr e du n processu s d e

gestion durabl e de s matiegravere s reacutesiduelle s e t preacutesent e u n inteacuterecirc t eacuteconomiqu e manifeste Agrave cet

effet l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuteral e e n milieu x aqueu x preacutesent e un e

alternative tregrave s inteacuteressant e (Huijge n et al 200 5 Bonenfan t et al 2006) 1 1 sagit du n

processus nature l menan t agrave l a formatio n de s carbonates produit s thermodynamiquemen t

stables et sans effet neacutefast e su r lenvironnement (Boenfan t et al 2006)

Les mateacuteriau x employeacute s dan s ce s eacutetude s son t de s sou s produit s e t reacutesidu s industriel s agrave

pouvoir alcali n tel s qu e le s scorie s de s acieacuteries le s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s

cendres volante s e t poussiegravere s de s four s de s cimenteries Cett e technologi e pren d un e

importance particuliegraver e s i o n parl e e n terme s d e quantiteacute s de s reacutesidu s produit s pa r ce s troi s

industries (voi r tableau 11 page 6) et qui peuvent ecirctr e utiliseacutes afin d e seacutequestrer l e CO2

En fait le s technologie s existante s d e seacutequestratio n d u CO2 agrave l a diffeacuterenc e d e l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s industriel s alcalins preacutesenten t de s coucirct s eacuteleveacute s d e 5 0 agrave

100 $ par tonn e d e CO 2 seacutequestreacute (Bonenfan t et al 2006 Eloneva 2008) Ces coucirct s eacuteleveacute s

empecircchent leu r application agrave grande eacutechelle

Objectifs d e leacutetud e

Le bu t d u preacutesen t travai l consist e agrave deacuteterminer expeacuterimentalemen t le s meilleurs pouvoirs d e

seacutequestration d u CO 2 pa r le s reacutesidu s e t le s sous-produit s industriel s alcalin s dan s de s

conditions ambiante s dutilisatio n tempeacuterature t = 20degC temps T= 2 4 et 48 heures pression

atmospheacuterique ambiante granulomeacutetrie industrielle)

De cet objectif deacutecoulen t le s sous-objectifs speacutecifique s suivant s

bull deacutetermine r le s critegraveres dutilisation de s mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r leffe t d u pH de la conducfiviteacute e t du pouvoir alcalin des reacutesidus en milieux

aqueux su r la capaciteacute de seacutequestration d u CO2 par les mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r F effet d e la preacutelixiviation de s reacutesidus sur leurs capaciteacutes de seacutequestratio n

du CO2

Pour c e faire de s essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute meneacute s su r troi s type s d e scorie s (HF FP FAEacute)

deux type s d e boue s rouge s (humide s e t segraveches) deu x type s d e reacutesidu s d e cimenterie s

(poussiegraveres de fours e t cendres volantes)

Le preacutesent meacutemoire es t organiseacute comme sui t

Le Chapitr e 1 preacutesent e le s notion s fondamentale s d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO2

Apregraves avoi r list eacute le s plu s grand s eacutemetteur s de s ga z agrave effet s d e serr e nou s feron s l a lumiegraver e

sur le s caracteacuteristique s chimique s d u CO 2 e t le s technologie s existante s d e l a seacutequestratio n

mineacuterale d u CO 2 par le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalins L e Chapitre 2 aborde l a

meacutethodologie de caracteacuterisation de s reacutesidus alcalins Dans cette partie nous nous pencheron t

sur le s critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacutes l a faccedilo n don t le s

paramegravetres e t le s condition s dexpeacuterimentation s son t eacutetabli s e t su r l a meacutethod e danalys e

choisie L e Chapitr e 3 preacutesent e le s reacutesultat s obtenu s lor s de s essais L e Chapitr e 4 a pou r

objectif dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s obtenu s dan s l e cadr e d e cett e

eacutetude Enfin un e conclusion complegravete l e meacutemoire

CHAPITRE 1

REVUE DE LA LITTEacuteRATURE

11 Probleacutematiqu e du CO2

Les activiteacute s humaine s eacutemetten t de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e GE S don t l e CO 2 L a deacuteforestation e t lindustrie de leacutenergie sont les principaux responsables (voir figure 11) Les rejets mondiaux en 2007 suite agrave la deacuteforestafion son t denviron 8 4 Gt de CO2 sur une totale de 38 Gt de CO2 eacutemis dans latmosphegravere La Terre absorbait environ 1 1 Gt de CO2 en 2007 On retrouve un suppleacutement dans latmosphegravere de 27 Gt selon le GIEC (2007)

Les eacutetude s qu i traiten t l e reacutechauffemen t globa l d ucirc au x eacutemission s d e CO 2 pa r lactivit eacute humaine sont tregraves nombreuses Leffet d e serre est un pheacutenomegravene normal et neacutecessaire agrave la vie su r terre C e pheacutenomegraven e s e produi t pa r laccumulatio n de s ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere 1 1 perme t d e mainteni r un e tempeacuterature moyerm e agrave la surface d e l a terre de +18degC (GIEC 2001) San s leffe t d e serr e l a tempeacuterature moyenn e d e l a terre serai t d e -15degC

Deacutef 0 r estatio n et suite s

Proceacutedeacutes industriels

2sltyo ^

r 7 Bacirctiments

reacutesidentiels e t comnterciaux

9ltyo

Industr ies d e leacutenergie

27lty o

) ~ Transpor t

1 7

Figure 11 Reacutepartition par activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004

Tireacute de GIEC (2007)

Pour mieu x comprendr e l a probleacutematiqu e d u reacutechauffemen t planeacutetaire i l import e d e bie n

connaicirctre le s caracteacuteristique s chimique s e t l e cycl e d u CO2 Le s page s qu i suiven t s e

proposent d e faire l a lumiegravere sur le sujet

111 L a chimi e du CO 2

Le dioxyd e d e carbon e a eacutet eacute identifi eacute pou r l a premiegraver e foi s dan s le s anneacutee s 175 0 pa r l e

physicien e t chimist e eacutecossai s Josep h Blac k (Villiers 2009) A tempeacuteratur e ambiant e (20 -

25C) l e dioxyd e d e carbon e es t u n ga z san s couleu r n i odeur qu i es t faiblemen t acid e e t

inflammable I l es t preacutesen t dan s latmosphegraver e dan s un e proportio n approximativemen t eacutegal e

agrave 00375 en volume soi t 375 ppmv (Bourque 2009)

La formul e moleacuteculair e d u dioxyd e d e carbon e es t l e CO2 Cett e moleacutecul e lineacuteair e es t

triatomique composeacute e du n atom e d e carbon e qu i es t reli eacute pa r doubl e liaiso n agrave deux atome s

doxygegravene 0=C=0 Le s atomes doxygegravenes dan s cett e formul e son t seacutepareacute s agrave des angles de

180 deg et son t lieacute s agrave latom e d e carbon e pa r de s liaison s covalente s qu i l a ren d no n polair e

selon Sienk o (1965) Dissou t dan s leau i l form e d e lacid e carboniqu e qu i peu t interagi r

avec de s composeacute s alcalin s tel s le s oxyde s meacutetallique s d e calciu m e t d e magneacutesiu m e t le s

zeacuteolites (Sienko 1965 Auroux et Gervasini 1990)

CO2 + H2 O - ^ H2CO 3 (11 )

Dans leau d e maniegravere reacuteversible lacid e carboniqu e reacuteagi t ave c lea u pou r forme r l e catio n

hydronium HsO^ et lion bicarbonate HCO suivant l a reacuteaction suivant e

H2CO3 + H2 O - ^ HCOs + HsO ^ (12 )

Il peu t seulemen t ecirctr e solid e agrave une tempeacuteratur e infeacuterieur e agrave -78degC L e dioxyd e d e carbon e

liquide existe principalement quan d i l est dissout dans leau

Le dioxyd e d e carbon e es t seulemen t solubl e dan s lea u lorsqu e la pressio n dinjectio n es t

maintenue Les proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2 sont deacutecrites au Tableau 11

Tableaull Le s proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2

Tireacute de Goj et al (2002) Tardat-Hemy e t Beaudry (1984 )

Proprieacuteteacute Masse molair e

Graviteacute speacutecifiqu e agrave 21C Densiteacute critiqu e

Concentration dan s lai r Stabiliteacute Liquide Solide

Constante dHenry d e solubilit eacute Solubiliteacute dans leau agrave agrave 20 degC

Valeur 4401

153 agrave21 468

3703 10 Eleveacutee

Pression lt 4158 Tempeacuterature

29815 09

Uniteacute gmol

-kgm ppm

-kPa

lt -78 degC mol kg bar

volvol

Ces proprieacuteteacutes permetten t a u CO2 de capter le s rayons infr a rouge s provenan t d e la Terre de

lemmagasiner e t passe r agrave u n nivea u deacutenergi e supeacuterieur Lexceacuteden t deacutenergi e es t libeacuter eacute

apregraves dans latmosphegravere causan t ains i leffe t d e serre (GIEC 1990)

112 Cycl e du carbon e

Le carbone es t un eacuteleacutement essenfie l agrave la vie Le carbone sui t u n certain itineacuterair e su r la terre

qui es t appeleacute cycl e du carbone L e cycle du carbone se compose en deux parties le cycle du

carbone organiqu e e t celui d u carbon e inorganique Cett e seacuteparatio n (Bourque 2009 ) es t

artificielle car en reacutealiteacute ces deux cycles se reacutealisent en mecircme temps

Le cycle du carbone es t baseacute sur le dioxyde de carbone (CO2) qui peut ecirctre foumi agrave lair sou s

forme d e ga z e t agrave lea u sou s form e dissoute Le s plante s terrestre s utilisen t l e dioxyd e d e

carbone d e latmosphegraver e pou r creacutee r leur s propre s source s deacutenergi e e t pou r assure r leu r

croissance

10

Lors le processus naturel appeleacute l a photosynthegravese le s plantes libegraveren t de loxygegravene essentie l

agrave l a vie animale Ces t gracircc e agrave l a chlorophyll e qu e le s plantes e t certaine s bacteacuterie s peuven t

effectuer la photosynthegravese

La reacuteaction totale de la photosynthegravese est

6CO2 + 6H2O + Eacutenergie solaire -gt COcircH^O Ocirc + 6O2 (13 )

Les animau x qu i consommen t loxygegraven e libeacuter eacute pa r le s plante s sappellen t de s

consommateurs Ce s dernier s relacircchen t l e dioxyd e d e carbon e dan s latmosphegraver e duran t l e

processus d e l a respirafion L a respiratio n es t linvers e d e la photosynthegravese Agrave parti r d e

loxygegravene libr e O2 elle transforme tout e mafiegravere organiqu e en CO2 selon leacutequatio n chimiqu e

suivante

C6H12O6 + 6 O2 gt 6 CO2 + 6 H2O (14 )

La deacutecompositio n aeacuterobi e e t l a fermentatio n permetten t au x microorganisme s d e libeacutere r l e

CO2 dans latmosphegravere Toutefois l e carbone peu t auss i ecirctr e stock eacute sou s forme d e biomass e

dans le s racine s de s arbre s e t dautre s matiegravere s organique s duran t de s anneacutees Lorsqu e le s

couches d e seacutediment s compressen t cett e matiegravere de s combustible s fossile s seron t formeacutes

apregraves plusieur s siegravecles De s proceacutedeacute s geacuteologique s agrave long term e pourron t expose r l e carbon e

de ce s combustible s agrave lai r apregrave s un e longu e peacuteriode mai s habituellemen t l e carbon e de s

combustibles fossile s es t relacircch eacute lor s d e proceacuted eacute d e combustio n reacutealis eacute pa r lhomm e

(Bourque 2009) Bie n qu e l a combustio n de s combustible s fossile s ajout e d u dioxyd e d e

carbone agrave lair certai n dentr e eu x son t auss i relacircch eacute lor s d e proceacutedeacute s naturels te l qu e le s

eacuteruptions volcaniques Dan s leacutecosystegravem e aquatique l e dioxyde d e carbon e peu t ecirctr e stock eacute

dans le s roche s e t le s seacutediments I l prendra u n lon g temp s avan t qu e l e dioxyd e d e carbon e

soit relacircch eacute pa r l a deacutesagreacutegatio n de s roche s o u de s processu s geacuteologique s qu i apporten t le s

seacutediments agrave la surface d e leau (Bourque 2009)

11

Le dioxyd e d e carbon e stock eacute dan s lea u ser a preacutesen t agrave l a foi s comm e ion s carbonate s o u

bicarbonates Ce s ions fomient un e partie importante des tampons naturel s qui empecircche lea u

de deveni r tro p acid e o u tro p basique Lorsqu e l e solei l chauff e leau le s ion s carbonate s e t

bicarbonates retourneron t dan s latmosphegravere sou s forme d e dioxyde de carbone (Falkowsk i et

al 1998 Huntzinger 2009)

En 2003 Yamasak i estimai t agrave 1 4 G t l a quantiteacute d e carbone captur eacute d e latmosphegraver e pa r le s

systegravemes terrestre s agrave laid e d e l a photosynthegravese Selo n ce t auteur loceacutea n emmagasin e plu s

de carbon e qu e l a veacutegeacutetafio n terrestre soi t 3 8 000 Gt L e phytoplancto n emmagasin e 5 0 agrave

100 G t d e carbon e qu i soi t un e quantit eacute beaucou p plu s important e qu e cell e emmagasineacute e

par la veacutegeacutetation terrestre

Les figure s 1 2 e t 1 3 montren t qu e l e gran d reacuteservoi r d e carbon e es t constitu eacute

principalement pa r le s roche s seacutedimentaires Loceacutea n repreacutesent e auss i u n autr e grand

reacuteservoir surtou t agrave de s profondeur s supeacuterieure s agrave 10 0 m L e seacutejou r d u carbon e dan s le s

reacuteservoirs deacutepend du type de reacuteservoir ougrave il se trouve

Le seacutejou r d u CO 2 est d e quatr e an s dan s latmosphegravere d e 1 1 ans dan s l a biosphegravere d e 38 5

ans dan s lhydrosphegraver e superficiell e (oceacutean d e 0 agrave 10 0 m) d e plu s d e 10 0 K a (millier s

danneacutees) dan s loceacutean profon d e t de quelques 200 Ma (millions danneacutees) dan s la lithosphegraver e

(Bourque 2009) Le cycl e d u carbone es t composeacute d e plusieurs sous-cycle s qu i duren t d e l a

deacutecennie (l e recyclag e d u CO 2 pa r le s plantes ) au x centaine s d e million s danneacutee s (l e

recyclage d u carbon e organiqu e pa r lintermeacutediair e de s roche s seacutedimentaire s o u de s

hydrocarbures pa r exemple)

12

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Figure 12 L e cycle du carbone organique Tireacute de Bourque (2009)

Figure 13 L e cycle du carbone inorganique Tireacute de Bourque (2009)

13

12 Technologie s d e captage et de seacutequestration du CO2

121 Technologie s d e captage du CO2

Afin d e contre r le s effet s neacutefaste s d u reacutechauffemen t climatiqu e plusieurs technologie s d e

captage e t de seacutequestration d u CO2 on t eacuteteacute deacuteveloppeacutees ce s derniegraveres anneacutees L a majoriteacute d e

ces technologie s n e son t pa s encor e implanteacute e agrave leacutechell e industrielle ca r leur s faible s

efficaciteacutes e t leur s coijt s eacuteconomique s eacuteleveacute s ont empecirccheacute s leu r implantatio n (Herzo g et al

1997 Herzog 2001 Yang et al 2008) Dan s cett e partie nou s deacutecrieron s briegravevemen t le s

technologies d e captag e d u CO 2 et nou s nou s attarderon s plu s e n deacutetai l su r le s technologie s

de seacutequestration d u C02par des mateacuteriaux alcalins

Proceacutedeacutes dadsorption pa r les amineacutes

Les technologie s baseacutee s su r labsorptio n d u CO 2 par le s amineacute s son t le s plu s freacutequemmen t

ufiliseacutees dan s le s industrie s peacutetroliegraveres dextractio n d u ga z nature l e t d e l a productio n

dammoniaque (Lia o et al 2002 Ra o et al 2002) L a mon o eacutethylamin e (MEA ) pa r

exemple reacuteagi e ave c l e CO 2 e t form e l e carbamat e d e MEA O n utilis e l a solutio n d e ce t

composeacute afin dextrair e d u CO2 tregraves pur (Stewart e t Hessami 2005)

Ces technologie s offren t de s rendement s d e captag e d u CO 2 varian t d e 7 5 agrave 9 0 e t de s

grades d e puret eacute d u CO 2 supeacuterieur s agrave 9 9 Malgr eacute de s rendement s satisfaisants ce s

technologies ont de s inconveacutenient s majeur s le s coiit s dinvesfissemen t e t dexploitatio n

sont eacuteleveacutes lufilisatio n dinhibiteur s d e corrosio n e t doxydafio n e t leur s rendement s

deacutependent de s condifion s dutilisafio n (Jo u et al 1995) L a consommatio n deacutenergi e es t

eacutegalement tregrave s eacuteleveacutee (Fauth et al 2005)

Proceacutedeacutes dadsorptio n pa r les zeacuteolites e t les charbons actif s

Les mateacuteriaux tel s que le s zeacuteolites e t les charbons actif s ont de s surfaces speacutecifique s eacuteleveacutee s

(gt 150 0 m^g ) e t adsorben t seacutelectivemen t diffeacuterent s ga z e n fonctio n d e leu r superficie l a

taille des pores et les volumes de pores (Rege et Yang 2001)

14

Ce processu s repos e su r la neutralisatio n du n ga z acid e for t (CO2 ) pa r un e bas e faibl e

(absorbant) Il s opegraverent agrave des cycles dites de pression PSA (Pressure-Swing-Adsorption) o u agrave

des cycles thermiques TSA (Thermal-Swing-Adsorption)

Ce typ e dadsorpfio n peu t atteindr e u n rendemen t denlegravevemen t d u CO 2 denviro n 9 2

Toutefois le s zeacuteolithe s n e son t pa s efficace s pou r capte r l e CO 2 eacutemi s pa r le s centrale s agrave

charbon car la consommation deacutenergi e es t tregraves eacuteleveacutee (Maroto-Valer 2005)

Proceacutedeacutes membranaire s

Ces technologie s utilisen t de s membrane s constitueacutee s du n polymegraver e deacutepos eacute su r u n suppor t

microporeux o u meacutetalliqu e o u du n film liquid e absorban t immobilis eacute su r u n suppor t d e

polymegravere (Fero n et al 1992 Herzog et a1997 Herzog 2001) L e CO2 est mis en contac t

avec l a membran e e t l e polymegraver e o u l e film liquid e qu i facilit e so n transpor t agrave traver s l a

membrane a u deacutetrimen t de s autre s polluants Ce s proceacutedeacute s offren t plusieur s avantage s pa r

rapport au x autre s proceacutedeacute s pa r leur s simpliciteacute s e t leur s stabiliteacutes Toutefois ce s

technologies preacutesenten t d e seacuterieu x deacutesavantage s don t de s coucirct s dutilisatio n eacuteleveacutes de s

rendements d e captag e d u CO 2 infeacuterieur s agrave 8 0 un e faibl e seacutelectiviteacute e n plu s d e n e

pouvoir traiter que des effluents ayan t de faibles concentration s en CO2 (Yang et al 2008)

122 Technologie s d e seacutequestration d u CO 2

Laugmentation constant e de s activiteacute s industrielle s de s acieacuteries de s cimenterie s e t de s

alumineries a pour conseacutequenc e no n seulemen t laccroissemen t de s eacutemission s d u CO 2 mais

aussi laccumulatio n d e millions de toimes de reacutesidus alcalins partout dan s l e monde Le deacutef i

pour ce s entreprise s e t pou r l e mond e d e l a recherch e es t d e taill e utilise r ce s reacutesidu s

industriels afi n d e limite r (seacutequestrer ) un e parti e d u CO 2 eacutemi s dan s latmosphegravere E n fait

cest depui s le s quinz e demiegravere s anneacutee s qu e l a recherch e essay e agrave reacutepondr e agrave cett e

probleacutemafique

15

Les effort s le s plus consistant s reposen t su r l e deacuteveloppement dun e technologi e utilisan t le s

scories de s acieacuterie s e t le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s comm e matrice s afi n d e

seacutequestrer l e CO 2 (Hujge n e t al 2005 Kharoune 2006) Quan t agrave lutilisatio n de s boue s

rouges de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e cimenterie s son t dan s leur s

premiegraveres phases dessais

Les technologie s d e seacutequestratio n d u CO 2 o n peu t le s classifie r e n quatr e cateacutegorie s l a

seacutequestration oceacuteanique l a seacutequestratio n biologiques l a seacutequestratio n geacuteologiqu e e t l a

seacutequestration mineacuterale s des mateacuteriaux alcalins Il importe de mentionner qu e la deacutefinition d e

technologie es t peut-ecirctr e inexacte ca r l e pheacutenomegraven e d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r de s

matiegraveres alcaline s es t u n pheacutenomegraven e naturel Toute s ce s laquotechnologies raquo permetten t l a

seacutequestration d u CO2 agrave tregraves long s termes (plusieur s millier s agrave plusieurs million s danneacutees ) agrave

lexception d e l a seacutequestration d u CO2 par l a biomasse de s veacutegeacutetaux qu i n e l e seacutequestre qu e

pour une cinquantaine danneacute e (Santos 2006)

La seacutequestration oceacuteaniqu e

Les oceacuteans ont u n potentie l d e seacutequestration d u CO2 tregraves eacuteleveacute plus de 100 0 Gt (AMPERE

2006) mai s l a dureacute e d e reacutetentio n d u CO 2 est beaucou p plu s court e qu e le s autre s type s d e

seacutequestration L e CO2 injecteacute agrave 1500 m de profondeur libegraver e 1 8 de la quantiteacute seacutequestr eacute du

CO2 apregraves 200 ans de stockage (Hanish 1999) Ceci sexpliqu e pa r l e fai t qu e le CO2 dissout

dans lea u s e transforme e n acid e carboniqu e H2CO 3 qui baiss e l e p H d e lea u marine De s

ions bicarbonates HCO3 et des ion s carbonates COs^ sont libeacutereacute s dans lea u qu i agrave leu r tou r

vont reacuteagi r ave c le s ions meacutetallique s qu i s e trouvent dans lea u pou r former de s sel s tels que

la calcit e CaCO s (carbonat e d e calcium ) e t l a dolomit e CaMg(C03)2 L a formatio n d u

carbonate d e calciu m CaCO j produi t deu x pheacutenomegravenes l e premie r es t celu i d e

laugmentation d e la concentration e n acide carbonique qu i peut auss i seacutecrir e CO 2 + HO et

par voi e d e conseacutequence d e cell e d u CO 2 et l e deuxiegravem e es t celu i d e l a reacuteductio n d e l a

concentration e n ions bicarbonates ce qui va provoquer une baisse du pH

C02(g) + CaC03(s) + H2O -^ Ca-(aq ) + 2 HCO3 (aq) (15 )

16

Les concentration s eacuteleveacutee s d e CO 2 suites agrave l a productio n d e CaCO s provoquen t l a creacuteatio n

dun gradien t entr e loceacutea n e t latmosphegravere qu i favoris e un e diffusio n d u CO 2 de loceacutea n ver s

latmosphegravere (Bourque 2009)

Un autr e inconveacutenien t d e cett e meacutethod e es t l a distanc e su r laquell e l e CO 2 reacutecupeacuter eacute de s

usines doi t ecirctr e transporteacute pou r atteindre loceacutean L e coiagravet de cette meacutethod e d e stockage a eacuteteacute

estimeacute entre 1 8 et 12 8 $ par tonne de CO2 seacutequestreacute (AMPERE 2006)

La seacutequestration geacuteologiqu e

Le stockag e geacuteologiqu e d u CO 2 preacutesente un e autr e alternativ e inteacuteressant e pou r limite r le s

eacutemissions d e ga z dan s latmosphegravere LOues t canadie n pa r so n relie f e t se s caracteacuterisfique s

geacuteologiques sembl e lendroi t ideacuteal car les reacuteservoirs geacuteologique s peuvent recevoi r toute s le s

eacutemissions de CO2 qui seront produites au Canada dans les prochaines anneacutees

Toutefois plusieur s chercheur s sinquiegraveten t d e limpact d e ce gaz stockeacute agrave des pressions tregrave s

eacuteleveacutees su r le s paroi s rocheuse s (Reeve 200 0 His 2003 Thoma s e t Kerr 2005 Montes -

Hemandez 2009) L a dissolutio n d u CO 2 peu t cause r l a formatio n de s carbonates de s

oxydes meacutetallique s e t de s hydroxyde s qu i agrave longues terme s peuven t affecte r l a solidit eacute de s

reacuteservoirs (Montes-Hemande z 2009) L a seacutequestrafio n geacuteologiqu e d u CO 2 s e deacuteroul e e n

trois eacutetape s l e captage l e transpor t e t linjectio n d u gaz L e captag e es t leacutetap e l a plu s

coucircteuse du processus (GIEC 2005)

De plus plus des deu x tier s du coucirc t du captage e t du stockage d u CO2 provenant de s ga z de

combustion y sont accapareacute s pa r sa seacuteparation e t so n traitement Ce s coucircts eacuteleveacutes preacutesenten t

(40 agrave 7 0 $ ustonne d e CO2 ) l e principal obstacl e agrave l a commercialisatio n de s technologie s

de stockage du CO2 au Canada (Reeve 2000)

17

Stockage dans les gisements de gaz ou de peacutetrole

Cette technologie es t en cours de deacuteveloppement Le s gisements de gaz et de peacutetrole peuven t

servir d e reacuteservoir s naturel s d u CO2 Ce s reacuteservoir s offren t de s potentiel s d e seacutequestratio n

supeacuterieurs agrave 18 0 Gt de CO2 (Reeve 2000)

De nombreuse s expeacuterimentation s son t e n cour s a u Japon au x Eacutetats-Uni s e t e n Europe L e

CO2 capt eacute peu t ecirctr e inject eacute e t emprisonn eacute dan s de s structure s geacuteologique s telle s qu e de s

veines d e charbo n inexploitables de s gisement s eacutepuiseacute s d e ga z o u d e peacutetrol e o u de s roche s

poreuses Un e foi s aboutie cett e technologi e permettrai t d e reacuteduir e massivemen t le s

eacutemissions d e c e ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere U n aspec t inteacuteressan t d e cett e

technologie es t le transport direc t du CO2 des usines vers les sites de stockage

Les grand s eacutemetteur s d e CO 2 tel s qu e le s alumineries le s acieacuteries le s cimenterie s e t le s

raffineries d e peacutetrol e peuven t utilise r facilemen t cett e technologi e (Montes-Hemandez

2009)

Stockage dans le s formations houillegravere s

Une autr e possibilit eacute d e seacutequestrafio n d u CO 2 es t linjecfio n dan s le s formafion s houillegravere s

(Mastalerz et al 2004) Le meacutethane (CH4) a la proprieacuteteacute de saccrocher au x paroi s rocheuse s

mais l e CO2 une foi s injecteacute deacuteplac e l e meacutethan e pou r prendr e s a place Cett e technologi e

preacutesente u n avantage consideacuterable l a vente du meacutethane ains i produi t peu t aide r agrave compenser

le coucirc t d e l a seacutequestratio n d u CO2 Deacutependan t d u typ e d e charbo n utilis eacute le s eacutetude s d e

laboratoire indiquen t quentr e deu x e t di x moleacutecule s d e CO 2 son t absorbeacutee s pou r chaqu e

moleacutecule d e meacutethan e libeacuter eacute (Stanto n et al 2001 Pa n e t Connell 2009) Linconveacutenien t

majeur d e cett e technologi e es t l a faible porosit eacute d e l a surface d u charbo n qu i s e tradui t pa r

un mauvais contac t du CO2 avec lensemble de la surface d u charbon

18

Stockage dans le s aquifegraveres salin s

Les reacuteserves planeacutetaires en eau saline deacutepassent largemen t celle s du peacutetrole e t de gaz naturel

Leurs potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 sont consideacuterables plu s 700 0 milliard s d e tonne s

de CO2 (Yang 2008)

Les aquifegraveres son t de s formation s geacuteologique s constitueacutes d e roches permeacuteable s contenan t d e

leau mobiliseacute e quelle s son t capable s d e restitue r naturellemen t (Herzo g et al 1997

Herzog 2001) Une telle technologie es t deacutejagrave utiliseacute e en Norvegravege o ugrave l a plate-forme offshor e

de ga z nature l d e Sleipne r inject e u n millio n d e tonne s d e CO 2 par anneacute e agrave 100 0 megravetr e d e

profondeur dan s la mer du Nord (Santos 2005)

Stockage dans la biomass e

Tel qu e expliqu eacute agrave l a sectio n 11 2 lor s d u processus d e l a photosynthegravese le s plantes verte s

absorbent d u CO 2 de latmosphegraver e afi n d e l e converti r e n glucos e e t e n dautre s substance s

indispensable agrave leu r survie Lor s d e l a respirafio n cellulair e l e glucos e es t laquobmleacute raquo pou r

produire d e leacutenergi e qu i ser t agrave mainteni r le s foncfion s vitale s de s veacutegeacutetau x (Campagna

1996) Les forecircts e t les algues marines sont les principaux reacuteservoir s vert s du CO2

Les forecirct s

Les arbre s duran t leu r croissance absorben t e t stocken t l e CO 2 de lai r jusquagrave c e qu e leu r

bois soi t brucircl eacute o u deacutecompos eacute naturellement Le s forecirct s contiennen t 8 0 d e l a biomass e

continentale (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s fonctionnen t donc duran t u n certai n temp s

comme de s puit s d e CO 2 e t contribuen t agrave reacuteduir e leffe t d e serre Un e forecirc t es t consideacutereacute e

comme pui s d e carbon e quan d ell e absorb e e t stock e l e CO 2 d e maniegraver e durabl e dan s l a

biomasse faisan t d e sort e qu e l a teneu r e n CO 2 d e latmosphegraver e diminue L a biomass e

aeacuterienne de s jeunes forecirct s agrave croissance rapid e fixe plus de gaz carbonique quell e nen rejett e

(Campagna 1996) Toutefois le s arbres mures des forecircts seacutequestren t tregrave s peu de CO2 Apregraves

une peacuteriode de 50 ans la forecirct es t consideacutereacutee mature

19

Ce nest pa s l e taux de fixation d u carbone qu i es t deacuteterminant mai s l e temps pendant leque l

il es t stock eacute dan s l a biomass e (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s e t le s autre s type s d e

veacutegeacutetation peuven t capte r e t transforme r entr e 2 0 e t 30 de s eacutemission s causeacutee s pa r la

combustion deacutenergie s fossiles e t cett e valeu r pourrai t encor e ecirctr e augmenteacute e pa r de s

reboisements Cependant o n admet que tous les puits de CO2 du monde seron t satureacute s dici agrave

2050 Pa r ailleurs le s puit s actuel s pourraien t auss i deveni r de s source s d e CO 2 s i

latmosphegravere devai t s e reacutechauffer Fischli n et al (2006 ) considegraver e que n ca s d e

reacutechauffement climatiqu e selo n le s modegraveles preacutevisionnels actuels le s peacuteriodes de seacutecheress e

(entraicircnant u n risqu e acc m dincendi e e t u n affaiblissemen t de s arbres) voir e le s tempecirctes

pourraient s e muhiplie r globalemen t e t localement dougrave entr e autres un e possibl e

augmentation de s attaque s pa r de s insectes Tou s ce s facteur s pourraien t fair e mouri r le s

arbres qui agrave leur tour une fois deacutecomposeacutes libeacutereront du CO2 dans latmosphegravere

Algues marine s

Les algue s marine s agrave l a surfac e de s oceacutean s jouen t u n rocircl e importan t dan s leacutecosystegravem e

marin Le s micros-algue s utilisen t le s rayon s d u solei l pou r leu r croissanc e eacutetan t donn eacute

quelles son t source s deacutenergi e e t permetten t d e transforme r l e CO 2 e n composant s

organiques (Herzo g et al 1997 Herzog 2001) Elle s repreacutesenten t l a base nutrifionnell e d e

la vi e marin e e t terrest e car elle s produisen t plu s d e 9 0 d e lactivit eacute photosyntheacutetiqu e

repreacutesentant pa r l e fai t mecircm e l a premiegravere sourc e doxygegravene su r la Terre Les expeacuteriences ont

deacutemontreacute qu e le s rendement s d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s algue s marines l e

zooplancton e t les bacteacuteries ont quadmpleacute suite agrave la fertilisation de s algues en ajoutant 800k g

de fe r su r un e surfac e d e 4 9 k m dan s loceacutea n Atlantiqu e Su d mai s ell e peu t repreacutesente r

certains dangers comme l e deacuteseacutequilibre de la flore marine (Herzog 2001)

La manipulatio n geacuteneacutetiqu e es t un e autr e voi e qu i permettr a au x algue s agrave augmente r leu r

pouvoir de seacutequestration d u CO2

20

Cette voie a eacuteteacute envisageacutee pour creacuteer des algues reacutesistantes agrave un environnement pauvr e en fe r

et ains i augmente r l a prolifeacuteratio n de s algue s marines mai s de s plante s marine s pouvan t

prolifeacuterer abondammen t dan s u n milie u carenc e e n fe r pourraien t induir e de s reacuteaction s e n

chaicircnes impreacutevisible s dan s le s eacutecosystegravemes marin s (Herzog 2001) Le s eacutetudes portant su r l a

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s son t beaucou p moin s

nombreuses

13 Seacutequestratio n d u CO2 par des mateacuteriaux alcalin s

Puisque l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s es t lobjecti f

principal d e l a preacutesent e eacutetude l a revu e deacutetailleacute e d e l a litteacuteratur e su r l e suje t es t preacutesenteacute e

dans cette section

Plusieurs recherche s (Lackne r et al 199 5 Stolarof f et al 200 5 Huijge n et al 2005 -

2006 Soong et al 200 6 Bonenfant et al 200 8 Montes-Hemandez et al 2008-2009 ) ont

proposeacute l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 comme un e altemativ e afi n reacuteduir e le s eacutemission s

de CO2 dans latmosphegravere e n ufilisant le s reacutesidus alcalins tels que les deacutechets municipaux le s

cendres volante s de s fours d e l a saumure le s deacutechet s d e beacuteto n e t d e ciment le s scorie s

dacier e t les boues de deacutesencrage des papeteries

131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriaux alcalins les fondement s

Lideacutee d e la seacutequestration mineacuteral e du CO2 a eacuteteacute lanceacutee par Seifritz e n 199 0 et a eacuteteacute eacutetudieacute en

en profondeur pa r Lackne r dan s les deacutebuts des anneacutees 90 Cette technologi e es t baseacutee su r un

pheacutenomegravene chimiqu e simpl e la formation d e carbonates stable s suit e agrave ladsorption d u CO2

par de s composeacute s alcalin s tel s qu e le s oxyde s d e calciu m (CaO ) e t d e magneacutesiu m (MgO )

(Lackner 1995) Les efforts le s plus consistants son t poseacutes su r linvention dun e technologi e

utilisant le s scorie s de s acieacuteries le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s e t le s mineacuterau x

alcalins tels que lolivine l a serpenfine l e wollostonite comm e matrice s afi n d e seacutequestrer l e

CO2

21

Quant agrave lutilisatio n de s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e

cimenteries son t dan s leur s premiegravere s phase s dessais E n fait i l exist e deu x type s d e

seacutequestration mineacuterale du CO2 ex-situ et in-situ

La seacutequestration ex-situ

Cette technologie es t appeleacutee ex-situ car on utilise les mineacuteraux alcalin s qui se trouvent dan s

la nature tel s que la serpentine lolivine l e wallostonite l e talc et c pou r l a seacutequestratio n d u

CO2 Linteacuterecirc t dutilise r le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalin s pou r l a seacutequestratio n

du CO 2 consiste dan s l e fai t qu e c e processus es t exothermiqu e e t qui l perme t l a formatio n

de carbonate s stable s (Lackner 199 5 Khoo e t Tan 2006 ) gracircc e agrave leur s teneur s eacuteleveacutee s e n

oxydes de magneacutesium (MgO ) et de calcium (CaO ) (Proctor et al 2000 ) comme l e deacutemontre

le tableau 12

La serpenfin e e t lolivin e ont eacutet eacute identifieacutee s pa r plusieur s (Beara t et al 2006 Kho o e t Tan

2006 Checircne al 2006 Huijge n et al 200 6 Krevor e t Lackner 200 9 Prigiobbe et al

2009) comme les mineacuteraux le s plus prometteurs agrave utiliser pour l a seacutequestration d u CO2 gracircce

agrave leurs pouvoirs alcalins et les quantiteacutes eacuteleveacutees quon trouve dans l a nature

Ces mineacuterau x doiven t ecirctr e transporteacute s pregrave s de s usine s eacutemettrice s d e CO 2 et broyeacute s avan t

decirctre utiliseacute s pour l a seacutequestration d u CO2 Le concept es t baseacute su r l e pheacutenomegravene nature l d e

lalteacuteration de s mineacuterau x alcalin s pa r l e CO 2 dan s leque l le s silicate s d e calciu m o u d e

magneacutesium son t transformeacute s e n carbonates L a carbonatatio n mineacuteral e engloban t tou s le s

mineacuteraux alcalin s es t preacutesenteacutee par les reacuteactions ci-dessous (Kho o et Tan 2006)

(Ca Mg)Si03(s) + C02(g) -gt (Ca Mg)C03(s) + Si02(s) + 90 kJmole (16 )

La reacuteactio n 1 6 deacutemontr e l e potentie l d e transforme r naturellemen t de s mineacuterau x riche s e n

silicates de magneacutesium e t de calcium en carbonates e t en silice

22

Tableau 12 La teneur en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Mateacuteriaux (mineacuterau x

alcalins)

Peridotite Dunit e (olivine )

Hazburgite

Lhezhorlite

Serpentine

Gabro

Basait

Talc

Wallastonite

Teneur en Mg O

masse

495

454

281

400

100

62

440

-

Teneur en CaO

masse

03

07

73

0

130

94

-

350

De tout e eacutevidence l a capacit eacute d e seacutequestre r l e CO 2 pou r le s reacutesidu s alcalin s deacutepen d

directement de la proportion des oxydes meacutetalliques de calcium et de magneacutesium (CaO et de

MgO) e t leur s hydroxyde s respectif s Ca(0H) 2 e t Mg(0H 2 contenue s dan s l a matric e de s

deacutechets (Montes-Hemandez et al 2009)

Dans de s condition s ideacuteale s e n suivan t l a reacuteacfio n 16 un e tonn e d e serpentin e peu t

seacutequestrer enviro n une demi-tonne de CO2 et une tonne de lolivine peu t seacutequestrer enviro n

deux fiers dune tonn e d e CO 2 (Khoo e t Tan 2006) L a reacuteaction es t exothermiqu e e t ell e

libegravere 90 kJmole de CO2 Le s eacutetudes deacutemontrent que le processus de carbonatation aqueuse

suit deu x eacutetapes a ) l a dissolutio n de s cafion s e n solutio n suiv i pa r b ) l a nucleacuteatio n e t l a

croissance des preacutecipiteacutes de carbonate (Park et Fan 2004 Maroto-Valer et al 200 5 Krevor

et Lackner 2009)L a raiso n principal e d e lutilisatio n d e ce s mineacuterau x es t labondanc e d e

ces derniers dans la nature

23

Les quanfiteacutes de serpentine en particulier son t largement disponibles dans le monde entier de te l poin t quo n peu t seacutequestre r tou t l e CO 2 qui peu t ecirctr e geacuteneacuter eacute agrave parti r d e toute s le s reacuteserves planeacutetaires en charbon Leur faible coucirct combineacute avec le caractegravere exothermique du processus d e carbonatation (reacuteacfio n 16 ) son t le s deu x principaux argument s qu i peuven t justifier l e deacuteveloppement d e ce proceacutedeacute au niveau industrie l (voi r figur e 14) Malgr eacute le s avantages deacutecrit s ci-dessus l a seacutequestratio n d u CO2 par l a carbonatatio n mineacuteral e es t un processus qu i est limiteacutee par l a lenteur de la reacuteaction de carbonatation e t notamment d e la lenteur d u taux d e dissolution de s silicate s dans des conditions faiblement acide s (Chen et al 2008)

^bulliltNr- -gtv v

Serpentine

r-^BoMWraquo iuml ^ Olivine

Pipeline

Vision 21 Power Plant bullwr

ww-

mdashp

1

te Minerai Carbonation Plant

AfSOk^KP^

^agnesItB amp Sillca Constructio n Mateacuteriel Industiial Reagents Mine Reacuteclamation

Figure 14 L a seacutequestration du CO2 par carbonatation mineacuterale Tireacute de Goldberg (2001 )

Le renforcement d e la vitesse de la dissolution a eacuteteacute identifieacute comm e lune des principales opportiiniteacutes pour la reacuteduction des coucircts directs de ce processus (Krevor et Lackner 2009) Les coucircts dutilisation d e ces mineacuteraux sont faibles mais les coucircts de transports eacuteleveacutes Ils peuvent donc limiter leur utilisation en grande eacutechelle pour la seacutequesti-ation du CO2 La consommation deacutenergi e associeacute e a u broyage de s mineacuteraux repreacutesenten t 7 5 du coucirct total de leacutenergie demandeacutee de tout le processus de seacutequestration du CO2

24

Ces coucirct s peuvent augmente r jusqu agrave 90 s i on vise agrave obtenir un e granulomeacutetri e d e moin s

de 75 mm (Krevo r e t Lackner 2009) De plus les mineacuteraux alcalin s ne se comportent pa s de

la mecircm e faccedilo n lor s l e processu s d e l a carbonatafion Le s serpentine s reacuteagissen t plu s

facilement tandi s qu e l a peridotit e es t l a plu s difficil e agrave carbonater Pou r avoi r de s

rendements satisfaisant s (4 0 agrave 8 0 ) d e carbonatation i l fau t augmente r l a tempeacuterature au -

dessus d e 150deg C et ajoute r de s solutions tampons telle s qu e l e chlorure d e sodium (NaCI ) et

bicarbonate d e sodiu m (NaHCOs ) o u ajoute r de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e acid e

chlorhydrique (HCl ) afi n dacceacuteleacutere r l a reacuteactio n d e formatio n de s carbonate s (Che n et al

2008)

La seacutequestration in-situ

Lutilisation de s reacutesidu s e t de s sous-produit s alcalin s issu s d e lactivit eacute industriell e de s

alumineries des acieacuteries e t des cimenteries est une autre altemative d e seacutequestration d u CO2

Ces mateacuteriau x alcalin s (boue s rouges scories poussiegravere s d e fou r e t cendre s volantes ) son t

produits pa r ce s usine s e t gracircc e agrave leur haute teneur e n Mg O e t CaO il s peuvent ecirctr e utiliseacute s

sur place (in-situ) pou r seacutequestrer l e CO2 eacutevitant ainsi le s coucircts de transport

Les boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouge s son t de s reacutesidus industriel s issu s du processus dextractio n daluminiu m agrave

partir d e l a bauxit e (proceacuted eacute Bayer) Ce s reacutesidu s (Doy e e t Duchesne 2003 ) on t u n p H

supeacuterieur agrave 1 2 et sont produit s agrave un taux de 2 tt daluminium commercialis eacute (Vacho n et al

1994) Le s boue s rouge s son t stockeacutee s soi t a u fon d de s oceacutean s (France Allemagne) soi t

preacutes des usines comme au Canada (Vachon et al 1994)

La production de s boues rouges en 2006 ses t chiffreacutee agrave 90 Mt dan s l e monde dont 3 Mt au

Canada e t o n preacutevoi t un e augmentatio n d e productio n d e 6 0 pa r deacutecenni e (Kharoun e et

al 2006) Le s grande s aluminerie s peuven t e n geacuteneacutere r jusqu agrave 67 5 00 0 tonne s pa r anneacute e

(Doye et Duchesne 2003)

25

Le tablea u 1 3 deacutemontr e qu e le s boue s rouge s on t un e teneu r eacuteleveacute e doxyd e d e calciu m

(CaO) et elles peuvent donc ecirctre ufiliseacutees afi n d e seacutequestrer l e CO2

Tableau 1 3 L a composition chimiqu e moyenne des boue s rouge s

Tireacute de Cabeza e t al (2003)

Composition en masse

AI2O3

10-20

CaO

2-8

FejOj

30-60

NazO

2-10

SiOz

3-50

TiOj

trace-10

Les scories des acieacuterie s

Lindustrie canadienn e d e lacieacuterag e constitu e l e secteu r l e plu s importan t d e l a meacutetallurgi e

du pay s (Mikhai l e t Aota 2006) Dix-sep t acieacuterie s exploiten t 2 1 usine s dan s hui t province s

canadiennes Dan s le s usine s inteacutegreacutees toute s situeacutee s e n Ontario de s haut s foumeau x

produisent d u fe r primair e agrave partir d e matiegraveres brute s comm e d u minera i d e fer d u charbo n

et de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006)

Les quatr e cateacutegorie s de s scorie s (Kharoun e et al 2006 ) deacutesigneacutee s selo n leu r proceacuted eacute d e

fabrication son t le s scorie s FO P (fou r agrave oxygegraven e pur) le s scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c

eacutelectrique) le s scorie s H F (hau t foumeau ) e t le s scorie s F P (fou r poche) Lutilisatio n de s

scories dan s l e bu t d e seacutequestre r l e CO 2 es t important e s i o n considegraver e qui l s e produi t

actuellement 1 4 Mt a u Canada 2 1 M t au x Eacutetat s Uni s e t 35 0 M t d e scorie s dan s l e mond e

dont 19 0 M t d e typ e H F (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e tonn e dacie r produit 02 8 agrave 1

tonne CO2 sont eacutemis dans latmosphegravere

Ce son t le s pH eacuteleveacute s (1 2 agrave 13 ) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxyde s meacutetallique s (Huijge n et

al 2005 ) le s raisons principale s d e lutilisatio n de s scories comm e substra t d e seacutequestratio n

du CO2 comme l e deacutemontre l e tableau 14

26

Tableau 1 4 La composition chimiqu e moyenne de s scorie s

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Composants (Vo en masse )

CaO Si02

A1203 MgO FeO MnO

Types de scorie s

FAEacute 30-40 10-20 lt10 lt10

15-35 lt10

FOP 42-52 9-13 05-3

1-8 15-35 3-10

FP 48-52 8-10 15-25 8-10 2-4 lt4

HF 39-42 33-39 9-13 6-9

0-01 01-05

Les scories FOP et FP sont plus riches en calcium qu e celle FAEacute tandis que les scories FP

sont plus riches on oxyde daluminium Le s teneurs en meacutetaux lourd s sont faibles pou r les

trois types de scories eacutetudieacutees

Les poussiegraveres de four des cimenterie s

Les poussiegravere s d e fou r d e cimenterie connue s auss i sou s l e no m d e laquo ceacutemen t kil n dus t raquo

(CKD) son t de s reacutesidu s industriel s reacutecupeacutereacute s pa r le s filtres eacutelectrostatique s lor s d e l a

fabrication d u clinke r (Doy e e t Duchesne 2003) Geacuteneacuteralement 1-1 5 tonne s d e calcair e e t

de 0 5 tonne s d e charbo n son t utiliseacute s pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e clinker L a

consommation deacutenergi e pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e cimen t seacutelegravev e agrave 4000 M J dont

pregraves de 80 est dorigine thermiqu e e t le reste de leacutenergie eacutelectrique E n outre 08-1 tonn e

de CO 2 est eacutemis e dan s latmosphegraver e pa r tonn e d e clinke r produit e (Kuma r et al 2006) L a

production mondial e des CKD seacutelegraveve agrave 30 millions de tonnes Une tregraves faible proportio n (15

) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x dan s le s industrie s agricole s e t d e l a

construction (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003)

Il fau t note r qu e jusque agrave l a fin des anneacutees 9 0 pregraves d e 4 millions d e CK D s e retrouvaient e n

tas ou dans des eacutetangs agrave cocircteacute des usines en Ameacuterique du Nord (Doy e e t Duchesne 2003) De

nos jours presqu e toute s le s CK D son t recycle s dan s l e processu s d e fabricatio n d u cimen t

(Huntzinger 2009)

27

Le tableau 1 5 deacutemontr e qu e le s CK D son t rich e e n oxyde s d e calcium Elle s possegraveden t u n

potentiel ne t d e neutralisatio n tregrave s eacutelev eacute (42 6 k g CaC03t) u n p H d e 126 un e reacuteserv e

importante e n sulfate s (10 3 SO4 ) ains i qu e de s concentration s e n meacutetau x lourd s plu s o u

moins importantes de lordre d e ppm tels que Cr Pb et Zn (Doye e t Duchesne 2003)

Tableau 1 5 La composifion chimiqu e moyenne des CK D

Tireacute de Corish et Coleman (1995)

Composition en mass e

Poussiegraveres d e four (CKD )

AI2O3

3-6

CaO

38-50

FczO

1-4

MgO

0-2

NaO

0-2

SiOj

11-16

Les cendres volante s

Les cendres volante s repreacutesenten t de s reacutesidus tregraves fins issus entre autre s de la combustion d u

charbon pulveacuteris eacute e t pouss eacute dan s l a chambr e d e combustio n du n fou r pa r de s ga z

deacutechappement Le s cendre s volante s son t classifieacutee s selo n leur s teneur s e n Ca O e t d u typ e

du charbon brucircl eacute (voi r tableau 16) e n deux classes F et C (Biemacki et al 2007)

Les cendres volantes de classe F confiennent moin s de 1 0 de CaO et sont utiliseacutees pou r la

fertilisation de s sols Le s cendres volante s d e classe C contiennent plu s d e 1 0 de CaO e t

elles son t plu s communeacutemen t utiliseacutee s pou r l a fabricatio n d u beacuteto n (Montes-Hernande z et

al 2009)

La production de s cendres volantes seacutelevait agrave 4800000 tonnes a travers l e Canada en 2001

dont 450000 tonnes on t eacuteteacute utiliseacutees pour la fabrication d u ciment (Bouzouba a e t Foumier

2003)

28

Tableau 1 6 La composition chimiqu e des cendres volante s

Tireacute de Soong et al (2006 )

Composition masse

Sulfur

0-002

C

0-15

AI2O3

59-187

CaO

18-29

Fe203

5-85

K2O

03-24

MgO

14-64

NazO

06-55

Si02

14-516

En Europe e t selo n le s anneacutees de 2 agrave 3 Mt de cendres volantes su r une production total e d e

43 M t son t utiliseacutee s dan s l a constructio n d e route s soi t u n tau x dutilisatio n globa l dan s c e

secteur dactiviteacute d e 8

On enregistre actuellemen t 7 Mt en Australie 70 8 M t (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003 ) au x

Eacutetats Unis de s centaine s de s meacutegatonne s e n Chin e e t 10 0 M t dan s de s deacutecharge s e n Inde s

(Kumar et al 2005) Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestre r jusquagrave 2 6 kg de CO2

(Montes-Hemandez ea 2009)

Il exist e deu x type s d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s industriel s alcalin s l a

carbonatation direct e e t la carbonatation indirect e des oxydes meacutetalliques

A) L a carbonatation direct e

Ce proceacuted eacute perme t dinjecte r d u CO 2 gazeu x directemen t su r de s reacutesidu s alcalin s agrave leacuteta t

solides L e CO2 reacuteagit ave c le s oxydes meacutetalliques d e CaO e t MgO et formes de s carbonate s

stables selon les eacutequations suivante s (Lackner et al 1995)

CaO + CO2 -^ CaC0 3 + 17 9 kJmole

MgO + CO2 -gt MgC0 3 + 11 8 kJmole

(17)

(18)

Pour c e typ e d e seacutequestratio n le s quantiteacute s d e Ca O e t d e Mg O neacutecessaire s pou r lie r l e CO2

produit par la combustion dun e tonn e de carbone son t respectivement d e 47 et 34 tonnes

29

B) Carbonatatio n de s oxydes meacutetalliques en milieux aqueu x acide s

La seacutequestratio n indirect e d u CO2 soit l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s

alcalins e n milieu x aqueu x basiques es t l a meacutethod e l a plu s eacutetudieacutee Mecircm e s i leacutetud e de s

meacutecanismes qu i reacutegissen t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s n e fai t pa s parti e de s

objectifs d e ce meacutemoire i l importe de deacutecrire briegravevement le s principaux meacutecanisme s afi n d e

mieux comprendr e c e processus Dun e faccedilo n plu s deacutetailleacutee l a carbonatatio n s e deacuteroule e n

cinq eacutetapes 1) La diffusion d u Ca sur la surface de s particules de l a scorie 2) l a dissolutio n

du C a dan s l a solution 3 ) l a dissolufio n d u CO2 4 ) l a conversio n d u CO 2 dissou t e n ion s

bicarbonate e t 5) la preacutecipitation du CaC03 (Huijgen et al 2005)

Le CO 2 reacuteagi t ave c d e lea u e t form e d e lacid e carboniqu e (H2CO3 ) selo n le s eacutequation s

suivantes (lizuka et al 2004 )

CO2 + H2O ^ H2CO 3 (19 )

H2CO3 ^ H ^ + HCO3 (110 )

H C 0 3 ^ H ^ + C03^ (111 )

Le CaO peut eacutegalemen t reacuteagi r avec lea u pou r produire des cations calcium selo n l a reacuteaction

suivante (Huijgen e t Comans 2003)

CaO + H2O ^ Ca^ ^ + 2 OH (111 )

Tous le s produit s de s reacuteaction s 1 9 agrave 11 2 peuven t reacuteagi r ave c l e CO 2 pou r forme r de s

carbonates L a reacuteactio n entr e ce s oxydes l e CO 2 e t lea u a pou r reacutesulta t l a formatio n de s

monocarbonates e t bicarbonates (Bonenfan t et al1006 Soon g et al 2006)

Hujgen et al (2006 ) on t deacutetermin eacute le s meacutecanisme s reacuteacfionnel s d e Ca-carbonatatio n

(modegravele geacuteothermique ) comm e sui t

Ca(0H)2 + CO 2 - ^ CaC0 3 + H2 O (113 ) portlandite calcit e

30

Ca6(Al)2(OH)2(S04)326 H2O + 6H2O -gt 6CaC03 + 2A1^^ +3S04^- + 32H2O (114 ) ettringite calcit e

Ca-silicate (CSH) + CO2 CaC0 3 (calcite) +Si02 (partiel ) (L15 )

Reacuteactions 1 9 agrave 11 1 repreacutesenten t l a dissociatio n d e l a dissolutio n CO 2 dan s leau le s

reacuteactions d e 11 2 et 11 3 repreacutesentent lextracfio n de s ions calciu m de s reacutesidu s alcalins Le s

reacuteactions 11 4 e t 11 5 repreacutesentent l a preacutecipitation d u carbonate d e calcium

Le meacutecanisme reacuteactionne l d u CO2 avec le MgO en milieu aqueux es t semblable agrave celui de

CaO (Femacircndezera 1999)

C02(g) + H20(l) ^ C02(aq ) (L16 )

MgO(s) + H20(l) - Mg(0H)2(s ) (117 )

C02(aq)--C02(i) (118 )

CO2 + Mg(0H)2(s) + (n-1 ) H20(aq) ^ MgC0 3 nH20(s) (119 )

MgC03 nH20(s) + CO2 ^ Mg^ ^ (i)+ 2 HCO^Xi) + (n-1) H2O (120 )

Mg^^i) + 2 HC03- (i) -^ M g q ) + 2 HCO^(aq) (1-21 )

ougrave le C02(i) le Mg^(i) et le HCO(i) son t les produits formeacutes eto u adsorbeacutes agrave linterface

La reacuteaction 12 0 ougrave l e carbonate d e magneacutesium form eacute agrave la surfac e de s particules reacuteagi t ave c

le CO2 pour forme r d u bicarbonate d e magneacutesium repreacutesent e leacutetap e l a plus importante d e ce

meacutecanisme

Toutefois lorsqu e l a concentration d e Mg O e n solutio n excegraved e 05 5 gL l a preacutecipitation d u

carbonate de magneacutesium peu t devenir l a reacuteaction dominante (Evan s et St-Clair 1949)

Les reacuteaction s 1 9 agrave 12 1 deacutemontren t qu e c e processu s s e produi t spontaneacutement san s

neacutecessiter de la chaleur

31

Dun poin t d e vu e thermodynamique l e maximu m d e conversio n d e calciu m conten u dan s

les reacutesidu s alcalin s deacutepen d d e deu x facteurs l a solubilit eacute de s ion s d u calciu m dan s l e

processus dextractio n e t d e l a solubilit eacute de s ion s calciu m dan s l a preacutecipitation L e produi t

net d e l a productio n d e CaC03 deacutepen d d e l a diffeacuterenc e d e solubilit eacute entr e l e processu s

dextraction e t celui de la preacutecipitation (lizuk a et al 2004)

132 Leffe t de s variables sur la carbonatatio n

Plusieurs variable s affecten t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s e t sous -

produits alcalins Nombreux chercheur s ont eacutetudieacute leffe t de s variable s su r l e processus de la

carbonatation (Stolarof f e al 2003 Druckenmille r e t Maroto-Valera 2005 Maroto-Valer a

et al 2005 Stolarof f e r al 2003 Hujge n et al 2003-2006 Bonenfan t 2008) Leffe t de s

variables su r l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s basique s e n solutio n peu t ecirctr e seacutepar eacute

en deux cateacutegories

Variables affectan t l a solubiliteacute du C02dans lea u

Le pH la tempeacuterature e t la saliniteacute de leau ains i que la pression partielle du CO2 ont un effe t

direct su r l a solubiliteacute du CO2 dans leau Plu s le pH est basique plus l a solubiliteacute du CO2 est

eacuteleveacutee L a solubilit eacute d u CO 2 se fai t selo n l a lo i dHenr y pou r de s pression s supeacuterieure s agrave 5

atm (Vas Bhat 2000)

[C02]aq=KHpC02= 0032 pC02 (122 )

KH es t l e coefficien t d e solubilit eacute o u constant e dHem y d u CO 2 qu i es t deacutependant e d e l a

tempeacuterature e t de la saliniteacute et pC02 est la pression partielle du CO2

32

Lapproche d e Setcheno w qu i illustr e linfluenc e de s sel s su r l a solubilit eacute d u CO 2 peu t

sappliquer agrave diffeacuterents sel s mineacuterales comme sui t

X = xO exp(-Acirc) (123 )

ougrave X e t xO sont le s fracfions molaire s d u gaz acide dans lea u pur e e t dans l a solution saline

K es t la constante de Setchenow e t I est la force ioniqu e du sel

Variables affectan t directemen t l a carbonatation de s oxydes meacutetallique s basique s en solution

La granulomeacutetri e de s particules l a concentratio n (rati o solideliquide ) doxyd e meacutetalliqu e

dans l a solution l e temps la tempeacuterature d e reacuteaction l a pression partiell e e t le deacutebit du CO2

ainsi qu e l a vitesse d e brassag e d e l a solutio n son t le s variables qu i influencen t directemen t

la carbonatation de s oxydes meacutetalliques basiques en solution

Il fau t note r qu e l a vitess e d e brassag e nes t pa s influenceacute e e t ninfluenc e pa s le s autre s

variables lors le processus de carbonatation

Granulomeacutetrie de s particule s

La granulomeacutetri e de s particule s joue u n rocircl e tregrave s importan t su r l a carbonatatio n de s oxyde s

meacutetalliques Le s eacutetude s d e Hujge n et al (2006) Bonenfan t et al (2008) Baciocch i et al

(2009) on t deacutemontreacute s qu e le s quantiteacutes de s carbonate s e t des silicate s d e magneacutesium eacutetaien t

plus eacuteleveacute s agrave de s granulomeacutetrie s d e scorie s e t d e wallastonit e lt 38pm L a conversio n d u

CaO d e scorie s dacieacuterie s e n carbonate s pass e d e 2 4 agrave 74 lorsqu e l a granulomeacutetri e de s

particules diminu e d e lt 2 mm agrave lt 38 pm Reacuteduire la granulomeacutetrie pa r deux peu t augmente r

la conversion d e 32 agrave 62 (Hujgen 2005)

Vitesse de brassage

La conversio n d e CO 2 e n carbonate s nes t pa s influenceacute e pa r l a vitess e d e brassag e gt 50 0

rpm (Hujge n et al 2006 ) mais peu t empecircche r l a preacutecipitatio n d u Mg O (Femacircnde z et al

1999) E n revanche baisse r l a vitess e d e brassag e d e 50 0 agrave 10 0 rp m reacutesult e e n un e

diminution marqueacute e de la conversion de CO2 en carbonates (Hujge n et al 2006)

33

Ratio solideliquide (LS )

Plus l a solution es t dilueacutee plus l a conversion d u CO2 en carbonates es t eacuteleveacutee (Hujgen et al

2006 Bonenfan t et al 2008) Autremen t dh plu s l e rafi o L S es t eacutelev eacute plus l e degr eacute d e

carbonatation es t eacuteleveacutee Toutefois leffe t d e c e paramegravetr e su r l a carbonatatio n deacutepen d de s

autres paramegravetre s tel s qu e l a tempeacuteratur e e t l a pressio n d e lexpeacuterimentatio n (Baciocch i et

al 2009)

La tempeacuterature e t la pression du CO

Ces deu x variable s son t tregrave s lieacutee s lun e agrave lautre L a tempeacuteratur e peu t avoi r de s effet s

contradictoires su r l a carbonatation Agrave haute tempeacuterature l a lixiviatio n d u C a d e l a matric e

peut ecirctr e tregraves rapide mais l a solubiliteacute d u CO2 dans l a solution peu t diminue r (Hujge n et al

2005) Agrave un e pressio n d e 2 0 bar s d e CO 2 l a carbonatafio n augment e s i l a tempeacuteratur e n e

deacutepasse pa s le s 15O C e t attein t so n maximu m agrave 200C L a conversio n diminu e abruptemen t

au-dessus d e 200C C e reacutesulta t es t d ucirc au x effet s contradictoire s d e l a tempeacuteratur e

laugmentation d e l a tempeacuterature augment e l a vitesse de reacuteaction e t l e transfert d e masse de s

ions d e calciu m (lixiviation ) mais d e lautr e coteacute ell e provoqu e l a baiss e de s ion s

bicarbonate dan s lea u (Montes-Hemande z et al 2009) L a formatio n de s carbonate s es t

plus eacuteleveacutee aux basses pressions et agrave de hautes tempeacuteratures (Och s et al 1998)

133 Cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2

La cineacutetique dadsorptio n d u CO 2 deacutepend comm e o n vien t d e voir d e plusieur s paramegravetres

La vitesse d e reacuteaction deacutepen d grandemen t d e la tempeacuterature e t de l a pression (Huijge n et al

2006) Alor s qu e l a premiegraver e eacutetap e es t rapid e e t caracteacuteriseacute e pa r la formatio n d e CaCO j e n

quantiteacute relativement importante l a seconde eacutetape est plus lente (Gmpta e t Fan 2002)

En effet l e CaC0 3 form eacute preacutealablemen t dan s l a premiegraver e eacutetape constitu e un e barriegraver e qu i

gecircne la reacuteactio n d u Ca O disponibl e ave c l e CO 2 D e c e fait ladsorptio n d u CO 2 se trouv e

limiteacutee

34

Par conseacutequent l e pheacutenomegravene d e diffusion de s composants chimique s agrave travers l a couche d e

CaC03 form eacute constitu e u n paramegravetr e cl eacute qu i gouvern e l a cineacutetiqu e d e l a second e eacutetape L e

processus de lixiviation influenc e don c le degreacute de carbonatation L e transfert d e masse dans

les pores d u solid e es t difficil e agrave eacutevaluer selo n Ochsenkuhn-Petroloulo u et al (2002) car i l

est impossibl e d e deacutefini r l a form e de s canau x empmnteacute s pa r l a mafiegravere O n peu t toutefois

selon ce s auteurs obteni r un e esfimatio n approximativ e d u transfer t de s particule s dan s l a

solution agrave laide d e leacutequation suivant e

Dnidt=kA(Cs-c)b (124 )

ou

A est Faire de linterface solide-liquid e

b est leacutepaisseur d u film entourant le s particules

c est la concentration (mv ) du soluteacute

t est le temps

Cs est la concentration d e la solution satureacutee en contacte avec les particules

m est l a masse des particules transfeacutereacutees dan s le temps t

k es t le coefficient d e diffusion

Lair d e linterfac e solide-liquid e es t proportionne l au x nombre s de s particule s solide s dan s

la solution e t l e ratio L S es t l a fraction d e lair e speacutecifiqu e de s particule s d u reacutesid u alcali n

qui participent dan s l e processus de lixiviafion (Ochsenkuhn-Petroloulo u et al 2002) Ainsi

la taille de s pore s d e Ca O e t leu r distributio n deviennen t de s facteur s important s quan t agrave l a

conversion d e Ca O e n CaC03 A ce propos des performance s d e conversio n d e 7 0 e t 8 2

ont eacutet eacute reacutealiseacutees pa r Bhati a an d Perlmutte r (1983 ) e t Mess et al (1999 ) respecfivement pou r

des granulomeacutetries de 81-173pm et 15-2 0 pm

35

Pour exprime r d e faccedilo n apparent e l a cineacutetiqu e d e cett e conversio n d e Ca O e n CaC03 u n

modegravele matheacutematique a eacuteteacute proposeacute par Lee (2004)

X = k b t(b+t) e t dXdt - k (1-XXu)^ (125 )

ougrave X e t X u son t l a conversio n e t l a conversio n ultim e d e CaO k es t un e constant e d e l a

vitesse de cineacutetique b est le temp s neacutecessaire atteindre Xu2 e t t est l e temps

Pour deacutecrir e l a vhess e d e conversio n d e Mg O e n MgC03 u n modegravel e matheacutematiqu e a eacutet eacute

proposeacute par Femacircndez et al (1999 )

kt= l-(l-XMgO)^ ^ (126 )

ougrave XMgO repreacutesente l a conversion d e MgO k est une constante de la vitesse d e cineacutetique

t est le temps

Lors de ces reacuteactions l e CO2 sattache chimiquemen t agrave l a surface de s oxydes meacutetalliques d e

MgO CaO Ti0 2 pou r forme r de s unidentate s dan s l e ca s d e Ca O (Aurou x e t Gervasini

1990) e t d e unidentates (u n seu l atom e es t donneur deacutelectrons ) e t bidentate s (deu x atome s

sont des donneurs deacutelectrons) dan s le cas de MgO et de Ti02 (Udovic e t Dumestic 1984)

Laluminium es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quanfiteacute s dan s le s solution s de s boue s rouges

mais i l form e beaucou p moin s d e carbonate s compareacute s au x Ca O e t MgO Coolin g et al

(2002) ont deacutemontr eacute qu e l a soude caustiqu e e t l e TCA-6 ( 3 Ca(0H)2 2 A1(0H)3) adsorben t

respectivement 29 0 e t 469 du CO2 adsorbeacute par le s boues rouges L e Si02 ne forment pa s

de carbonates mecircm e si l adsorb e un e bonne quantit eacute d e CO 2 (Ueno e t Bennet t 1978 Bal et

al 2001) E n revanche le s bicarbonates s e formen t suit e agrave ladsorption d u CO 2 sur les site s

acides fort s de s oxyde s selo n u n meacutecanism e d u typ e Langmuir-Hinshellwood Ce s

meacutecanismes impliquen t lisotherm e d e Langmuir (cas I et III)

36

Cette isotherm e peu t ecirctr e deacutecrite en termes de taux d e reacuteaction agrave la surface d e ladsorban t O

(Erzeng 2006)

0 = nombre de sites dadsorption occupeacute s (L27 ) nombre de sites dadsorpfion disponible s

O = 0 ~ l

Ce meacutecanism e (Langmuir-Hinshellwood ) sappliqu e dan s l e ca s d e ladsorpfio n d e deu x

reacuteactifs su r une surface san s dissociation

A(g) + B(g) ^ A(ads ) + B(ads) -^ Produi t (128 )

La vitesse de cette reacuteaction est donneacutee par

ri = k [A] [B] = k copyAO B (129 )

Lisotherme d e Langmuir sapplique comm e sui t

copyA = BOAPA +BOAPA+BOBPB (130 )

copyB=BOBPB1+BOAP)+BOBP5 (131 )

ougrave B est le coefficient dadsorptio n ( A et B) et PA et PB le s pressions partielles de A et B

La vitesse deacuteriveacutee de lisotherme d e Langmuir cas III sillustr e comm e sui t

r = kBoABoB^sl +BOAPA + BOBPB (132 )

De no s jours aucun e eacutetud e n a eacutelucid eacute complegravetemen t le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t

ladsorption d u CO 2 en milieu x aqueu x de s oxyde s meacutetallique s basique s preacutesent s dan s le s

scories dacieacuterie s (Bonenfant 2008) U n nombr e importan t d e variable s peu t ralenti r o u

acceacuteleacuterer l a vitesse de la reacuteaction de ladsorption d u CO2

37

Plusieurs meacutethode s on t eacutet eacute examineacutee s jusqu agrave preacutesen t pa r le s chercheur s y compri s

laugmentation d e la surfac e de s particule s d e roch e pa r pulveacuterisation lutilisatio n d e

catalyseurs d e reacuteactio n tel s qu e lacid e chlorhydrique lacid e aceacutetiqu e o u hydroxyd e d e

lithium de s solution s tampon s telle s qu e bicarbonat e d e sodiu m e t l e carbonat e d e fe r

(Krevor e t Lackner 2009 ) e t des tempeacuteratures e t de s pressions eacuteleveacutee s o ugrave l e CO2 est en eacuteta t

supercritique (lizuk a et al 2004) Prigiobb e et al (2009 ) on t remarqu eacute qu e le s sel s

inorganiques tels que NaCl NaHCOs et KHCO3 ont ameacutelioreacute l a carbonatafion de s silicates

Ils ont concl u qu e l a variation d u pH peu t influence r l a dissolution d u CO 2 dans l a solufion

En revanche l a variafio n de s tau x d e HCl d e LiO H o u d e l a salinit eacute a produi t u n

changement dan s l a valeu r d u p H c e qu i agrave so n tou r condui t agrave un changemen t d u tau x d e l a

dissolution d u CO 2 mais i l n y avai t pa s d e preuve s du n effe t direc t e t indeacutependan t d e ce s

paramegravetres su r le taux de dissolution d u CO2

La variatio n d e p H n a pa s l a mecircm e influenc e su r toute s le s matrice s alcalines Lolivin e

semble decirctre l e mineacuteral alcali n l e plus influenceacute pa r l a variation d u pH s i on parle en termes

de dissolutio n d u CO2 I l n y a pa s deffe t dinhibitio n su r l a dissolutio n d u CO 2 agrave u n p H

supeacuterieur agrave 5 Ce constat es t important car agrave ces valeurs de pH e t agrave des tempeacuteratures d e 25 agrave

150 C le s preacutecipitations d e carbonates son t les plus eacuteleveacutees (Prigiobbe et al 2009) Lorsque

le pH de ce systegraveme es t presque neutre la dissolution d u CO2 est lente e t donc la dissolutio n

des mineacuteraux dans ces conditions es t moindre (Krevor e t Lackner 2009)

Liu et al (2005 ) ont deacutevelopp eacute un e meacutethode biomeacutetrique dan s laquell e lenzym e anhydras e

carbonique jou e l e rocircl e d e catalyseu r biologique Le s reacutesultat s obtenu s on t deacutemontr eacute qu e

lenzyme a acceacuteleacutereacute l a carbonatation de s oxydes meacutetalliques dans le milieu aqueux

En conclusion plusieur s paramegravetre s influence s l a cineacutefiqu e dadsorptio n d u CO 2 e t l a

formation de s carbonates C e son t donc laugmentatio n d e l a tempeacuterature d u rappor t LS

du temps de reacuteaction e t de l a pression partiell e d u CO2 les principaux facteur s qu i favorisen t

la conversion d u Ca en carbonates

38

134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s

Les boues rouge s des aluminerie s

La production de s boues rouges en 2006 sest chiffreacutee agrave 90 millions de tonnes dans le monde

dont troi s million s d e tonnes au Canada e t on preacutevoit un e augmentatio n d e production d e 6 0

par deacutecennie (Kumar et al 2006)

Le stockag e de s boue s rouge s repreacutesent e no n seulemen t u n problegravem e eacuteconomique agrave caus e

des coucirct s d e preacuteparatio n e t d e maintenanc e de s sites mai s auss i u n problegravem e

environnemental d ucirc agrave leur nature caustique

Les boues rouges son t ufiliseacutees dan s les domaines de (Sglavo et al 2000 Gupta et al 2001

Brunori et al 2005 Li et al 2006 )

constmction de s routes agrave cause de leur soliditeacute et de leur durabiliteacute

production d u ciment agrave cause de leur reacutesistance au gel et leur bas prix

fertilisation de s sols gracircce agrave leur teneur eacuteleveacutee en potassium e t en phosphate

extraction des oxydes de fer de scandium de plomb et de titan

fabrication d e ceacuteramique

neutralisation de s eaux des mines et des sites contamineacutes

Les scories des acieacuterie s

Lutilisation de s scorie s dans l e but de seacutequestrer l e CO2 est important e s i on considegravere qui l

se produi t actuellemen t 1 4 million s d e tonne s a u Canada 2 1 million s d e tonne s au x Eacutetat s

Unis e t 35 0 million s d e tonnes de scorie s dans l e monde (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e

tonne dacie r produit 02 8 agrave 1 tonne CO 2 son t eacutemi s dan s latmosphegravere Le s scorie s son t

utiliseacutees dan s plusieurs domaine s de leacuteconomie Le s principales ufilisation s de s scories son t

dans l e domain e d e l a constructio n (bitume ) e t comm e mateacuteriau x d e rembla i (Kharoune

2006) Des technique s reacutecente s permetten t l a reacutecupeacuteratio n d u phosphor e de s eau x useacutee s

(Soulard 2001)

39

Les scorie s d e typ e F P (Fou r Poche ) son t certifi eacute pou r u n usag e comm e amendemen t

calcique de s sol s (Procto r et al 2000) Dautre s utilisation s connue s de s scorie s son t dan s

les domaine s d e neutralisatio n de s eau x d e drainag e de s mines contr e leacuterosio n de s sols

comme mateacuterie l d e drainag e e t dadsorptio n de s meacutetau x lourds Mecircm e s i plusieur s

utilisations de s scorie s son t reacutepertorieacutees actuellemen t plusieur s dizaine s d e million s d e

tonnes de scories se trouvent accumuleacutee s su r des terrains partout dans l e monde

Les poussiegraveres de four des cimenteries (CKD )

La production mondial e de s CKD seacutelegravev e agrave 30 millions d e tonnes (Konsta-Gdouto s e t Shah

2003) Un e tregrave s faibl e proportio n (1 5 ) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x

dans le s industrie s agricole s e t d e l a construction Un e bonn e parti e (jusqu agrave 6 7 ) es t

reacuteutiliseacutee dan s le s fours d e production d u ciment e t le reste des CKD s e retrouvent e n pile ou

dans de s eacutetangs agrave proximiteacute de s usines On esfime agrave quatre million s d e tonnes d e poussiegravere s

accumuleacutees en Ameacuterique du Nord (Van Hoss et Padovani 2003)

Gracircce agrave leu r teneu r eacuteleveacute e e n calciu m e t potassiu m le s CK D son t tregrave s utiliseacutee s dan s l a

fertilisation de s sol s e t l a stabilisafio n de s eau x useacutee s e t de s boue s de s station s deacutepuration

Les CK D son t eacutegalemen t ufiliseacutee s avec succegrave s comm e remplissan t bitumineu x dan s l e

pavage e t l a toitur e dasphalte E n outre le s CK D e t le s cendre s volante s carbonate s

(utiliseacutees pour la seacutequestration du CO2) sont riches en carbonate d e calcium (CaC03 ) et de ce

fait elle s peuven t ecirctr e reacuteutiliseacutee s comm e mafiegravere s premiegravere s dan s l a fabricatio n d u ciment

Dans c e cas l e processu s d e carbonatatio n peu t ecirctr e consideacuter eacute comm e u n processu s d e

recyclage du ciment (lizuka et al 2004)

Les cendres volantes de s cimenterie s

Aux Eacutetat s Unies 708 millions de tonnes de cendres volante s d e tout genr e ont eacuteteacute produite s

en 2004 Preacutes de 40 de ces reacutesidus son t utiliseacutes comme additi f de ciment (Biemack i et al

2007) dan s de s bloc s d e maccedilonnerie comm e mateacuterie l e n alliage s leacutegers comm e matiegravere s

dagreacutegation fluides dan s l a chausseacuteeconstruction d e piste et comm e granule s de toiture

40

La plu s grand e applicafio n de s cendre s volante s es t dan s l e ciment bie n que d e nouvelle s

ufilisations creacuteatrice s pou r le s cendre s volante s soien t activemen t chercheacutee s (Konsta -

Gdoutos et Shah 2003 Kim 2004)

Pour l a peacuteriod e 200 3 agrave 2005 les centrales alimenteacutee s a u charbo n a u Canad a on t produi t e n

moyenne 45 2 M t de cendres volante s pa r anneacutee (Panagapko 2005) Dans lensemble 2 8

des cendre s volante s ont eacutet eacute reacuteutiliseacutes L e gyps e syntheacutetiqu e entr e dan s l a fabricatio n d e

panneaux d e placoplacirctre e t est utiliseacute agrave titre dadditif agrave ciment (Panagapko 2005) En Inde la

production d e cendre s volante s es t supeacuterieur e agrave 11 0 millions d e tonne s pa r a n e t seulemen t

20-25 de ces reacutesidus sont utiliseacutes agrave la fabrication d u ciment (Kumar et al 2005)

Reacutecemment Soon g et al (2006 ) on t propos eacute lutilisatio n de s cendre s volante s e t de s

solutions d e saumur e afi n d e seacutequestre r l e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuterale E n Europ e e t

selon le s anneacutees de 2 agrave 3 millions d e tonnes d e cendres volantes su r un e productio n total e

de 43 millions son t utiliseacutees en constructions d e routes soi t un taux dutilisatio n globa l dan s

ce secteur dactiviteacute d e 8

CHAPITRE 2

MATEacuteRIEL E T MEacuteTHODE S

Ce chapitr e preacutesent e l a meacutethodologie suivi e e t le s critegravere s d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacute s

lors d u projet boue s rouge s de s alumineries scorie s de s acieacuteries poussiegravere s d e fou r e t le s

cendres volantes des cimenteries

21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacute s

Des critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n on t eacutet eacute appliqueacute s pou r chacu n de s mateacuteriau x

cibleacutes Pa r critegravere s d e preacuteseacutelection o n sous-enten d tout e proprieacutet eacute physiqu e d e reacutesidu s

susceptible agrave preacutesente r de s danger s pou r l a sant eacute humain e telle s qu e de s odeur s

nauseacuteabondes deacutegagemen t d e ga z toxiques etc Le s reacutesidu s industriel s demandan t de s

proceacutedeacutes suppleacutementaire s afi n d e le s rendre non-toxique s o u ufilisable s avan t d e le s ufilise r

au laboratoir e on t eacutet eacute eacutecarteacute s d e l a preacutesent e eacutetude L a teneu r e n oxyde s meacutetallique s (CaO

MgO Si2 0 etc) l a teneu r e n meacutetau x lourd s (lixiviation) l e pH l a conductiviteacute l a

granulomeacutetrie son t le s principau x critegravere s d e seacutelectio n de s reacutesidus Huit reacutesidu s e t sous -

produits alcalin s ont eacuteteacute choisis pour reacutealiser leacutetud e su r l a seacutequestration d u CO2 deux type s

de boue s rouge s (humide s e t segraveches) trois types d e scorie s (FAEacute HF FP ) e t deu x type s d e

reacutesidus des cimenteries (poussiegraveres de four cendre s volantes)

211 Le s boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouges on t eacuteteacute foumies pa r Alcan Inc (Vaudreuil Queacutebec Canada) stockeacutee s dan s

des conteneur s hermeacutetiquemen t fermeacute s agrave 2 2 C L a couleu r roug e (Figur e 21 ) es t du e agrave l a

forte teneu r e n fe r e t so n p H eacutelev eacute es t l a conseacutequenc e d u traitemen t d e l a bauxit e agrave

lhydroxyde d e sodium (NaOH)

42

Boues rouge s humides

Boues rouge s segraveches

Figure 21 Photos des boues rouges humides et segraveches

Les boues rouges ont une granulomeacutetrie tregraves fine comprise entre 01 agrave 1000 pm une surface speacutecifique d e 1 0 agrave 4 0 m g e t un e mass e volum e trique qu i vari e d e 3 0 agrave 3 5 gcm ^ (Bonenfant et al 2006) Les boues rouges humides ont une sicciteacute de 50

Tableau 21 La composition chimique moyenne des boue s rouges Tireacute de Bonenfant (2006)

Composition en masse

Boues rouges

humides Boues rouges segraveches

AI2O3

193

19

CaO

58

77

FczOj

352

335

MgO

07

08

Na20

143

8

S1O2

53

96

43

Les oxydes preacutesenteacute s au tableau 21 font parti e des principales phases ( Hind et al 1999 Coolmg et al 2002 Cabeza et al 2003 ) comm e la portlandite (Ca (0H)2) le carbonate de sodium (Na2C03) le naal (0H)4 Na6[AlSi04]6 la cristalline dheacutematite (Fe203) la goethite (a-FeOOH) la gibbsite (Al (0H)3) la boehmite (y-AlOOH) la sodalite (Na4Al3Si30i2Cl) la anastase (Ti02) la mtile (Ti02) la katoite (Ca3Al2Si04(OH)i2) le gypse (CaS04 2H2O) et le quartz (Si02)

212 Le s scories des acieacuteries

Les scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c eacutelectrique) H F (hau t foumeau ) e t F P (fou r Poche ) on t eacutet eacute

foumies par la compagnie Mittal Canada Inc (Contrecoetu Queacutebec Canada)

Dans les usines inteacutegreacutees toutes situeacutees en Ontario des hauts fourneaux (voi r le scheacutema de production d e lacier Annex e II ) produisen t d u fe r primair e agrave parti r d e matiegravere s bmte s comme du minerai d e fer d u charbon e t de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006) Les scories sont inodore s e t ont une granulomeacutetrie fm e d e 0 agrave 5mm mais elles son t commercialiseacutee s aussi agrave une granulomeacutetrie de 5 agrave 14 mm (voir figure 22)

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP

Sont les pH eacuteleveacutes (12 agrave 13) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxydes meacutetalhques (Huijgen et al 2005) Les raisons principales de lutilisation des scories comme substrat de seacutequestration du

CO2

44

Les scorie s FO P et FP sont plus riches en calcium qu e cell e FAEacute tandis qu e le s scorie s F P

sont plu s riche s o n oxyd e daluminium Le s teneur s e n meacutetau x lourd s son t faible s pou r le s

trois types d e scorie s eacutetudieacutees Les scories d e type FO P et FA Eacute son t diffeacuterente s de s scorie s

HF (Figur e 22) Elle s son t plu s leacutegegravere s e t plu s riches e n fe r (Bonenfan t et al 2006) Le s

scories H F ayan t un e mass e volumiqu e d e 200 0 kgm ^ sont le s plu s leacutegegraveres tandi s qu e le s

scories FOP et FAEacute ont une masse volumique de 3000 kgm

Plusieurs phase s mineacuteralogique s composen t le s scorie s don t le s principale s son t l a

portlandite (Ca(0H)2 ) qu i es t geacuteneacuteralement l a phase dominante l a calcite l a magneacutesite le s

silicates e t diver s oxyde s tel s qu e de s oxyde s d e calcium d e magneacutesium d e fer d e

manganegravese e t de silicium (voi r tableau 14)Selo n Huijgen et al (2005) les conditions dan s

lesquelles le s scorie s son t geacuteneacutereacutee s deacuteterminen t le s proportion s d e ce s phase s dan s le s

scories (Huijgen et al 2005)

213 Le s poussiegraveres de four des cimenteries

Les poussiegravere s d e fou r on t eacutet eacute fourni e pa r le s cimenterie s St-Lauren t Inc (Longueuil

Queacutebec Canada) et Ciment Queacutebec Inc (St-Basil Queacutebec Canada)

Les poussiegraveres de four de cimenterie (voir figure 23) connues aussi sous le nom de laquocernen t

kiln dustraquo (CKD) sont des reacutesidus industriel s reacutecupeacutereacutes pa r les filtres eacutelectrostatiques (Doy e

et Duchesne 2003 ) lor s d e l a fabricatio n d u clinke r (voi r l e scheacutem a d e l a fabricatio n d u

ciment Annexe III) Les CKD ont une granulomeacutetri e tregrave s fine variant de 01 agrave 10 0 pm une

surface speacutecifiqu e d e 46 agrave 14 0 m g Les CKD ont une masse volumique de 480 kgm mai s

compacteacutees leur masse volumique peut atteindre 135 0 agrave 150 0 kgm^ (The Feacutedeacutera l Highway

Administration 2006) L a compositio n chimiqu e moyenn e de s CK D es t repreacutesenteacute e a u

tableau 15

45

Figure 23 Photo des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD)

Tireacute de Doye et Duchesne (2003)

Les CKD hbegraveren t tregrave s rapidemen t d e fortes concentration s e n potassium e n sulfat e e t en alcaliniteacute (Doye et Duchesne 2003) La quantiteacute doxyde de CKD deacutepend du type de four la source des matiegraveres du type de carburant utiliseacute et la maniegravere dont les CKD ont eacuteteacute reacutecupeacutereacute par le systegraveme

Lanalyse mineacuteralogiqu e de s CKD montre quelles sont composeacutees de calcite (CaC03) de dolomie (CaMg(C03)2 d u quart z (Si02) l e portlandit e (Ca(0H)2 de s sel s darkanit e (K2SO4) d e gyps e (CaS04) d e sylvit e (KCl) dhalit e (NaCl ) e t dettrengit e (Ca6(Al)2(OH)i 2(804)326 H2O + 6 H2O)

214 Le s cendres volantes

Les cendres volante s (voi r figure 24) on t eacutet eacute fournie s pa r le s cimenteries St-Lauren t Inc (Longueuil Queacutebec Canada)

46

Figure 24 Phot o des cendres volantes

Les particule s d e cendre s volante s son t l a plupar t d u temp s spheacuterique s avec un e surfac e

speacutecifique d e 25 0 agrave 60 0 m kg Les cendre s volante s d e class e C on t u n p H d e 1 2 e t un e

masse volumiqu e d e 234 0 kgm ^ (Biemack i et al 2007) L a compositio n chimiqu e de s

cendres volantes es t deacutecrite au tableau 16

Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestrer jusquagrave 2 6 kg de CO2 (Montes-Hemandez

2009)

En geacuteneacuteral le s phase s mineacuterale s preacutesentes (Biemack i et al 2007 ) dan s cendre s volante s

sont l e quartz (Si02) l a mullite (3AI2O 3 JE 2Si02) l a plagioclase (Na Ca (Si Al) 40raquo) l a

gehlenite (Ca2A l [AlSiO]) lanhydrit e (CaS04) lheacutematit e (Fe203) Fhalit e (NaCl) l a

sylvinite (KCl) et la calcite (CaC03)

47

22 Meacutethode s expeacuterimentale s

221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacute s

La compositio n chimiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s (scorie s e t boue s rouges ) a eacutet eacute eacutevalueacute e pa r

fluorescence agrave rayon X agrave laid e du n spectromegravetr e Philip s PW2400 Ell e a permis lanalys e

quantitative de s principaux composant s tels que 1 e CaO le FeO et le MgO Ces mesures ont

eacuteteacute reacutealiseacutee s e n triplicat a su r de s eacutechantillon s d e diffeacuterent s lot s de s mateacuteriau x cibleacute s e t

utiliseacutees pour lensemble de s expeacuterimentations

222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductivit eacute

Le p H e t l a conductivit eacute de s meacutelange s lixivieacute s on t eacutet eacute mesureacute s selo n le s meacutethode s

respectives normaliseacutee s 4500-H^- B e t 2510- B (APHA 1989 ) ave c l e pH-megravetr e numeacuteriqu e

PHM 250 ION Analyser ains i que le conductimegravetre numeacuteriqu e CD M Conductivit y Mete r de

la compagni e MaterLab^^ Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute on t eacutet eacute mesureacutee s pou r

chacun des mateacuteriaux cibleacutes avant et apregraves la carbonatation ains i que sur tous les eacutechantillon s

preacutelixivieacutes e t non preacutelixivieacutes filtreacutes e t non-filtreacutes L a filtration a eacuteteacute reacutealiseacute agrave laide d e filtres

Filtropur steacuterile s en aceacutetates de cellulose ayant un diamegravetre de 045 pm

223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin

Lalcaliniteacute de s mateacuteriau x a eacutet eacute mesureacute e agrave laid e d u fitreur automatiqu e TIM86 5 Titrafio n

manager e t d u logicie l Titramaste r 85V130 L e titrag e a eacutet eacute effectu eacute ave c d e lacid e

chlorhydrique (HCl ) 1 N Afi n deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestrafio n de s hui t mateacuteriau x

testeacutes le s reacuteserve s alcaline s de s matrice s on t eacutet eacute mesureacutee s dan s de s eacutechantillon s ayan t de s

granulomeacutetries industrielles Le s eacutechantillons contenaien t 1 0 g de mateacuteriaux cibleacute s e t 20 mL

deau deacuteioniseacute e e t ont eacuteteacute agiteacutes agrave 20degC et 200 rpm et titreacutes par titrage automatique ave c HCl

IN L e bu t d e lactivit eacute eacutetai t deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestratio n de s mateacuteriau x cibleacute s e n

partant de leurs pH naturel jusqu agrave pH 8 3 soi t le pH limite de formafion de s carbonates

48

224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en cuveacutee

Des essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute reacutealiseacute s ave c le s hui t reacutesidu s alcalin s cibleacutes Le s capaciteacute s

dabsorption de s mateacuteriau x choisi s on t eacutet eacute deacutetermineacutee s pa r l e barbotag e d u CO 2 (15 e n

volume CO2N2 ) e n fonctio n d e temp s donneacute s d e reacuteactio n 24 e t 4 8 heures L e choi x d u

meacutelange 1 5 e n volume CO2N 2 a eacutet eacute fai t e n tenan t compt e de s eacutemission s reacuteel s e n CO 2

quune chemin eacute dusine rejett e dan s latmosphegravere ( 8 agrave 1 5 ) Cette opeacuteration a eacuteteacute effectueacute e

dans des Erleinmeyer d e 250 mL qui contenaient 2 0 g de reacutesidu e t 200 mL deau deacuteioniseacute e agrave

20 C avec u n deacutebi t d e 5 mlmin duran t 2 4 e t 4 8 heures sou s un e agitatio n d e 20 0 rpm L e

tableau ci-dessous illustr e le s paramegravetres dexpeacuterimentation

Tableau 22 Paramegravetre s dexpeacuterimentatio n

Paramegravetres Temps

Tempeacuterature Pression

Granulomeacutetrie Volume deau distilleacute e Rapport liquidesolid e

(LS) Vitesse de rotation

Mesures 2448

Constante Atmospheacuterique

Industrielle 200 10

200

Uniteacutes Heures 20degC atm pm mL

kgkg

rpm

Le pH e t l a conductivit eacute ont eacutet eacute mesureacute s selo n le s technique s deacutecrite s preacuteceacutedemment Le s

quantiteacutes d e carbon e absorbeacutee s ont eacutet eacute mesureacutee s agrave laid e danalyseu r DC-85 A TO C d e l a

compagnie Dohrman n Divisio n C o muni dun fou r agrave combustion (800degC) dun flux conten u

doxygegravene e t du n tub e agrave catalyse contenan t d e loxyd e d e cobal t su r alumine Lanalyseu r

est eacutetalonn eacute ave c un e solutio n d e biphtalat e d e potassiu m agrave un e concentratio n e n carbon e

organique d e 200 0 mg-CL Le s concentration s e n carbon e organiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s

lixivieacutees non-lixivieacutees filtreacutees e t non-filtreacutees on t eacutet eacute mesureacutees apregrave s linjectio n d e 20-40 p L

dans le four d u TOC-megravetre

Avant linjectio n dan s l e fou r d u TOC-megravetr e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute agiteacute s ave c u n

baveau magneacutetiqu e agrave environ 50 0 trmin

49

Les concentration s e n carbon e organiqu e d e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute eacutevalueacutee s pa r l a

soustraction de s quantiteacute s d e carbon e mesureacutee s avan t e t apregrave s l a carbonatatio n d e ce s

eacutechantillons

La seacutequestratio n d u CO 2 a eacuteteacute fait e e n bouteille s d e Pyre x d e 25 0 mL Ce s dernier s eacutetaien t

ouverts agrave latmosphegravere L e CO 2 a eacuteteacute inject eacute agrave partir du n meacutelang e d e ga z de reacuteservoir e t l e

deacutebit d e ga z a eacutet eacute controcircl eacute agrave laid e du n deacutebitmegravetr e agrave flotteur e n acie r inoxydabl e d e Cole -

Pamier Instmment Co La reacutepartition uniform e d u gaz dans la boue rouge en milieu aqueux a

eacuteteacute reacutealiseacute e agrave laid e du n diffuseu r poreu x situ eacute agrave linteacuterieu r d e chaqu e fiole coniqu e (voi r

figure 2 5 et photo Annexe VIII) Les eacutechantillons ont eacuteteacute jeteacutes apregraves chaque analyse

Deux types dessais on t eacuteteacute conduits

bull essai s de barbotage preacutelixivieacute s pour lesquels le s eacutechantillons ont eacuteteacute lixivieacutes pendant 24 h

et 48h puis barbotes avec le meacutelange enrich i en CO2 pour une mecircme dureacutee

bull essai s de barbotage non preacutelixivieacutes pour lesquels leacutetape d e lixiviation a eacuteteacute supprimeacutee

Il fau t note r qu e pou r le s deu x temp s dadsorptio n d u CO 2 le s eacutechanfillon s utiliseacute s pou r l a

seacuterie de 24 heures sont diffeacuterents d e ceux utiliseacutes pour la seacuterie de 48 heures

50

Vent to atmosphegravere

Suspension of red mud or leachate

Diffuser mdash

Ecirc3

izzi nz o o o o Shaker

^ H = ^

Flowmeter

Gas mixture reacuteservoir

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee Adopteacute de Bonenfant et al (2008 )

Capaciteacute dadsorption du CO2

La capaciteacute dadsorption (Kco2 ) du C02^ par les reacutesidus alcalins a eacuteteacute deacutetermineacutee en fonction

du rapport liquide solide (LS) agrave la fois pour des essais preacutelixivieacutes et non preacutelixivieacutes

Celle-ci est donneacutee par la formule suivante

^ TOGeacuteiunJ(ppmQ - TOQireacuteppmQ) M(CCh)I MQ KC02 (g COicirclOOg de reacutesidu) = a bull

1000 (21)

ougrave M(C02) et M(C) sont respectivement les masses molaires (gmol) de CO2 et de C

Et a es t un facteur de conversion qui se calcule comme suit

a 100

ms(g) ms( 2)

( ^ ^ +200mL)000mLL) ps(glmL)

ms masse de reacutesidus utiliseacute dans lessai en g

ps masse volumique du reacutesidu alcalin en gcm^

51

225 Meacutethode s e t appareillages analytique s

Le tableau 2 3 reacutesum e le s meacutethodes e t les appareillages utiliseacute s pour le s diffeacuterentes analyse s

qui ont eacuteteacute reacutealiseacutees au cours de la preacutesente eacutetude

Tableau 23 Meacutethodes et appareillages analytique s appliqueacutee s

Type danalyse

pH

Conductiviteacute

Alcaliniteacute

Ca Na K Mg Fe

Carbone organiqu e

Meacutethodes danalys e

4500-H+-B PHM APHA 198 9

2510-B APHA 198 9

2320B APHA 198 9

3500 APHA 198 9

APHA 198 9

Appareillage

pH-megravetre 250 Ion Analyser

(MeterLabiM) Conductimegravetres numeacuteriqu e CDM Conductivity Mete r

(MeterLabiumlM) TIM865 Titration manage r + logiciel Titramaste r 8 5

V130 ICP-AES-IRIS ADVANTAGE

THERMOELECTRIQUE 2000

Analyseur DC-85 A TO C Dohrmann Divisio n Co

Apollo 9000 TOC Combustion Analyze r de

la compagnie Dohrmann Divisio n Co

CHAPITRE 3

RESULTATS ET DISCUSSION S

Les reacutesultat s obtenu s suite s au x essai s reacutealiseacute s seron t preacutesenteacute s e t discuteacute s dan s c e chapitre

Afin d e seacutelectionne r le s troi s reacutesidu s alcalin s ayan t le s meilleur s potentiel s d e seacutequestratio n

du CO2 des essais de seacutequestration d u CO2 de 24 et 48 heures ont eacutet eacute reacutealiseacutes Pour ce faire

les reacutesultats de leacutevolution d u pH de la conductiviteacute du potentie l d e seacutequestration d u CO2 et

du pouvoi r alcali n seron t preacutesenteacutes Enfin le s reacutesultat s de s essai s d e l a cineacutetiqu e d e

ladsorpfion d u CO 2 reacutealiseacute s ave c l e mateacuteria u ayan t deacutemontr eacute l e meilleu r potentie l d e

seacutequestration seron t discuteacutes

31 Evolutio n du pH et de la conductivit eacute

311 Essai s d e 4 8 heures

La figur e 3 1 illustr e l a variation d u pH des huit reacutesidu s apregrave s 48 heures d e seacutequestratio n d e

CO2 L e graphiqu e deacutemontr e clairemen t qu e tou s le s reacutesidu s on t sub i de s baisse s

remarquables d e p H apregrave s 4 8 heure s dadsorptio n d e CO2 Le s p H initiau x (voi r tablea u

31) de s troi s scorie s varien t d e 11 2 agrave 11 9 e t il s on t baisseacute s d e preacute s d e 6 uniteacute s pou r

atteindre l a valeu r d e 7 2 pou r le s scorie s S3 La figur e 3 1 deacutemontr e qui l y a tregraves pe u d e

variation d e p H entr e le s deu x valeur s extrecircme s d u p H conceman t le s deu x type s d e boue s

testeacutees En effet l a variation du pH concemant le s boues rouges humides preacutelixivieacutee s e t non

preacutelixivieacutes ne deacutepasse pas les deux uniteacutes Dans le cas des boues rouges segraveches (preacutelixivieacutes e t

non preacutelixivieacutes) la diffeacuterenc e es t moindr e soi t 1 5 uniteacutes E n revanche l a diminufio n de s

valeurs d u p H pa r rappor t agrave l a valeu r d u p H initia l es t remarquabl e du 12 6 agrave 72 Le s

poussiegraveres d e fours C l e t C2 ont obtenu le s plus fortes baisse s de pH dan s leur s formes non -

filtreacutees Toutefois seulemen t l e C 2 preacutelixivieacutee s e t non-filtr eacute a subi e un e baiss e d e p H

infeacuterieur agrave 70 soi t pregraves de 68 uniteacutes

53

Il fau t souligne r qu e le s diffeacuterence s d e p H entr e le s quatr e eacutechantillon s d e C l son t minime s

soit 0 1 unit eacute contrairemen t agrave celle s d e C 2 qu i son t di x foi s plu s grande s soi t un e uniteacute E n

revanche tous le s eacutechantillons de s cendres volantes F subis des baisse s remarquable s d e pH

variant de 66 agrave 68 uniteacutes

Ces reacutesultat s prouven t qu e l a lixiviation e n geacuteneacuteral jou e u n rocircl e minim e su r l e p H pe u

importe l e reacutesid u utiliseacute Toutefois le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s

meacutetallique tell s qu e Ca Mg Al Fe ^ selon Bonenfan t (2008) Ce son t ce s ions e t leur s

oxydes respectifs qu i assurent le pH et les conductiviteacutes eacuteleveacute s des reacutesidus cibleacutes

Tableau 31 Le s valeurs des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouge s humides (Bl )

Boues rouges segraveche s (B2)

Scories SAE (SI ) Scories FP (S2) Scories HF (S3)

CKD St-Lauren t C l CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

pH

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

115

115

115 116 118 126

-

-

48 heures

126

121

116 118 116 127 125

95

Non-filtreacute 24

heures 117

116

119 116 119 130

-

-

48 heures

126

121

119 119 117 127 127

92

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

121

120

112 114 115 128 125

88

Non-filtreacute -

124

122

115 124 117 128 126

89

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute (figur e 32) s i on compare ce s reacutesultats avec ceux d u

pH on peut constate r qui l exist e un lie u direct entr e leacutevolutio n d u pH e t leacutevolutio n d e la

conductiviteacute plu s le s valeur s d e p H augmentent plu s le s valeur s d e l a conductivit eacute

augmentent aussi Cett e relatio n peu t sexplique r pa r un e teneur plu s eacutelev eacute de s meacutetau x dan s

la solution surtou t dans les solutions de CKD

54

B1 B 2 S I 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

C2

Figure 31 Eacutevolution du pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutees ( bull ) non filtreacutes (o ) lors des essais de 48 heures

Il est coimu quen geacuteneacuteral les ions meacutetalliques en solution tels que Ca Mg Na^ forment

des eacutelectrolyte s beaucou p plu s puissant s qu e ceu x de s non-meacutetau x dougrave le s valeur s plu s

eacuteleveacutees de conductiviteacute des CKD (Cl) Toutefois s i on compare les valeurs de conductiviteacutes

initiales reacutesumeacutees au tableau 32 des scories FAEacute HF et les cendres volantes F on remarque

que contrairemen t au x autre s reacutesidus leur s valeur s d e conductivit eacute apregrave s 4 8 heure s d e

carbonatation ont augmenteacutes Ces reacutesultats corroborent ceux obtenus par Bonenfan t (2008)

Bonenfant expliqu e cet eacutecart par la preacutesence des oxydes amphotegraveres dans la solution tels que

lAl203 qu i diminuen t substanfiellemen t leur s influence s su r l e p H de s mateacuteriau x cibleacute s

comparafivement agrave ceux des oxydes fortement basique s tels que les oxydes de calcium et de

sodium

55

Tableau 3 2 Les valeurs des conductiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories SA E

(SI) Scories FP (S2) Scories HF (S3 ) CKD St-Lauren t

Cl CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

Conductiviteacute e n mS

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

58

43

05

69 11

243

-

-

48 heures

72

44

03

77 18

187

69

18

Non-filtreacute 24

heures 63

47

06

66 15

262

-

-

48 heure s

78

49

07

71 19

251

85

16

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

59

44

06

59 10

208

92

14

Non-filtreacute -

62

45

07

61 14

172

100

14

En revanche l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s daluminiu m dan s le s lixiviat s de s boue s

rouges e t des scorie s FA Eacute es t susceptibl e decirctre en partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees d e

conductiviteacute d e ce s troi s solution s selo n Bonenfan t (2008) I l es t inteacuteressan t d e constate r

encore un e foi s qu e l a preacutelixiviation comm e dan s l e cas d u pH a tregraves pe u dincidenc e su r

leacutevolution d e l a conductiviteacute E n fait i l nexist e aucun e diffeacuterenc e significafiv e d e

conductiviteacute entre le s reacutesidus preacutelixivieacutes et non-preacutelixivieacutes comme le deacutemontre l a figure 32

56

21

co18

bull^12

bullB 9 o ^ 6 O O 3

B1 8 2 81 82 8 3 C 1 C 2

Types de reacutesidus

Figure 32 Eacutevolution de la conductiviteacute des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) no n filtreacutes (bull) etnon-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull) no n filtreacutes (0) lors des essais de 48 heures

312 Essai s de 24 heures

Tel quexpliqu eacute preacuteceacutedemment le s essai s d e seacutequestratio n d u CO 2 d e 2 4 heure s on t eacutet eacute

reacutealiseacutes dans le but de deacutecouvrir sil existai t une diffeacuterence significativ e entr e les deux temps

de seacutequestratio n d u d e CO 2 eacutetudieacutes 24 e t 4 8 heures Pou r c e faire le s reacutesidu s qu i on t

obtenus le s meilleurs reacutesultat s de seacutequestration du CO2 lors des essais de 48 heures ont eacuteteacute

soumis agrave des tests de seacutequestration de 24 heures Ces reacutesidus sont le s boues rouges (humides

et segraveches) les scories (FAEacute FP HF) et les CKD St Laurent

La figure 33 illustre les reacutesultats de leacutevolution du pH apregraves 24 heures de barbotage de CO2

On remarque que les valeurs de pH des Bl B2 SI S3 et Cl son t tregraves semblables Ils varient

de 69 (Cl preacutelixivi eacute filtreacute) agrave 82 imiteacutes (SI non - preacutelixivi eacute filtreacute)

57

12 n

m lU

0

4

2

0

i I -i IM i i [ML 1

i I I Lli 1

m 1 i I m 1

i i i ji I

n 1 i Lli -] B1 8 2 8 1 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

Figure 3 3 Eacutevolutio n d u pH de s si x reacutesidu s preacutelixivieacute s filtreacutes (D) no n filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes (bull) no n filtreacutes (s ) lors des essais de 24 heures

Les scories S2 se deacutemarquent par leurs valeurs de pH eacuteleveacutees soient de 93 (preacutelixivieacute filtreacute)

agrave 100 4 (non-preacutelixivieacute non-filtreacute) Ce s reacutesultat s deacutemontren t qu e le s scorie s S 2 relacircchen t

plus difficilemen t le s ion s meacutetalliques qu e l e reste de s reacutesidus alcalins Rappelon s qu e le s

CKD (Cl ) on t obten u le s plu s forte s baisse s d e p H pa r rappor t au x valeur s avan t l a

carbonisation soi t plu s d e 6 uniteacutes Toutefois le s diffeacuterence s d e p H entr e le s eacutechantillon s

preacutelixivieacute e t non-preacutelixivi eacute son t moin s significative s soien t d e 0 1 agrave 1 uniteacute Ce s reacutesultat s

deacutemontrent encore une fois qu e la preacutelixiviation a peu dincidence sur leacutevolution du pH

Quant agrave leacutevolution d e la conductiviteacute l a figure 3 4 permet d e constater qu e le s valeurs de

conductiviteacute obtenues sont tregraves semblables avec celles obtenues lors les essais de 48 heures

car les meacutecanismes qui reacutegissen t la libeacuterafion des ions meacutetalliques sont identiques

58

30

lto25 E S 20

gt 15 o = 10

B1 62 81 8 2

Types de reacutesidus

83 CI

Figure 34 Eacutevolution de la conductiviteacute des six reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull ) non filtreacutes (3) lors des essais de 24 heures

32 Deacuteterminatio n du pouvoir alcalin

Les reacutesultats de s essai s d e titrage reacutealiseacute s avec le s hui t reacutesidu s (voi r le s reacutesultat s complet s

Armexe VI ) son t illustreacute s respectivemen t pa r le s figure s 3 5 agrave 37 Le s reacuteserve s alcaline s

calculeacutees agrave parti r d e ce s figure s son t reacutesumeacute s dan s l e tablea u 33 Ce s reacutesultat s indiquen t

clairement qu e le s quantiteacutes dacide chlorhydriqu e (acide fort ) neacutecessaire s pour atteindre le

pH 8 3 (p H d e saturatio n e n CaC0 3 dun e solutio n agrave leacutequilibr e e t agrave l a pressio n

atmospheacuterique) son t d e 8 agrave 1 1 foi s plu s eacuteleveacutee s dan s l e ca s de s scorie s dacieacuterie s

comparativement au x boues rouges de 2 agrave 27 fois plus eacuteleveacutees que les CKD et jusqu agrave 38

fois plus eacuteleveacutees que les cendres volantes Les cendres volantes ont un pouvoir alcali n tregraves

faible seulement 2 mL de HCl on suffit pou r baisser le pH initial en-dessous de 5 uniteacutes Les

CKD preacutesentent des pouvoirs tampons les plus eacuteleveacutes parmi les reacutesidus alcalins suivis par les

scories HF et FP

59

Tableau 33 Reacuteserves alcalines des huit reacutesidus

Type de reacutesidu

Boues rouges humides ( B 1 ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FAE (SI ) Scories FP (S2 ) Scories HF (S3 ) CKD (Cl ) CKD (C2 ) Cendres volantes (F )

pH

83

Reacuteserve alcaline (mole de HCIkg de reacutesidu)

038 04 31 39 43 14 16

012

En revanche le s boue s rouge s on t u n pouvoi r tampo n beaucou p plu s faibl e compar eacute au x

autres reacutesidus mentionneacutes ci-dessus mais plus eacuteleveacute que les cendres volantes Les particules

solides contribuent pou r 7 6 du pouvoir neutralisant de s boues rouges e t l a phase liquide

pour 24 constate Bonenfant et al (2008)

14 1

12

10 -

8 -

6 -

4 -

2 -

n -u 1

(

icirc-~~-icircraquo^^

1

) 1 0

bull ^

1 1 1

20 3 0 4 0

HCIlNenml

V

I

50

1

60

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FA E (bull) FP (bull) e t HF (0) en fonction du volume dacide ajouteacute

60

Figure 36 Courbes d e titrage des CKD Cl (bull ) e t C2 (bull) e n fonctio n du volume dacide ajouteacute

16-

14 A

pH

00 O

to

1 1 1

r-1

6 -

4 -

2 -n -

4P

^ ^HU

u T 1

0 1 0

Vp-

^9laquo^--f^-^^

20 3 0 4 0

H C I l N e n m l 50

Figure 37 Courbes de titrage des boues rouges segraveches (D ) et humides (bull) en fonction d u volume dacide ajouteacute

61

Ces reacutesultats indiquen t qu e les scories dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute de neutralisation plu s

eacuteleveacutee qu e tou s le s autre s reacutesidus D e plus le s scorie s H F son t le s plu s reacuteactive s ave c un e

reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en solution aqueus e

Cette eacutetap e d e la preacutesent e eacutetud e a consist eacute agrave mesure r le s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 en

solution pa r le s hui t reacutesidu s alcalins Lobjecfi f principa l d e cett e eacutetap e eacutetai t deacutevalue r l a

variation d u potentie l d e seacutequestratio n pa r le s matrice s de s reacutesidu s e t d e leur s lixiviat s

pendant 2 4 e t 4 8 heure s afi n d e seacutelectionne r le s reacutesidu s ayan t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration Cett e eacutetap e visai t eacutegalemen t agrave deacutetermine r si l exist e un e diffeacuterenc e

significative de s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s entr e le s deu x temp s d e

seacutequestration Enfin leacutetud e d e l a cineacutetiqu e d e seacutequestratio n pa r l e reacutesid u alcali n ayan t

obtenu l e meilleur rendemen t dadsorptio n d u CO2 lors les deux seacuterie s dessais a pour bu t de

mieux comprendre c e processus

331 Essai s de 4 8 heures

Les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit reacutesidus sont repreacutesenteacutes agrave la figure 38 Le CO2

injecteacute agrave deacutebi t constan t s e transform e e n phas e aqueuse c e qu i impliqu e un e baiss e d e p H

mais auss i un e adsorptio n d e CO2 Il s deacutemontren t qu e le s scorie s H F e t F P obtiennen t le s

meilleures reacutesultat s (voi r le s reacutesultats complet s Annex e IV ) dadsorpfion d u CO2 suivies pa r

les CKD d e type C l e t C2 Les de boues rouges humides (Bl ) e t segraveche s (B2 ) preacutesentent de s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 beaucoup moin s importante s mais plu s importante s qu e

les cendres volantes (F) La figure 38A indiqu e les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit

reacutesidus non-preacutelixivieacutes O n remarqu e qu e le s eacutechantillon s non-filtreacutee s (matrice s + lixiviats )

des scorie s S 2 e t S 3 obfiennen t le s meilleurs reacutesultat s dadsorpfio n d u CO 2 soien t 008 3 e t

0084 g de C02g de reacutesidu suivies par les Cl qu i preacutesente des capaciteacutes dadsorption d e 008

g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

62

Bl B2 S I 8 2 S 3 C I 0 2

Types de reacutesidus

15 07|

F

81 82 S I S 2 S 3 C I C 2

Types de reacutesidus

1214

Ll F

Figure 38 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 8 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes (D ) e t non- filtreacutes (bull ) lor s des essais de 4 8 heures

63

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s segraveche s e t humide s non-filtreacutee s offren t de s rendement s

infeacuterieurs agrave 60 compareacutes agrave ceux de s scories S 2 et S3 Les cendres volante s offre s le s plus

faibles reacutesultat s dadsorption soi t 0015 g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

Si o n compar e le s graphique s A e t B o n remarqu e qu e l a lixiviatio n a e u de s impact s

diffeacuterents su r le s hui t reacutesidu s testeacutes Le s boue s rouge s humide s e t segraveche s e t le s cendre s

volantes ont eacutet eacute plus sensibles agrave la lixiviation e n deacutemontrant de s reacutesultat s presqu e identique s

dadsorpfion d u CO2 L a figur e 48 B illustr e u n autr e fai t inteacuteressant Le s meacutelange s

(matrices+ lixiviats ) de s scorie s S 2 e t de s poussiegraveres d e fou r de s cimenterie s C 2 offren t de s

meilleurs tau x dadsorptio n d u CO 2 que le s lixiviat s seuls C e reacutesulta t peu t sexplique r pa r

tme preacutesence plus eacuteleveacutee des ions meacutetalliques dans les matrices que dans la solution

Les scorie s F P ont u n pouvoi r d e seacutequestratio n d u CO 2 qui peu t atteindr e 010 7 g de C02 g

de scorie s soi t l e tripl e d u pouvoi r de s boue s rouges C e hau t nivea u dadsorpfio n peu t

sexpliquer pa r l a teneur eacuteleveacute e en CaO jusquagrave 31 7 de Si0 2 (91) e t MgO (6 ) selo n

Huijgen et al (2005) Ce s oxyde s on t l a proprieacutet eacute d e reacuteagi r facilemen t ave c l e CO 2 e t d e

former de s carbonates stables

332 Essai s de 2 4 heure s

La figure 3 9 illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 apregraves 2 4 heure s d e carbonatatio n pa r

les si x reacutesidu s seacutelectionneacute s (voi r le s reacutesultat s complet s Armex e V) Lallur e geacuteneacuteral e de s

graphiques de la figure 39 sapparent e agrave celle de la figure 38 Comme dans l e cas des essai s

de 4 8 heures le s scorie s S2 S 3 e t le s CK D typ e C l no n - preacutelixivieacute s offren t le s meilleur s

reacutesultats dadsorptio n d u CO2 Les boues rouge s segraveche s (non-filtreacutes ) preacutesente s de s capaciteacute s

dadsorption d u CO2 20 supeacuterieures agrave celles humides e t 45 infeacuterieure s au x scorie s S3

La figure 39 A illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 par le s si x eacutechantillon s preacutelixivieacute s

pendant 2 4 heures

64

CM O O agt

O)

O)

O)

o 0)

laquo - s = ltr t

O) I -V)

laquoM O O 0)

bullo o

7 4gt

bull O

O) o o mdash lt1) -gt (A 0) 3

(A

(A 3

bull O

res

h

5 ^

4

3 18

A

29

6

5

4

3

2

1

0

B

35

65

36

81 8 2 S 1 S 2 S 3

Types de reacutesidus

Bl B 2 8 1 8 2 8 3

Types de reacutesidu s

CI

CI

Figure 3 9 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 6 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacute s (B ) filtreacutes (D ) e t non - filtreacutes (bull ) lor s de s essai s d e 24 heures

65

La preacutelixiviatio n sembl e davoi r u n impact e positi f su r ladsorptio n d u CO 2 pa r le s troi s

types de scories et les boues rouges humides non-filtreacutes

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s humide s ont augment eacute respectivemen t leu r pouvoi r

dadsorpfion d e CO 2 d e 5 2 e t d e 27 pa r rappor t au x eacutechantillon s non-preacutelixivieacutes Le s

faibles reacutesultat s dadsorption d u CO2 par les eacutechantillons preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes

deacutemontrent qu e le s carbonates s e trouvent majoritairemen t dan s le s matrices e t non dan s le s

lixiviats

La comparaison de s reacutesultats obtenus de la seacutequestration d u C02 lor s des deux seacuterie s de tests

permet d e constate r qu e le s diffeacuterence s d e gain s son t tregrave s diffeacuterentes Le s plu s grande s

diffeacuterences d e gain s son t enregistreacutee s pa r le s scories S 3 e t S 2 respectivement lor s des essai s

de 2 4 e t 4 8 heures D e plus le s scorie s S 2 obtiennen t le s plu s haut s gain s sou s leu r form e

preacutelixivieacutee contrairemen t au x scorie s S 3 qu i obtiennen t le s meilleur s reacutesultat s sou s leu r

forme non-preacutelixivieacutee D e ce fait o n peut conclur e qu e l a carbonatation peu t ecirctr e influenceacute e

par l e temps d e preacutelixiviation de s oxydes meacutetallique s s i la preacutelixiviation es t supeacuterieur e agrave 24

heures

34 Cineacutetiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP

Leacutetude de s potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 par le s hui t reacutesidu s testeacute s a releveacute qu e le s

scories F P (S2 ) offren t l e meilleu r potentie l d e seacutequestration D e c e fait i l import e don c

deacutetudier l a cineacutefique dadsorpfio n d u CO2 par ce reacutesidu alcalin afi n d e mieux comprendr e c e

processus L e choi x de s scorie s non-preacutelixivieacutee s s e justifi e pa r leur s rendement s d e

seacutequestrafion d u CO 2 qui son t plu s eacuteleveacutes par rappor t agrave celles preacutelixivieacutees Pou r c e faire le s

reacutesultats d e leacutevolutio n d u pH de conducfiviteacute e t de ladsorpfio n d u CO 2 seront preacutesenteacute s e t

analyseacutes

66

Les figures 31 0 e t 311 illustrent leacutevolutio n d u pH et de la conducfiviteacute de s scories F P non-

preacutelixivieacutees apregrave s 8 heures de carbonatation (voi r le s reacutesultats comple t agrave F Armexe VII) Huit

mesures de s valeur s d e pH e t conductiviteacute ont eacutet eacute reacutealiseacutees soi t apregrave s 0 25 5 10 20 60

120 et 480 minutes

1 12 bull

11 -

X ^ 10 -

9-

8-

7 1

^ ^ _

^ ^ ^ N gt N L

1 1

l 1 0 10 0 Temps d e barbotage a u C02 (e n min)

1

1000

Figure 31 0 Eacutevolutio n d u p H de s scorie s F P filtreacutees (bull) no n filtreacutees (D) e n fonction d u temps de barbotage au CO2

Le pH et l a conductiviteacute son t lieacute s par les mecircmes meacutecanismes soi t ceu x d e libeacuteration de s ion s

meacutetalliques d e calciu m e t d e magneacutesiu m dan s l a solufio n pa r le s particule s solide s degrave s l e

deacutebut d e l a reacuteaction Le s baisse s de s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute sexpliquen t pa r l a

reacuteaction de s ion s meacutetallique s ave c l e CO 2 qu i es t transform eacute preacutealablemen t e n acid e

carbonique e t l a formation de s carbonates Le s ions e t le s oxydes amphotegravere s reacuteagissen t pe u

dans l a solufio n e t d e c e fait il s ont pe u dimpac t su r l e p H e t l a conducfiviteacute Ces t

seulement apregrave s les dix premiegraveres minutes quon observ e une baisse significative de s valeur s

de pH et de conductiviteacute

67

Ce consta t es t e n accord ave c le s reacutesultats obtenu s pa r Hujge n et al (2006 ) e t Bonenfan t et

al (2008) Mecircm e s i ces auteur s ont travaill eacute ave c de s scorie s ayan t un e granulomeacutetri e plu s

fine (38-16 0 pm) le s preacutesent s travau x conduisen t agrave l a mecircm e conclusio n queu x le s ion s

meacutetalliques s e libegraveren t de s matrice s degrave s l e deacutebut d u processus d e carbonatatio n soi t entr e l e

deuxiegraveme e t l a dixiegravem e minute Selo n ce s auteurs l a concentratio n d e calciu m augment e

presque lineacuteairemen t agrave laugmentatio n d u temp s d e reacuteaction jusquagrave enviro n 1 0 min Apregrave s

cela l a concentratio n nivegravel e o u diminue L a sursaturatio n a e u lie u parc e qu e l e tau x d e

deacutepocirct d e carbonat e d e calciu m agrave parti r d e l a solutio n eacutetai t beaucou p plu s len t qu e l e tau x

dextraction de s ions calcium agrave partir des deacutechets de ciment (lizuk a et al 2004)

CZ5

3 -a S O

6

5

^ 4

f 3 2

1

0 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee de barbotage d u CO2 (en min) 481

Figure 31 1 Eacutevolutio n d e l a conductivit eacute de s scorie s F P non -preacutelixivieacutees filtreacutees (D ) et no n filtreacutes (bull ) e n fonctio n du temp s d e barbotage a u CO2

Le CO 2 reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates C e reacutesulta t c e confirm e auss i pa r le s figures 31 2 e t 31 3 qu i illustren t

leacutevolution d u potentiel de seacutequestration d u CO2 en fonction d u temps

68

lt3gt bull O

(SX)

C l U agt bull -

S cr

O

8

7

6

5

4

3

2

1

0 D-

1 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee d e barbotag e du CO2 (en min)

481

Figure 31 2 Eacutevolutio n d u pouvoi r d e seacutequestratio n du carbon e de s scories F P non-preacutelixivieacutee s filtreacutees (D) non-filtreacutee s (bull ) e n fonctio n du temps de barbotage au CO2

On remarqu e qu e le s quantiteacute s d e CO 2 adsorbeacutes le s plu s eacuteleveacute s son t attein t apregrave s 8 heure s

soit 7 4 g de CO2100g de scorie s F P mais cest entr e l a deuxiegraveme e t dixiegraveme minut e quo n

observe qu e l a vitess e d e seacutequestrafio n es t plu s eacuteleveacute e (figur e 313) Te l qu e expliqu eacute

preacuteceacutedemment dan s cett e eacutetude c e son t le s matrice s qu i offren t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 A l a diffeacuterenc e de s temp s d e seacutequestratio n d e 2 4 e t 4 8 heures i l

semble que le temps de huit heures est trop court pour que le s solutions filtreacutees reccediloiven t de s

quanfiteacutes suffisante s dion s meacutetallique s pour seacutequestrer l e CO2 agrave des quantiteacutes notables

69

006 bull ] u a M 00 5 -0 - p u E

I 3 E 00 4 bull Tl -v

1 C ^ ^ 9 CL 003 bull

bullJ L L

i 0 iuml 0 0 -XI 0

i Q O i = 0 oo i bull 1 0 1 o i ( A mdash icirc l l

icirc s 0 gt

1 i

^

25 5 10 2 0 6 0

Temps en min

120 48 0

Figure 31 3 L a vitess e dadsorptio n d u CO 2 e n fonctio n d u temp s par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes (n) et non filtreacutes (bull)

Synthegravese

Les capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 ont eacutet eacute eacutetudieacutees pou r hui t reacutesidu s alcalin s soi t le s boue s

rouges humide s e t segraveches le s scorie s FP FOP FAEacute le s CK D ( 2 types ) e t le s cendre s

volantes Le s essai s de carbonatation direct e e t indirecte on t eacutet eacute effectueacutes e n cuveacutee agrave un flux

gazeux d e 1 5 d e CO 2 e t 8 5 d e N 2 pendan t 4 8 heure s e t ont permi s d e tire r le s

conclusions suivantes

Les valeur s d e p H de s scorie s e t de s boue s rouge s e t de s CK D son t tregrave s semblable s soi t

leacutegegraverement au-dessu s d e 7 (preacutelixivieacutees e t non-preacutelixivieacutees) Seulemen t le s cendres volante s

ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7 En ce qui concerne l a conductiviteacute

on peu t firer le s mecircme s conclusion s qu e l a variafio n d u p H agrave lexcepfio n de s CK D qu i

obtiennent de s valeur s d e conductivit eacute quatr e foi s supeacuterieure s qu e le s autre s reacutesidus Cett e

diffeacuterence peu t ecirctr e occasionneacute e pa r un e meilleur e teneu r de s ion s meacutetallique s e n solutio n

dans le cas des CKD

70

Quant au x capaciteacute s de s reacutesidus agrave seacutequestrer l e CO2 trois reacutesidus s e sont deacutemarqueacute s lor s de s

deux seacuterie s d e test s les scorie s HF FP e t le s CKD Lor s le s essai s ce s reacutesidus on t obtenu s

les reacutesultats de seacutequestration d u CO2 suivants

bull Essai s de 24 heures

Scories HF (65 pp) gt scories FP (59 pp) gt CKD St-Lauren t (4 7 pp)

bull Essai s de 48 heures

Scories FP (107 pp) gt scories HF (84 pp) gt CKD St-Lauren t gt (79 pp)

Les tests sur le pouvoir alcalin des scories ont indiqueacute que les scories dacieacuterie possegraveden t un e

capaciteacute de neutralisation plu s eacuteleveacutee que tous les autres reacutesidus De plus les scories HF sont

les plus reacuteactives avec une reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

Enfin le s test s d e l a cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2 par le s scorie s F P ont deacutemontr eacute qu e l a

seacutequestration d u CO 2 s e reacutealis e plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegravere s minute s d e l a

reacuteaction

CHAPITRE 4

DISCUSSION GEacuteNEacuteRAL E

Le preacutesen t chapitr e a pou r objecti f dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s

obtenus dan s l e cadr e d e cett e eacutetude C e chapitr e compar e eacutegalemen t le s reacutesultat s obtenu s

lors de s deu x seacuterie s d e test s (2 4 e t 4 8 heures ) ave c ceu x obtenu s pa r dautre s eacutetude s

semblables De plus limpact enviroimementa l de ce proceacutedeacute sera analyseacute e t preacutesenteacute

41 Inteacutegratio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests

Les essai s reacutealiseacute s on t montr eacute qu e l e potentie l d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s

industriels alcalin s vari e e n fonctio n d e leur s caracteacuteristique s physico-chimique s telle s qu e

la teneu r e n ion s meacutetallique s tel s qu e Ca ^ e t Mg^ l e pH la granulomeacutetri e e t auss i de s

conditions expeacuterimentale s choisies L a tempeacuterature l a pression l e ratio L S e t l a vitesse d e

brassage jouent u n rocircle de premier plan sur les reacutesultats de seacutequestration d u CO2

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lor s des essai s d e 24 et 48 heures

Lobservation de s reacutesultat s d e p H e t d e conducfivit eacute obtenu s lor s de s deu x seacuterie s d e test s

deacutemontre qu e le s diffeacuterence s d e pH son t tregrave s semblable s pou r le s Bl B2 SI S3 et Cl E n

fait le s diffeacuterence s d e p H varien t entr e 0 2 agrave 0 8 uniteacute s (sau f le s CKD) tregrave s pe u s i o n

considegravere qu e l a diffeacuterence d e temps es t des deux foi s supeacuterieure s entr e l a deuxiegraveme seacuteri e de

tests Le s CK D manifestemen t conserven t leu r pouvoi r alcali n presqu e inchangeabl e apregrave s

24 heure s d e carbonatation Seulemen t le s scorie s F P (S2 ) on t subi e baiss e d e p H

significafive d e 2 agrave 25 uniteacutes entre les deux seacuteries dessais

72

Ces reacutesultat s deacutemontren t qu e tous ce s reacutesidus alcalin s ont de s excellente s reacuteserve s alcaline s

et quil s relacircchen t se s ions meacutetalliques tregrave s lentemen t dan s l a solution aqueuse Ce s reacutesultat s

sont semblable s agrave ceu x obtenu s pa r plusieur s chercheur s (Hujge n et al 2006 Bonenfan t

2008 Huntziger 2009)

Dans l e ca s de s boue s rouges le s reacutesultat s obtenu s son t e n accor d ave c ceu x obtenu s pa r

Bonenfant (2006) Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute son t plu s eacuteleveacutee s pou r le s boue s

rouges humide s qu e le s boue s rouge s segraveche s e t peuvent ecirctr e expliqueacutee s pa r un e plus grand e

faciliteacute d e libeacuteratio n de s ion s (cation s e t ion s hydroxyles ) de s boue s rouge s humide s

occasionneacutee pa r leu r dissolutio n preacutealabl e dan s l a soud e caustique comparativemen t au x

boues rouge s segraveche s qu i non t pa s subi t c e traitement Ce s reacutesultat s prouven t qu e l a

lixiviation en geacuteneacuteral joue un rocircle minime su r le pH peu import e le reacutesidu ufiliseacute Toutefois

selon Bonenfant (2008) le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s meacutetallique s

tels que Ca Mg Ap^ Fe Ce sont ces ions et leur s oxydes respectif s qu i assuren t l e pH

et le s conductiviteacutes eacuteleveacute s de s reacutesidus cibleacutes Les grandes quantiteacute s dhydroxyd e d e sodiu m

libeacutereacutees dan s le s lixiviat s de s boues rouge s peuven t eacutegalemen t ecirctr e responsable s de s valeur s

eacuteleveacutees de pH e t de conductiviteacute qu i ont eacuteteacute mesureacutees apregraves 24 et 48 heures de lixiviation E n

effet le s grande s quantiteacute s d e solution s dhydroxyd e d e sodiu m on t de s alcaliniteacute s e t

conductiviteacutes eacutelectriques eacuteleveacutees

Hujgen et al (2006 ) on t deacutemontr eacute qu e le s ion s meacutetalliqu e s e libegraveren t de s matrice s de s l e

deacutebut d u processu s d e carbonatatio n soi t entr e l e deuxiegravem e e t l a dixiegravem e minute L e CO 2

reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates

Les bou s rouge s humide s no n - preacutelixivieacutees filtreacutees e t no n filtreacutees s e deacutemarquen t pa r de s

valeurs de pH e t de conductivit eacute leacutegegraveremen t infeacuterieure s pa r rappor t au x boue s rouges segraveche s

et le s scories E n revanche selo n Bonenfant (2008) l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s

daluminium dan s le s lixiviat s de s boues rouge s e t des scorie s FA Eacute es t suscepfibl e decirctr e e n

partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees de conducfiviteacute d e ces trois solutions

73

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute le s valeurs obtenues lor s des deux seacuterie s de tests son t

tregraves semblables ca r le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t l a libeacuteratio n de s ion s meacutetallique s son t

semblables

Liu et al (2003 ) ont deacutemontr eacute qu e l e p H de s boue s rouge s augment e ave c l e temp s d u

stockage L e Ca^ ^ es t plu s facilemen t eacutechangeabl e dan s de s boue s fraicircche s qu e dan s le s

vieilles boues Ce s demiegravere s son t domineacutee s pa r le s eacutechange s d e Na^ Laluminiu m conten u

dans le s boue s rouge s es t preacutecipit eacute d e l a solutio n sou s form e d e dawsonit e NaAlC03(OH) 2

(Nikraz et al 2007)

Les cendre s volante s mecircm e s i elle s on t de s valeur s initiale s d e p H plu s ba s qu e le s autre s

reacutesidus soi t d e 88 6 agrave 895 deacutemontren t de s capaciteacute s d e carbonatatio n inteacuteressante s s i o n

tient compte d e leur faibl e teneu r de CaO Dailleurs selo n Soon g et al (2006) i l nest pa s

utile davoir u n p H tregraves bas car les carbonates se forment agrave un pH eacutega l ou supeacuterieur agrave 78

De ce fait on peut conclure que

bull i l nest peut-ecirctr e pas utile daugmenter l e temps dadsorption d u CO2 au-delagrave de 24

heures car les valeurs de pH et de conductiviteacutes varient tregraves peu

bull le s reacutesidus alcalins ont des meacutecanismes de carbonatation e t des pouvoirs tampons tregrave s

semblables

il existe un lien direct entre la variation du pH et de la conducfiviteacute

bull c e sont le s ions meacutetalliques tels que Ca ^ Mg Na^ qui deacuteterminent e n grande partie

leacutevolution d u pH et de la conductiviteacute

74

412 Limpac t du pouvoir alcalin e t de la cineacutetique de ladsorption du CO2 sur la seacutequestration d u CO2

Il est inteacuteressan t d e noter que l e pouvoir tampon de s reacutesidus s e manifeste agrave des intervalle s de

pH diffeacuterent s entre 1 0 agrave 8 pou r le s scories 8 agrave 6 pou r le s CK D e t 6 agrave 4 pou r le s boue s

rouges Ces reacutesultats son t en accord avec ceux obtenu s par Bonenfant et al (2008) Huijge n

et Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009) Ce s pouvoir s tampon s important s son t du s

probablement a u fai t qu e le s silicate s ont partiellemen t reacuteag i dan s ce s gamme s d e pH

(Baciocchi et al 2009)

Selon Bonenfant (2006) l a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n

oxydes meacutetalliques plus particuliegraverement de s oxydes meacutetalliques basiques tels que l e CaO et

le Mg O scories F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

Bonenfant et al (2008) Huijgen e t Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009 ) ont eacutetudi eacute le

rapport entr e l e pouvoi r alcali n e t l a lixiviatio n de s meacutetau x pa r ce s reacutesidus Le s test s d e

lixiviation meneacute s pa r Baciocch i e t Bonenfan t ont confirm eacute qu e l a quantit eacute de s ion s Ca^ ^

dans les scories es t plus basse agrave des pH gt 8 en raison de la formation d e calcite

Selon Hujge n et al (2005 ) le s scorie s agrave des pH varian t entr e 5 1 agrave 3 5 libegraveren t le s ion s d e

calcium qu i formen t de s silicate s e t des bicarbonates Quan t au x CKD leu r pouvoi r tampo n

eacuteleveacute empecircch e l a formatio n d e bicarbonates Pou r obteni r l a formatio n d e ce s demiegraveres i l

faut ajoute r davantag e dacide chlorhydriqu e e t augmenter l e temps de reacuteaction au-delagrave de 24

heures

Lorsque l e p H attein t un e valeu r infeacuterieur e agrave pK2 = 10 3 d u systegravem e carbonates Feacutequilibr e

se deacuteplac e dan s l e sen s favorisan t l a consommafion de s ion s bicarbonate s CO3 et l e deacutepocirc t

de l a calcit e (CaCOs ) jusqu agrave latteint e dun e limit e qu i deacutepen d d e l a teneu r d e Ca en

solution Selo n Bonenfant (2008) cette situatio n deacutefini t eacutegalemen t l a capacit eacute dadsorptio n

de CO2

75

Le M g s e mobilis e e n mecircm e temp s qu e l e Ca ^ mais se s composeacute s son t plu s soluble s qu e

ceux d u calcium Le s concentrafions d e Ca^ sont en moyenne 1 0 fois plu s eacuteleveacutees qu e cell e

du M g apregrave s 6 heure s d e lixiviatio n e t cett e libeacuteratio n d e cation s (C a ^ et M g ) s e fai t e n

parallegravele ave c laugmentatio n d u p H e t d e l a conductivit eacute d e l a solutio n (Bonenfan t et al

2006)

Les reacutesultat s de s deux seacuterie s de tests (24 et 48 heures) su r le s capaciteacutes dadsorptio n d u CO2

par ce s reacutesidu s ont deacutemontreacute s qui l es t possibl e d e seacutequestre r l e CO 2 agrave parti r d e reacutesidu s e t

sous-produits industriel s alcalin s (voi r tableau 41) Les matrices d e ces mateacuteriaux sembleacute s agrave

posseacuteder un e grand e capacit eacute d e libeacuteratio n de s cation s e t de s ion s hydroxyle s capable s d e

reacuteagir avec l e CO2 Le s cendres volantes on t enregistreacute le s plus faibles reacutesultat s dadsorptio n

du CO 2 (15 pp) e t ce agrave cause des faible s teneur s e n calcium e t magneacutesium ( lt de 1 0 )

Pourtant le s capaciteacutes theacuteoriques dun e tonn e de cendres volante s contenan t 4 1 de chaux

peuvent seacutequestre r 32 2 k g d e C02tonn e d e cendre s volante s (Montes-Hemande z et al

2009) Quan t au x CKD leur s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestratio n d u CO 2 dan s de s

conditions dexpeacuterimentatio n ambiante s son t d e lordr e d e 11 5 kgtonn e d e reacutesid u

(Huntzinger et al 2009)

Lors l a carbonatation de s CK D e t des cendres volante s lettringit e es t transform eacute e n calcite

en quart z e t e n gypse Aucu n reacutesid u nattein t le s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestrafio n d u

CO2 mecircm e apregrave s 4 8 heure s d e carbonatation Ce s reacutesultat s sexpliquen t pa r l a formatio n

dune couch e d e carbonate su r le s particules qu i colmat e le s pores e t de ce fait l a libeacuterafio n

des ion s meacutetallique s d e C a e t M g dan s l a solufio n es t compromis e (Bonenfan t et al 2008

Hujgen et al 2006)

76

Tableau 41 Reacuteserves alcalines et potentiel de seacutequestration des reacutesidus alcalins

Type de reacutesid u

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FA E

(SI) Scories FP

(S2) Scories HF

(S3) CKD (Cl) CKD (C2)

Cendres volantes

(F)

Seacutequestration d e CO2 en 24 heure s (gdeCO2100gde

reacutesidu alcalin ) 35

36

47

59

65

47

-

Seacutequestration d e CO2 en 48 heures (g de CO2100g de

reacutesidu alcalin ) 34

31

36

107

84

79

6

L5

Reacuteserve alcalin e (mole de HClkg de

reacutesidu)

038

04

31

39

43

14

16

012

Selon lizuka (2004 ) mecircm e s i le s calcul s thermodynamique s indiquen t qui l es t

theacuteoriquement possibl e d e convertir plu s de 67 du calcium conten u dan s le s deacutechets de

ciment en carbonate de calcium le taux de conversion pratique est largement deacutetermineacute e par

les facteur s cineacutetique s d e l a reacuteactio n e t l e degreacute d e l a carbonatatio n es t limit eacute agrave quelque s

millimegravetres deacutepaisseur sur la surface des particules

La formation de s silicate s es t un autr e facteu r qu i baiss e l a libeacuteration de s ion s meacutetallique s

dans la solution aqueuse Ces reacutesultats indiquent que les chutes de pH et de conductiviteacute sont

plus eacuteleveacutees dans la solution de scories FP en solution que celles observeacutee dan s la solution

des scories FAEacute des boues rouges humides et segraveches des CKD et des cendres volantes

77

Toutes le s autre s eacutetude s d e seacutequestratio n d u CO 2 ont utilis eacute soi t de s tempeacuterature s e t de s

pressions eacuteleveacutees soit des granulomeacutetries beaucoup plus petites soit tous ces facteurs reacuteuni s

ensemble (voir tableau 42)

Tableau 42 Reacutesumeacute des reacutesultats seacutequestration du CO2 obtenus par dautres eacutetudes

Type de reacutesidus

Boues rouges

Scories

CKD

Cendres volantes

3 ^ ^

Tem

peacutera

(e

ndegC

22

100

70 200

22

22

25

Conditions opeacuteratoire s

S ^ 0 u

A

19

30 3

A

A

30

^

Rat

io L

S (

10

2

05 04

10

12

10

C G

ranu

lom

(e

n pr

r

I

lt38

lt10 lt

01 38-160

I

I

0 _ T3 4 J V -

Vite

sse

bras

ag

ten

ron

300

1000

--

300

-

-

c

Tem

ps (

heur

es

24

05

2 2

24

816

18

CaO e n

de masse

55

317

48

41

Potentiel d e seacutequestr

theacuteorique du C02en kgkg 006^

025

016

003

Reacutesultat de

seacutequestr du C02e n

kgkg

0043

75 du total de Ca

002 013^

025

012^

003

1) Hujgen et al (2005) 2) Eloneva et al (2008) 3) Baciochi el al (2009) 4) Bonenfant et al (2008) 5) Khaitan (2003) 6) Huntzinger (2009) 7) Montez-Hemandez (2009) A=atmospherique I=industrielle

Les reacutesultats obtenus par ces eacutetudes deacutemontrent que dans les cas des scories dacieacuteries e t des

poussiegraveres d e fou r de s cimenteries loxyd e d e calciu m es t loxyd e meacutetalliqu e qu i leu r

confegravere leu r potentiel de seacutequestration du CO2

Dans le cas des boues rouges agrave part le calcium qui joue un rocircle significafif dan s le potentiel

de seacutequestration d u CO2 le sodium qui est libeacutereacute en quantiteacute preacutedominante peut eacutegalement

jouer un rocircle dans la seacutequestration du CO2 (Bonenfant et al 2006)

78

Il es t importan t d e note r qu e seule s le s scorie s F P on t doubl eacute leu r capacit eacute dadsorptio n d u

CO2 lors des essais de 48 heures par rapport aux essais de 24 heures

Selon l a litteacuterature l a taille de s particule s d e scorie s exerc e leffe t l e plu s significati f su r l a

reacuteaction plu s l a taill e de s particule s es t petite plu s l a reacuteactio n ave c l e CO 2 es t eacuteleveacutee L a

tempeacuterature e t l a ration L S eacuteleveacutee s jouent eacutegalemen t u n rocircle importan t su r l a dissolution d e

silicates (Baciocchi et al 2009)

En conclusion i l exist e u n lie n direc t entr e l e pouvoir alcali n e t la capaciteacute d e seacutequestratio n

du CO 2 pa r le s reacutesidu s alcalins Plu s l e pouvoi r alcali n es t eacuteleveacute plu s l a capacit eacute d e

seacutequestration d u CO2 par ces reacutesidus est eacuteleveacutee

42 Limpac t environnementa l d e la seacutequestration du CO2

Les reacutesidu s alcalin s eacutetudieacute s s e caracteacuterisen t pa r de s p H tregrave s eacuteleveacute s gracircc e agrave leur s teneur s

eacuteleveacutes dion s meacutetalliques Aucu n d e ce s reacutesidus n e deacutepassai t le s norme s environnementale s

traitant le s meacutetaux lourd s tels que le chrome le molybdegravene le mercure l e plomb etc

Bonenfant et al (2006) Huijge n et al (2005 ) e t Huntzinge r et al (2009 ) ont deacutemontr eacute

quaucun eacuteleacutemen t dangereu x n e se libegravere lor s de la lixivitaion de s reacutesidus alcalins carbonate s

tels que le s scories le s boues rouge s e t le s poussiegraveres d e four s d e cimenteries Le s eacuteleacutement s

les plu s lixivieacute s son t l e calcium e t l e sodium preacutesent s dan s le s lixiviat s de s boue s rouge s e t

des scories Laluminiu m es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quantiteacute s dan s ce s solufion s

(Bonenfant ea 2006)

En c e qu i concem e l e tau x d e libeacuterafio n de s eacuteleacutement s reacuteactif s de s scorie s FA Eacute d e

granulomeacutetrie 06 3 - 12 5 mm l a concentration d e Ca est e n moyenn e 1 0 fois plu s eacuteleveacute e

que cell e d u Mg ^ et attein t u n maximu m apregrave s 6 h d e lixiviatio n (Bonenfan t et al 2006)

Les autres meacutetaux eacutetudieacutes ne sont preacutesents quen petite s quantiteacutes agrave leacutetat d e trace ou absents

des lixiviats (Proctor et al 2000)

79

Quant au x cendre s volantes aucun e libeacuteratio n d e substance s toxique s meacutetallique s n a eacutet eacute

observeacutee apregraves 1 8 heures de lixiviafion selo n Montes-Hemandez et al (2009) La lixiviatio n

Cr nest pa s influenceacutee pa r le processus de la carbonatation san s doute agrave cause de la faibl e

solubiliteacute de Cr ^ (Baciocchi et al 2009) Agrave ce stade de leacutetude la carbonatation de s reacutesidus

alcalins n e repreacutesenterai t pa s d e dange r su r l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Quan t au x autre s

composeacutes dangereu x eacutemi s dans latmosphegraver e tel s que l e SO2 lesNOx le s fluomres (gazeus e

et particulaire) les dioxines etc i l nexiste pas de donneacutees significatives su r la question

43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins perspective s de lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e

Les reacutesultat s expeacuterimentau x d e l a seacutequestration mineacuteral e d u CO 2 indiquent qui l es t possibl e

dabaisser le s eacutemission s d e c e ga z pa r le s troi s industrie s concemeacutees Toutefois i l fau t

analyser ce s reacutesultat s dan s un e perspectiv e d e deacuteveloppemen t durabl e afi n d e mieu x

comprendre limpac t d e cett e technologi e su r lenvironnement leacuteconomie le s insfitution s

politiques et la socieacuteteacute

Le tablea u 4 3 es t l a suit e d u tablea u d e l a pag e deu x d u preacutesen t travai l e t i l illustr e le s

eacutemissions d u CO 2 par le s troi s industries le s rendements d e l a seacutequestratio n mineacuteral e e t le s

calculs de s reacuteductions de s eacutemission s d u CO2 si cette technologie serai t appliqueacute e agrave leacutechell e

industrielle Dan s l e tablea u 43 le s reacuteduction s calculeacutee s de s eacutemission s d u CO 2 pa r l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s alcalin s de s troi s industrie s son t asse z modeste s s i o n

considegravere qu e le s eacutemission s d e c e ga z eacutemise s pa r le s activiteacute s humaine s seacutelegraveven t agrave 3 8 G t

(GIEC 2007) Toutefois s i o n considegraver e qu e le s troi s industrie s eacutemetten t 1 6 de s

eacutemissions totale s de s acfiviteacute s industrielles le s reacuteduction s de s eacutemission s d u CO 2 proposeacute s

par cette technologie semblen t non-neacutegligeables

80

Tableau 43 Reacutesumeacute des eacutemissions par les trois industries et les baisses respectives de leurs eacutemissions suit e agrave la seacutequestration d u CO2 par leurs reacutesidus alcalin s

Type dindustrie

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Emissions duC02 (en Gt)

015

17

18

Quantiteacutes d e reacutesidus

alcalins (en Mt)

90

350-420

480

Pouvoir de seacutequestration mineacuteral e des reacutesidus industriel s alcalins ( t de C02t de

reacutesidu)

0032

0073

0016

Reacuteduction de s eacutemissions d e

CO2 (en Gt)

00003

0026-003

008

Limplantation d e cett e technologi e agrave leacutechell e industriell e demand e un e eacutetud e eacuteconomiqu e

approfondie Pou r c e faire i l fau t tou t dabor d deacutetermine r le s paramegravetres optimum s d e cett e

technologie tel s que l a dureacutee d e l a seacutequestration l a pression e t la granulomeacutetri e agrave utiliser I l

faut entr e autres teni r compt e d e lintervall e d e production de s quantiteacutes d u typ e d e

transport (contin u o u discontinu ) e t d u temp s d e seacutejou r dan s le s usine s de s reacutesidu s alcalin s

produits pa r le s troi s industries L e choi x d e ce s paramegravetre s influencer a directemen t l e

rendement d e l a seacutequestratio n d u CO 2 Or d e no s jours limplantatio n dun e nouvell e

technologie n e deacutepen d pa s seulemen t d e so n efficacit eacute eacuteconomique Plusieur s dautre s

aspects rentren t e n lign e d e compte E n fait i l fau t utilise r un e approch e systeacutemiqu e (4R -

VD Reacuteduire Reacuteutiliser Reacuteparer Reacutecupeacuterer Valoriser Disposer ) s i o n veu t teni r compt e

de toute s le s interacfion s e t le s impact s quun e tell e deacutecisio n peu t engendrer L a figur e 4 1

illustre le s interaction s entr e le s quatr e pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e pa r rappor t au x

reacuteductions des eacutemissions du CO2 par les trois industries eacutetudieacutees

La figure 4 1 montr e qu e l e deacuteveloppemen t durabl e e n geacuteneacutera l deacutepen d d e l a quantit eacute e t su r

tout d e l a qualit eacute de s interaction s entr e le s quatr e piliers D e c e fait limplantatio n d e l a

technologie d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 n e deacutepen d pa s qu e d e lefficacit eacute

eacuteconomique mais aussi des lois eacutemises par les institutions politiques

81

^ ^ ^ ^ a ^ J S S Eacute agrave ^ ^ ^

SOCIEacuteT Eacute ^ bull participation agrave la W

pris e des deacutecisions

X^^jpraquo^

ENVIRO gt

^ EacuteCONOMI E bull croissance bull efficacit eacute bull stabiliteacute bull valorisation

DEacuteVELOPPEMENT DURABLE

JNEMENT bull biodiversiteacute

bull ressources naturelles bull pollution

J INSTn rUTIONS bull lois bull regraveglements

bull infiastructure

p

1 II

Figure 41 Deacuteveloppement durable et seacutequestration du CO2

Dune maniegraver e plus simple on peut dire que les institutions politiques on t le pouvoir e t la responsabihteacute dexiger par les entreprises de limiter leurs eacutemissions du CO2 voir agrave supprimer ces demiegraveres agrave la source Mecircme si le processus de la seacutequestration mineacuteral e du CO2 est un pheacutenomegravene nature l exothermique i l faudrai t ufilise r dautre s source s deacutenergi e afi n d e lacceacuteleacuterer et par voie de conseacutequence augmenter le rendement de la seacutequesfi-ation du CO2 I l est preacutefeacuterable de remplacer les combustibles fossiles par des eacutenergies moins polluantes telles que leacutenergie nucleacuteaire et leacutenergie eacutelecfrique etou solaire

La socieacuteteacute peut jouer son rocircle de piher en demandant aux pouvoh-s politiques deacutemettre des lois qui exigent aux entreprises de respecter lenvironnement e t dameacuteliorer l a qualiteacute de vie de la socieacuteteacute Dans le mecircme ordre dideacutees l a socieacuteteacute peut exercer un e pression important e sur les entreprises en utilisant leur pouvoir dachat comme moyen de pression

82

Les reacutesultat s obtenu s lor s d e cett e eacutetud e ont deacutemontr eacute qu e limpac t su r lenvironnemen t es t

positif su r tou t a u nivea u d e l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Dautre s eacutetude s son t neacutecessaire s

pour eacutetudie r leffe t de s autre s composant s gazeu x su r lenvironnemen t e t l a sant eacute humaine

Le fai t dutilise r le s reacutesidus e t les sous-produit s industriel s alcalin s afi n d e seacutequestre r l e CO2

et l a revalorisation d e ces derniers dans plusieurs nouveaux domaine s pourrai t provoque r de s

changements neacutegatif s a u nivau x d e leacuteconomi e (changemen t d e prix augmentatio n d e l a

concurrence entr e le s entreprises ) e t d e l a socieacutet eacute (changemen t d e l a qualit eacute d e vie) D e c e

fait i l import e qu e tou s le s acteur s repreacutesentan t le s quatre pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e

travaillent e n eacutetroit e collaboratio n pou r qu e cett e technologi e soi t viabl e e t e n tota l respec t

avec lenvironnement

CONCLUSIONS

La preacutesente eacutetude avai t pour objecti f d e deacuteterminer le s reacutesidus et le s sous-produits industriel s

alcalins offrant le s meilleurs potenfiels d e seacutequestration d u CO2

Pour c e faire troi s type s d e scories (HF FP FAEacute) de s acieacuteries deux type s d e boues rouge s

(humides e t segraveches ) de s aluminerie s e t deu x type s d e reacutesidu s de s cimenterie s (CK D e t

cendres volantes ) ont eacutet eacute testeacute s e n cuveacutee Afi n d e mieu x eacutevalue r leur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 des seacuterie s d e test s d e 2 4 e t 4 8 heure s on t eacutet eacute reacutealiseacutes Le s condition s

opeacuteratoires eacutetaien t le s suivantes tempeacuterature = 20-22degC pression atmospheacuterique ratio SL =

10 kgkg vitesse de brassage = 200 rpm granulomeacutetrie industrielle eau deacutemineacuteraliseacutee

Les reacutesultat s obtenu s lor s le s essai s d e 2 4 heures on t deacutemontr eacute qu e troi s reacutesidu s alcalin s s e

sont deacutemarqueacutes pa r leurs hauts potentiels de seacutequestration d u CO2

bull le s scories HF 65 kg de C02t de scories

bull le s scories FP 59 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours de cimenteries (CKD) 47 kg de C02t de CKD

En revanche le s reacutesultat s obtenu s lor s le s essais d e 48 heure s ont deacutemontr eacute qu e le s mecircme s

reacutesidus alcalin s permettaien t dobtiermen t d e meilleur s reacutesultat s d e seacutequestratio n d u CO2

mais cette fois ci ce sont le s scories FP qui se trouvent en tecircte

bull le s scories FP 107 kg de C02t de scories

bull le s scories HF 84 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours d e cimenteries (CKD) 79 kg de C02t de CKD

84

Ces reacutesultat s sexpliquen t pa r de s teneur s plu s eacuteleveacutee s doxyde s meacutetallique s tel s qu e le s

CaO MgO AI2O3 Cr203 Ti02 FeO Mn O Si02 dan s ce s troi s reacutesidu s pa r rappor t au x

autres reacutesidu s testeacutes Ce s oxyde s e t leur s hydroxyde s respecfif s reacuteagissen t ave c l e CO 2

dissout dan s lea u e t formen t de s bicarbonate s thermodynamiquemen t stables

Theacuteoriquement l a teneu r eacuteleveacute e e n ion s meacutetallique s s e tradui t pa r u n potentie l d e

seacutequestration d e CO 2 eacuteleveacute Toutefois l a diffeacuterenc e d e reacutesultat s d e seacutequestratio n entr e le s

scories lor s de s deu x essai s a deacutemontreacute qu e mecircm e s i le s meacutecanisme s d e carbonatatio n son t

semblables pour tous le s types de reacutesidus alcalins l a nature e t l a mod e de fabricatio n d e ces

derniers influencen t sensiblemen t leur s potentiel s d e seacutequestration C e consta t es t valabl e

aussi bie n pou r le s reacutesidu s preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes Dailleurs le s test s su r l a

carbonatation de s reacutesidu s filtreacutes (preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes ) on t indiqu eacute qu e le s reacutesidu s

alcalins libegraveren t facilemen t leur s ion s meacutetallique s dan s l a solufio n aqueus e e t qu e le s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 de ce s derniegravere s son t inteacuteressantes Toutefois c e son t le s

reacutesidus non-preacutelixivieacute s e t non-filtreacute s qu i on t enregistreacute s le s meilleur s reacutesultat s d e

seacutequestration

Les autres objectif s d e ce travai l consistaien t agrave eacutetudier leacutevolutio n d e pH de l a conductiviteacute

et du pouvoir alcalin de s reacutesidus testeacutes

Premiegraverement le s valeurs de pH des scories des boues rouges e t des CKD obtenues apregraves l a

carbonatation son t tregrave s semblable s soi t leacutegegraveremen t au-dessu s d e 7 Seulemen t le s cendre s

volantes ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7

Deuxiegravemement le s test s su r l e pouvoi r alcali n de s scorie s ont indiqu eacute qu e le s scorie s

dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute d e neutralisation plu s eacuteleveacutee qu e tous le s autres reacutesidus D e

plus le s scories H F son t le s plus reacuteactives avec une reacuteserve alcalin e de 43 moles de HClk g

de scories L a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n oxyde s

meacutetalliques plu s particuliegraveremen t de s oxyde s meacutetallique s basique s tel s qu e l e Ca O e t l e

MgO scorie s F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

85

Troisiegravemement le s tests de la cineacutetique dadsorption d u CO2 par le s scories FP ont deacutemontr eacute

que l a seacutequestratio n d u CO 2 se reacutealise plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegraveres minute s d e la

reacuteacfion C e reacutesulta t sexpliqu e pa r l e fai t qu e l a formation dun e couch e d e carbonate su r l a

surface de s particule s de s reacutesidu s empecircch e l a libeacuteratio n dan s l a solufio n aqueus e de s ion s

meacutetalliques ayan t pou r conseacutequence l a baisse du taux de carbonatation

Enfin laugmentatio n pa r deux d e la dureacutee de carbonatation (d e 24 agrave 48 heures) ne se tradui t

pas par des doublement s de s potentiels d e seacutequestrafion d u CO 2 par le s reacutesidus alcalin s pou r

les raisons mentionneacutes ci-dessus

Perspectives

Cette eacutetud e sinscri t dan s loptiqu e d e deacuteveloppe r u n proceacuted eacute simpl e e t eacuteconomiqu e d e

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s industriel s alcalins D e c e fait

plusieurs perspective s son t identifieacutee s suite au x reacutesultat s obtenu s pa r cett e eacutetude E n voic i

quelques unes

bull eacutelargi r leacutetud e su r la seacutequestrafion d u CO2 avec dautres reacutesidu s industriel s tels les boues

de deacutesencrage de s papeteries le s reacutesidus d e constmctions e t d e deacutemolitions le s deacutechet s

municipaux le s deacutechet s d e lindustri e de s plastiques le s deacutechet s de s hocircpitau x etc

Plusieurs eacutetude s indiquen t qu e ces reacutesidus son t riche s e n oxyde s meacutetallique s e t peuven t

ecirctre utiliseacutes eacuteventuellement agrave la seacutequestration du CO2

bull puisqu e le s source s dea u douce s son t e n diminutio n constant e a u nivea u planeacutetaire i l

serait inteacuteressan t agrave envisage r l a reacutealisatio n d e cett e mecircm e eacutetud e ave c d e lea u d e mer

Cette perspectiv e pren d un e importanc e particuliegraver e s i o n considegraver e qu e plusieur s pay s

de Moye n Orient o ugrave son t deacutej agrave installeacutee s plusieur s aluminerie s e t cimenteries ont tregrave s

peu de sources deau douce

86

bull reacutealise r de s essai s pilotes e n colonnes afi n d e veacuterifie r l e transfer t d e ce s reacutesultat s dan s

des conditions expeacuterimentales semblables agrave celles industrielles

bull effectue r un e eacutetude eacuteconomique afin de savoir si ce proceacutedeacute est eacuteconomiquement viable

bull effectue r un e eacutetud e d e cycl e d e vi e afi n d e deacuteterminer entr e autres limpac t

environnemental de ce proceacutedeacute

ANNEXES

ANNEXE I

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LALUMINIUM

Bauxite ^

CaO bull

NaOH bull

bull

Raw Material s

1 Digestion

Liquor Heatin g

Liquor Surge

T Evaporation

Removal

1

Steam

Liquor Flashing

Heating

N Impunties

lt

Fuel ^

Steam

Sand Seacuteparation

1 Fuial residue

Cooling

i

Preacutecipitation

seedT ^ Classification

1 Washing

1 Calcination

^

-^^^

SandResidue Wa-shing

JL Solids Liquo r

Solids Disposa i

^ Wate r

^ Alumin a

Figure All Proceacuted eacute Bayer Tireacute de Hind ea (1999)

ANNEXE II

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LACIER

AnninmeacuteratJon

J ^=2=vBB Minefo i d e fe r Chofbon

Haut-Fourneau

o Eacutebauche de formes solide s (demi-produi t ) pa r moulag e de lacie r liquide

Acier liquide mi s

^lanuoncey statio n datfinage

Machine de couleacutee

continue

e Transformation de s eacutebauches e n produits finis par laminage

okerie

Eacutelaboration d e lacie r liquide agrave part ir d e minerai de fer

AciefS plats

Train de laminage

agrave chau d

obinojx

Produit fin i

Figure A21 Proceacutedeacute de fabrication de lacier Tireacute de Arcelor Meacutediterraneacutee

tli(ipwwwarcelormediteiTanee coindecouvertefabricationschemahtm)

LISTE DES TABLEAU X

Page

Tableau 1 1 Proprieacuteteacute s physico-chimiques d u CO2 9

Tableau 1 2 Teneu r en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins 2 2

Tableau 1 3 Compositio n chimique moyenne des boues rouges 2 5

Tableau 1 4 Composifio n chimiqu e moyenne des scories 2 6

Tableau 1 5 Composifio n chimiqu e moyenne des CKD 2 7

Tableau 1 6 Compositio n chimique des cendres volantes 2 8

Tableau 21 Compositio n chimiqu e moyenne des boues rouges humides et segraveches 4 2

Tableau 2 2 Paramegravetre s dexpeacuterimentation 4 8

Tableau 23 Meacutethode s analytiques appliqueacutees 5 1

Tableau 3 1 Valeur s des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacutes 5 3

Tableau 3 2 Le s valeurs des conducfiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacutes 5 5

Tableau 33 Reacuteserve s alcalines des huit reacutesidus 5 9

Tableau 41 Reacuteserve s alcalines et potentiel d e seacutequestratio n des reacutesidus alcalins 7 6

Tableau 42 Reacutesum eacute des reacutesultats seacutequestration d u CO2 obtenus par dautres eacutetude s 7 7

Tableau 43 Reacutesum eacute des eacutemissions par les trois industries e t les baisses respectives de leurs eacutemissions suite agrave la seacutequestration du CO2 par leurs reacutesidus alcalins 7 9

LISTE DES FIGURE S

Page

Figure 1 1 Reacutepartitio n pa r activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004 7

Figure 1 2 Cycl e du carbone organique 1 2

Figure 1 3 Cycl e du carbone inorganique 1 2

Figure 1 4 Seacutequestratio n d u CO2 par carbonatafion mineacuteral e 2 3

Figure 21 Photo s des boues rouges humides et segraveches 4 2

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP 4 3

Figure 23 Phot o des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD) 4 5

Figure 24 Phot o des cendres volantes 4 6

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee 5 0

Figure 3 1 Eacutevolufio n d u pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) etnon-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 48 heures 5 4

Figure 32 Eacutevolufio n d e la conducfiviteacute de s huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 6

Figure 33 Eacutevolutio n du pH des six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) et non-preacutelixivieacute s (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 7

Figure 34 Eacutevolutio n de la conducfiviteacute de s six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 8

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FAE FP et HF en fonction d u volume dacide ajout eacute 5 9

X

Figure 3 6 Courbe s de titrage des CKD Cl e t C2 en foncfio n du volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 3 7 Courbe s de titrage des boues rouges segraveches et humides en foncfion d u volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 38 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 8 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (A) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 48 heures 6 2

Figure 39 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 6 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (C) et preacutelixivieacutes (D) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 24 heures 6 4

Figure 310 Eacutevolufio n d u pH des scories FP filtreacutees e t non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 6

Figure 311 Eacutevolutio n de la conductiviteacute des scories FP filtreacutees et non filtreacutes en fonction d u temps de barbotag e au CO2 6 7

Figure 312 Eacutevolutio n du pouvoir de seacutequestration d u carbone de scories FP filtreacutees et non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 8

Figure 313 Vitess e dadsorption d u CO2 en foncfion d u temps par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes et non filtreacutes 6 9

Figure 41 Deacuteveloppemen t durabl e et la seacutequestration d u CO2 8 1

LISTE DE S ABREacuteVIATIONS SIGLES ET ACRONYME S

AIE

AMPERE

CKD

EacuteTS

FAEacute

FHWA

FP

Agence internationale d e leacutenergi e

Commission pou r lAnalyse de s Modi Redeacuteploiement de s Eacutenergies

Cernent kiln dus t

Ecole de technologie supeacuterieur e

Four agrave arc eacutelectriqu e

The Feacutedeacuteral Highway Administratio n

Four Poch e

GES Ga z agrave effet d e serre

GIEC Group e dexpert s intergouvemementau x su r leacutevolution d u climat

HF Hau t fournea u

ICP-AES Inductivel y Couple d Plasma-Atomi c Emissio n Spectrometr y

MEA Mon o eacutethylamin e

PSA Pressur e Swin g Adsorptio n

STEPPE Statio n Expeacuterimental e des Proceacutedeacutes Pilotes en Environnemen t

TSA Therma l Swin g Adsorptio n

LISTE DES SYMBOLES ET UNITEacuteS DE MESURES

m

kg Mt

Gt

t

degC

Pa

atm

S

min

ppm

gmol

L

Ka

Ma

kJ

pH

rpm

trmin

IN

megravetre

kilogramme

Million de tonnes

Milliard d e tonnes

tonne

degreacute Celsiu s

pascal

atmosphegravere

Siemens

minute

parties par million par volume

grammes par mol

Litre

milliers danneacutees

millions danneacutees

kilo joules

potentiel hydrogegraven e

rotations par minute

tours par minute

1 X Normale

INTRODUCTION

Probleacutematique impact de s activiteacutes industrielle s

Lactiviteacute industriell e mondial e augment e san s cess e anneacute e apregrave s anneacutee L e bie n ecirctr e de s

millions d e personne s partou t dan s l e mond e e n deacutepend Toutefois lindustri e n a pa s creacute eacute

seulement d e l a richesse ell e a engendr eacute auss i plusieur s problegraveme s environnementaux U n

des problegraveme s environnementau x es t leacutemissio n de s ga z agrave effe t d e serr e (GES) I l exist e

plusieurs GES L e dioxyd e d e carbon e (CO2) l e meacutethan e (CH4) l e protoxyd e dazot e o u

loxyde nitreu x (N2O) lozon e (O3) le s chlorofluorocarbone s (CFC) le s hydrocarbure s

halogegravenes (HFC PFC) lhexafluomr e d e soufr e (SFOcirc ) son t le s principau x GE S (GIEC

2007)

Ces gaz don t l e dioxyd e d e carbon e (CO2) jouent u n rocircl e majeu r dan s l a reacutegulatio n d e l a

tempeacuterature terrestre ca r il s laissen t passe r le s radiafion s solaires mai s absorben t certaine s

radiations infrarouge s (chaleur ) eacutemise s pa r l a surfac e chaud e d e l a Terr e c e qu i fa h

augmenter l a tempeacuteratur e d e latmosphegravere L e dioxyd e d e carbone avec un e dureacute e d e vi e

exceacutedant 12 0 an s e t un e contributio n pou r enviro n 5 5 d u reacutechauffemen t planeacutetaire s e

trouve e n tecirct e de s ga z agrave effe t d e serr e (Coolin g et al 2006) Entr e 197 0 e t 2004 le s rejet s

annuels d e CO2 l e principa l ga z agrave effe t d e serr e anthropique son t passeacute s d e 2 1 agrave 3 8

gigatonnes (Gt) soi t un e augmentatio n denviro n 8 0 Ce s rejet s repreacutesentaien t 7 7 de s

eacutemissions totale s d e GE S anthropique s e n 200 4 (GIEC 2007) L e Group e dexpert s

intergouvemementaux su r leacutevolution d u climat (GIEC 2007) estime que l a teneur moyenn e

en CO 2 dan s latmosphegraver e a augment eacute plu s d e 30 depui s l e deacutebu t d e legraver e industrielle

passant d e 28 0 ppm v agrave 37 9 ppmv D e plus lAgenc e intemational e d e leacutenergi e (AIE )

constate qu e le s eacutemission s d e dioxyd e d e carbon e lieacutee s au x activiteacute s humaine s devraien t

atteindre 4 3 G t pa r a n dic i 2030 soi t un e augmentatio n d e 6 0 (Gielen 2008) Ce s

augmentations pourraien t provoque r l a hausse de l a tempeacuterature d e l a surface d e la Terre e n

moyenne entr e 14deg C a u minimu m e t 4deg C a u maximu m su r l a peacuteriod e d e 199 0 agrave 210 0

(GEIC 2007)

Selon Environnemen t Canad a (2007) ce s augmentation s d e tempeacuterature s peuven t ecirctr e agrave

lorigine de s fonte s de s glaces d e laugmentatio n de s catastrophe s naturelle s e t d e l a

disparition d e plusieurs espegraveces animales et veacutegeacutetales

Contexte eacuteconomico-politiqu e

Les activiteacute s de s alumineries de s acieacuterie s e t de s cimenterie s produisen t chaqu e anneacute e de s

millions d e tonne s d e reacutesidu s alcalin s e t eacutemetten t dan s latmosphegraver e de s quantiteacute s

consideacuterables d e CO 2 L e tablea u ci-dessou s lillustr e le s eacutemission s d u CO 2 par le s troi s

industries

Type dindustri e

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Eacutemissions du CO2 (en Gt)

015

L7

18

Quantiteacutes de reacutesidus alcalins (en Mt)

90

350-420

480 (30 MT de CKD + 450MT de cendres

volantes de tout genre )

Sources

Institut Intemafional d e

laluminium (2008) Kumar eacutetal (2006 )

Miclos (2000) Gielen (2008)

Eloneva (2008) Konsta-Gdoutos et Shah (2003) Kumar et al

(2005)

Illustration de s eacutemissions d e CO2 et les quantiteacutes des reacutesidus alcalins produit s au niveau mondia l pa r les trois industries

Les eacutemission s d e CO 2 augmentent danneacute e e n anneacute e malgr eacute le s effort s de s entreprise s agrave le s

reacuteduire Pourtant l e protocole du Kyoto (1997) a fixeacute des objectifs d e reacuteduction d e GES pour

tous le s pay s signataires L e protocol e d u Kyot o a fixeacute a u Canad a agrave reacuteduir e d e 6 se s

eacutemissions d e GE S entr e 200 8 e t 201 2 pa r rappor t agrave lanneacute e 199 0 (Environnemen t Canada

2007)

Les quinz e pay s signataire s d e lUnio n Europeacuteenn e on t deacutej agrave attein t lobjecfi f d e 8

reacuteduction d e GES fixeacute pa r Kyoto (AEacuteE 2009) Des pays tels que la France LAllemagne l a

Gregravece l a Suegraved e l e Royaume Un i ont mecircme deacutejagrave attein t u n niveau infeacuterieu r agrave leur objectif d e

Kyoto Le s projection s reacutealiseacutee s pa r lAgenc e Europeacuteenn e pou r lEnvironnemen t (AEacuteE )

deacutemontrent qu e le s politique s climatique s e n vigueu r agrave lheur e actuell e permettron t d e fair e

une reacuteductio n suppleacutementair e d e 3 5 dic i 201 2 gracircc e agrave lacha t d e creacutedit s issu s d e projet s

de reacuteductio n de s eacutemission s meneacute s dan s le s pays tier s (AEacuteE 2009) L e Canad a e t le s Eacutetat s

Unis au contraire ont augmenteacute plus du double leurs eacutemissions de GES

Lameacutelioration d e lefficacit eacute leacutenergeacutetiqu e e t lutilisafio n d e source s alternative s deacutenergi e

pourraient reacuteduir e le s eacutemissions d e CO2 mais ces mesures seron t insuffisante s pou r atteindr e

les objectifs d e Kyoto ca r l a demande mondial e e n matiegravere premiegraver e augment e agrave un rythm e

soutenu Le s besoin s e n acie r e t e n aluminiu m connaicirctron t un e croissanc e d e 3 0 e t 60

par deacutecennie e t lInde estimen t Kuma r et al (2006) Kharoune (2006) ce qui rend neacutecessair e

la recherche d e nouvelle s technologie s d e seacutequestration d u CO2 De plus l a Chine e t lInd e

connaicirctront de s croissance s d e 8 0 agrave 100 pa r deacutecenni e dan s le s mecircme s domaines

Lindustrie d e lacier d e la Chine rejette 5 0 des eacutemissions mondiales du CO2 Dailleurs il

est agrave noter qu e le s eacutemissions d u CO2 par lindustri e d e production d e laluminiu m eacutetaien t d e

96 Mt en 199 0 au niveau mondia l e t elles ont eacuteteacute reacuteduites agrave moins de 25 Mt de CO2 en 2007

une reacuteductio n d e 7 4 alor s qu e l a productio n daluminiu m a doubl eacute pendan t l a mecircm e

peacuteriode d e 19 5 agrave 38 M t (GEIC 2006) Entre 199 0 et 2002 le secteur canadie n d u ciment a

ameacutelioreacute l e rendemen t d e se s four s d e 1 2 e t diminueacute se s eacutemission s d e GE S pa r tonne d e

produits cimentaire s d e 71 En chiffres absolus l a production total e nett e deacutemission s d e

CO2 a augmenteacute d e 23 de 199 0 agrave 2004 Toutefois l a production d e ciment a augmenteacute de

25 a u cour s d e cett e peacuteriode c e qu i expliqu e e n grand e parti e laccroissemen t de s

eacutemissions (Environnemen t Canada 2007) Dan s le s anneacutee s 1950 l a productio n mondial e

dacier eacutetai t denviro n 20 0 millio n d e tormes meacutetriques E n 2006 l e chiffr e seacutelevai t agrave 124 0

Mt dacier

Le Japo n fai t un e bonn e figure dan s l e cadr e d e reacuteduction s d e GES So n industri e dacie r a

reacuteduit d e 6 s a consommatio n deacutenergi e e n 200 5 pa r rappor t a u nivea u d e 199 0 (GEIC

2006) Le s entreprise s eacutemettrice s d e CO 2 doiven t fair e preuv e d e plu s dinnovation s e t d e

recherches technologique s dan s c e sens Louvertur e d e l a bours e d e carbon e depui s ma i

2008 agrave Montreacutea l leu r perme t deacutechange r leur s creacutedit s deacutemissio n d e GE S e t d e s e voi r

reacutecompenseacutees pour leurs efforts

Technique d e reacuteduction de s eacutemissions d e CO2 proposeacutee

Plusieurs proceacutedeacute s son t utiliseacute s pou r limite r le s eacutemission s atmospheacuterique s d e CO 2 qu i

agissent principalemen t su r l a captur e e t l a seacutequestrafio n d e c e gaz Alor s qu e le s proceacutedeacute s

membranaires e t dabsorption son t utiliseacutes pour l e captage d u CO2 le stockage e n reacuteservoir s

geacuteologiques o u miniers e n aquifegravere s salin s o u encor e pa r enfouissemen t oceacuteaniqu e son t

utiliseacutes pour l a seacutequestration (Bonenfan t et al 2006)

Lutilisation de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s issu s de s activiteacute s industrielle s telle s qu e

les alumineries le s acieacuterie s e t le s cimenterie s offren t d e nouvelle s possibihteacute s s e

seacutequestrafion d u CO2 Cett e technologi e es t baseacute e su r u n pheacutenomegraven e chimiqu e simpl e la

formation d e carbonate s stable s suite agrave labsorptio n d u CO 2 par de s composeacute s alcalin s tel s

que le s oxydes de calcium (CaO ) e t de magneacutesium (MgO) Lideacutee dutilise r le s reacutesidus e t les

sous-produits alcalin s afin d e seacutequestrer l e CO2 a eacuteteacute lanceacutee pour l a premiegravere foi s par Seifrit z

(1990) et a eacuteteacute eacutetudieacute en en profondeur pa r Lackner (1995)

La reacuteductio n de s eacutemission s d e CO 2 agrave l a sourc e sinscri t dan s l e cadr e du n processu s d e

gestion durabl e de s matiegravere s reacutesiduelle s e t preacutesent e u n inteacuterecirc t eacuteconomiqu e manifeste Agrave cet

effet l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuteral e e n milieu x aqueu x preacutesent e un e

alternative tregrave s inteacuteressant e (Huijge n et al 200 5 Bonenfan t et al 2006) 1 1 sagit du n

processus nature l menan t agrave l a formatio n de s carbonates produit s thermodynamiquemen t

stables et sans effet neacutefast e su r lenvironnement (Boenfan t et al 2006)

Les mateacuteriau x employeacute s dan s ce s eacutetude s son t de s sou s produit s e t reacutesidu s industriel s agrave

pouvoir alcali n tel s qu e le s scorie s de s acieacuteries le s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s

cendres volante s e t poussiegravere s de s four s de s cimenteries Cett e technologi e pren d un e

importance particuliegraver e s i o n parl e e n terme s d e quantiteacute s de s reacutesidu s produit s pa r ce s troi s

industries (voi r tableau 11 page 6) et qui peuvent ecirctr e utiliseacutes afin d e seacutequestrer l e CO2

En fait le s technologie s existante s d e seacutequestratio n d u CO2 agrave l a diffeacuterenc e d e l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s industriel s alcalins preacutesenten t de s coucirct s eacuteleveacute s d e 5 0 agrave

100 $ par tonn e d e CO 2 seacutequestreacute (Bonenfan t et al 2006 Eloneva 2008) Ces coucirct s eacuteleveacute s

empecircchent leu r application agrave grande eacutechelle

Objectifs d e leacutetud e

Le bu t d u preacutesen t travai l consist e agrave deacuteterminer expeacuterimentalemen t le s meilleurs pouvoirs d e

seacutequestration d u CO 2 pa r le s reacutesidu s e t le s sous-produit s industriel s alcalin s dan s de s

conditions ambiante s dutilisatio n tempeacuterature t = 20degC temps T= 2 4 et 48 heures pression

atmospheacuterique ambiante granulomeacutetrie industrielle)

De cet objectif deacutecoulen t le s sous-objectifs speacutecifique s suivant s

bull deacutetermine r le s critegraveres dutilisation de s mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r leffe t d u pH de la conducfiviteacute e t du pouvoir alcalin des reacutesidus en milieux

aqueux su r la capaciteacute de seacutequestration d u CO2 par les mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r F effet d e la preacutelixiviation de s reacutesidus sur leurs capaciteacutes de seacutequestratio n

du CO2

Pour c e faire de s essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute meneacute s su r troi s type s d e scorie s (HF FP FAEacute)

deux type s d e boue s rouge s (humide s e t segraveches) deu x type s d e reacutesidu s d e cimenterie s

(poussiegraveres de fours e t cendres volantes)

Le preacutesent meacutemoire es t organiseacute comme sui t

Le Chapitr e 1 preacutesent e le s notion s fondamentale s d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO2

Apregraves avoi r list eacute le s plu s grand s eacutemetteur s de s ga z agrave effet s d e serr e nou s feron s l a lumiegraver e

sur le s caracteacuteristique s chimique s d u CO 2 e t le s technologie s existante s d e l a seacutequestratio n

mineacuterale d u CO 2 par le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalins L e Chapitre 2 aborde l a

meacutethodologie de caracteacuterisation de s reacutesidus alcalins Dans cette partie nous nous pencheron t

sur le s critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacutes l a faccedilo n don t le s

paramegravetres e t le s condition s dexpeacuterimentation s son t eacutetabli s e t su r l a meacutethod e danalys e

choisie L e Chapitr e 3 preacutesent e le s reacutesultat s obtenu s lor s de s essais L e Chapitr e 4 a pou r

objectif dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s obtenu s dan s l e cadr e d e cett e

eacutetude Enfin un e conclusion complegravete l e meacutemoire

CHAPITRE 1

REVUE DE LA LITTEacuteRATURE

11 Probleacutematiqu e du CO2

Les activiteacute s humaine s eacutemetten t de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e GE S don t l e CO 2 L a deacuteforestation e t lindustrie de leacutenergie sont les principaux responsables (voir figure 11) Les rejets mondiaux en 2007 suite agrave la deacuteforestafion son t denviron 8 4 Gt de CO2 sur une totale de 38 Gt de CO2 eacutemis dans latmosphegravere La Terre absorbait environ 1 1 Gt de CO2 en 2007 On retrouve un suppleacutement dans latmosphegravere de 27 Gt selon le GIEC (2007)

Les eacutetude s qu i traiten t l e reacutechauffemen t globa l d ucirc au x eacutemission s d e CO 2 pa r lactivit eacute humaine sont tregraves nombreuses Leffet d e serre est un pheacutenomegravene normal et neacutecessaire agrave la vie su r terre C e pheacutenomegraven e s e produi t pa r laccumulatio n de s ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere 1 1 perme t d e mainteni r un e tempeacuterature moyerm e agrave la surface d e l a terre de +18degC (GIEC 2001) San s leffe t d e serr e l a tempeacuterature moyenn e d e l a terre serai t d e -15degC

Deacutef 0 r estatio n et suite s

Proceacutedeacutes industriels

2sltyo ^

r 7 Bacirctiments

reacutesidentiels e t comnterciaux

9ltyo

Industr ies d e leacutenergie

27lty o

) ~ Transpor t

1 7

Figure 11 Reacutepartition par activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004

Tireacute de GIEC (2007)

Pour mieu x comprendr e l a probleacutematiqu e d u reacutechauffemen t planeacutetaire i l import e d e bie n

connaicirctre le s caracteacuteristique s chimique s e t l e cycl e d u CO2 Le s page s qu i suiven t s e

proposent d e faire l a lumiegravere sur le sujet

111 L a chimi e du CO 2

Le dioxyd e d e carbon e a eacutet eacute identifi eacute pou r l a premiegraver e foi s dan s le s anneacutee s 175 0 pa r l e

physicien e t chimist e eacutecossai s Josep h Blac k (Villiers 2009) A tempeacuteratur e ambiant e (20 -

25C) l e dioxyd e d e carbon e es t u n ga z san s couleu r n i odeur qu i es t faiblemen t acid e e t

inflammable I l es t preacutesen t dan s latmosphegraver e dan s un e proportio n approximativemen t eacutegal e

agrave 00375 en volume soi t 375 ppmv (Bourque 2009)

La formul e moleacuteculair e d u dioxyd e d e carbon e es t l e CO2 Cett e moleacutecul e lineacuteair e es t

triatomique composeacute e du n atom e d e carbon e qu i es t reli eacute pa r doubl e liaiso n agrave deux atome s

doxygegravene 0=C=0 Le s atomes doxygegravenes dan s cett e formul e son t seacutepareacute s agrave des angles de

180 deg et son t lieacute s agrave latom e d e carbon e pa r de s liaison s covalente s qu i l a ren d no n polair e

selon Sienk o (1965) Dissou t dan s leau i l form e d e lacid e carboniqu e qu i peu t interagi r

avec de s composeacute s alcalin s tel s le s oxyde s meacutetallique s d e calciu m e t d e magneacutesiu m e t le s

zeacuteolites (Sienko 1965 Auroux et Gervasini 1990)

CO2 + H2 O - ^ H2CO 3 (11 )

Dans leau d e maniegravere reacuteversible lacid e carboniqu e reacuteagi t ave c lea u pou r forme r l e catio n

hydronium HsO^ et lion bicarbonate HCO suivant l a reacuteaction suivant e

H2CO3 + H2 O - ^ HCOs + HsO ^ (12 )

Il peu t seulemen t ecirctr e solid e agrave une tempeacuteratur e infeacuterieur e agrave -78degC L e dioxyd e d e carbon e

liquide existe principalement quan d i l est dissout dans leau

Le dioxyd e d e carbon e es t seulemen t solubl e dan s lea u lorsqu e la pressio n dinjectio n es t

maintenue Les proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2 sont deacutecrites au Tableau 11

Tableaull Le s proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2

Tireacute de Goj et al (2002) Tardat-Hemy e t Beaudry (1984 )

Proprieacuteteacute Masse molair e

Graviteacute speacutecifiqu e agrave 21C Densiteacute critiqu e

Concentration dan s lai r Stabiliteacute Liquide Solide

Constante dHenry d e solubilit eacute Solubiliteacute dans leau agrave agrave 20 degC

Valeur 4401

153 agrave21 468

3703 10 Eleveacutee

Pression lt 4158 Tempeacuterature

29815 09

Uniteacute gmol

-kgm ppm

-kPa

lt -78 degC mol kg bar

volvol

Ces proprieacuteteacutes permetten t a u CO2 de capter le s rayons infr a rouge s provenan t d e la Terre de

lemmagasiner e t passe r agrave u n nivea u deacutenergi e supeacuterieur Lexceacuteden t deacutenergi e es t libeacuter eacute

apregraves dans latmosphegravere causan t ains i leffe t d e serre (GIEC 1990)

112 Cycl e du carbon e

Le carbone es t un eacuteleacutement essenfie l agrave la vie Le carbone sui t u n certain itineacuterair e su r la terre

qui es t appeleacute cycl e du carbone L e cycle du carbone se compose en deux parties le cycle du

carbone organiqu e e t celui d u carbon e inorganique Cett e seacuteparatio n (Bourque 2009 ) es t

artificielle car en reacutealiteacute ces deux cycles se reacutealisent en mecircme temps

Le cycle du carbone es t baseacute sur le dioxyde de carbone (CO2) qui peut ecirctre foumi agrave lair sou s

forme d e ga z e t agrave lea u sou s form e dissoute Le s plante s terrestre s utilisen t l e dioxyd e d e

carbone d e latmosphegraver e pou r creacutee r leur s propre s source s deacutenergi e e t pou r assure r leu r

croissance

10

Lors le processus naturel appeleacute l a photosynthegravese le s plantes libegraveren t de loxygegravene essentie l

agrave l a vie animale Ces t gracircc e agrave l a chlorophyll e qu e le s plantes e t certaine s bacteacuterie s peuven t

effectuer la photosynthegravese

La reacuteaction totale de la photosynthegravese est

6CO2 + 6H2O + Eacutenergie solaire -gt COcircH^O Ocirc + 6O2 (13 )

Les animau x qu i consommen t loxygegraven e libeacuter eacute pa r le s plante s sappellen t de s

consommateurs Ce s dernier s relacircchen t l e dioxyd e d e carbon e dan s latmosphegraver e duran t l e

processus d e l a respirafion L a respiratio n es t linvers e d e la photosynthegravese Agrave parti r d e

loxygegravene libr e O2 elle transforme tout e mafiegravere organiqu e en CO2 selon leacutequatio n chimiqu e

suivante

C6H12O6 + 6 O2 gt 6 CO2 + 6 H2O (14 )

La deacutecompositio n aeacuterobi e e t l a fermentatio n permetten t au x microorganisme s d e libeacutere r l e

CO2 dans latmosphegravere Toutefois l e carbone peu t auss i ecirctr e stock eacute sou s forme d e biomass e

dans le s racine s de s arbre s e t dautre s matiegravere s organique s duran t de s anneacutees Lorsqu e le s

couches d e seacutediment s compressen t cett e matiegravere de s combustible s fossile s seron t formeacutes

apregraves plusieur s siegravecles De s proceacutedeacute s geacuteologique s agrave long term e pourron t expose r l e carbon e

de ce s combustible s agrave lai r apregrave s un e longu e peacuteriode mai s habituellemen t l e carbon e de s

combustibles fossile s es t relacircch eacute lor s d e proceacuted eacute d e combustio n reacutealis eacute pa r lhomm e

(Bourque 2009) Bie n qu e l a combustio n de s combustible s fossile s ajout e d u dioxyd e d e

carbone agrave lair certai n dentr e eu x son t auss i relacircch eacute lor s d e proceacutedeacute s naturels te l qu e le s

eacuteruptions volcaniques Dan s leacutecosystegravem e aquatique l e dioxyde d e carbon e peu t ecirctr e stock eacute

dans le s roche s e t le s seacutediments I l prendra u n lon g temp s avan t qu e l e dioxyd e d e carbon e

soit relacircch eacute pa r l a deacutesagreacutegatio n de s roche s o u de s processu s geacuteologique s qu i apporten t le s

seacutediments agrave la surface d e leau (Bourque 2009)

11

Le dioxyd e d e carbon e stock eacute dan s lea u ser a preacutesen t agrave l a foi s comm e ion s carbonate s o u

bicarbonates Ce s ions fomient un e partie importante des tampons naturel s qui empecircche lea u

de deveni r tro p acid e o u tro p basique Lorsqu e l e solei l chauff e leau le s ion s carbonate s e t

bicarbonates retourneron t dan s latmosphegravere sou s forme d e dioxyde de carbone (Falkowsk i et

al 1998 Huntzinger 2009)

En 2003 Yamasak i estimai t agrave 1 4 G t l a quantiteacute d e carbone captur eacute d e latmosphegraver e pa r le s

systegravemes terrestre s agrave laid e d e l a photosynthegravese Selo n ce t auteur loceacutea n emmagasin e plu s

de carbon e qu e l a veacutegeacutetafio n terrestre soi t 3 8 000 Gt L e phytoplancto n emmagasin e 5 0 agrave

100 G t d e carbon e qu i soi t un e quantit eacute beaucou p plu s important e qu e cell e emmagasineacute e

par la veacutegeacutetation terrestre

Les figure s 1 2 e t 1 3 montren t qu e l e gran d reacuteservoi r d e carbon e es t constitu eacute

principalement pa r le s roche s seacutedimentaires Loceacutea n repreacutesent e auss i u n autr e grand

reacuteservoir surtou t agrave de s profondeur s supeacuterieure s agrave 10 0 m L e seacutejou r d u carbon e dan s le s

reacuteservoirs deacutepend du type de reacuteservoir ougrave il se trouve

Le seacutejou r d u CO 2 est d e quatr e an s dan s latmosphegravere d e 1 1 ans dan s l a biosphegravere d e 38 5

ans dan s lhydrosphegraver e superficiell e (oceacutean d e 0 agrave 10 0 m) d e plu s d e 10 0 K a (millier s

danneacutees) dan s loceacutean profon d e t de quelques 200 Ma (millions danneacutees) dan s la lithosphegraver e

(Bourque 2009) Le cycl e d u carbone es t composeacute d e plusieurs sous-cycle s qu i duren t d e l a

deacutecennie (l e recyclag e d u CO 2 pa r le s plantes ) au x centaine s d e million s danneacutee s (l e

recyclage d u carbon e organiqu e pa r lintermeacutediair e de s roche s seacutedimentaire s o u de s

hydrocarbures pa r exemple)

12

C y c l e y c o u r t gt v

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gt a 1 1

Figure 12 L e cycle du carbone organique Tireacute de Bourque (2009)

Figure 13 L e cycle du carbone inorganique Tireacute de Bourque (2009)

13

12 Technologie s d e captage et de seacutequestration du CO2

121 Technologie s d e captage du CO2

Afin d e contre r le s effet s neacutefaste s d u reacutechauffemen t climatiqu e plusieurs technologie s d e

captage e t de seacutequestration d u CO2 on t eacuteteacute deacuteveloppeacutees ce s derniegraveres anneacutees L a majoriteacute d e

ces technologie s n e son t pa s encor e implanteacute e agrave leacutechell e industrielle ca r leur s faible s

efficaciteacutes e t leur s coijt s eacuteconomique s eacuteleveacute s ont empecirccheacute s leu r implantatio n (Herzo g et al

1997 Herzog 2001 Yang et al 2008) Dan s cett e partie nou s deacutecrieron s briegravevemen t le s

technologies d e captag e d u CO 2 et nou s nou s attarderon s plu s e n deacutetai l su r le s technologie s

de seacutequestration d u C02par des mateacuteriaux alcalins

Proceacutedeacutes dadsorption pa r les amineacutes

Les technologie s baseacutee s su r labsorptio n d u CO 2 par le s amineacute s son t le s plu s freacutequemmen t

ufiliseacutees dan s le s industrie s peacutetroliegraveres dextractio n d u ga z nature l e t d e l a productio n

dammoniaque (Lia o et al 2002 Ra o et al 2002) L a mon o eacutethylamin e (MEA ) pa r

exemple reacuteagi e ave c l e CO 2 e t form e l e carbamat e d e MEA O n utilis e l a solutio n d e ce t

composeacute afin dextrair e d u CO2 tregraves pur (Stewart e t Hessami 2005)

Ces technologie s offren t de s rendement s d e captag e d u CO 2 varian t d e 7 5 agrave 9 0 e t de s

grades d e puret eacute d u CO 2 supeacuterieur s agrave 9 9 Malgr eacute de s rendement s satisfaisants ce s

technologies ont de s inconveacutenient s majeur s le s coiit s dinvesfissemen t e t dexploitatio n

sont eacuteleveacutes lufilisatio n dinhibiteur s d e corrosio n e t doxydafio n e t leur s rendement s

deacutependent de s condifion s dutilisafio n (Jo u et al 1995) L a consommatio n deacutenergi e es t

eacutegalement tregrave s eacuteleveacutee (Fauth et al 2005)

Proceacutedeacutes dadsorptio n pa r les zeacuteolites e t les charbons actif s

Les mateacuteriaux tel s que le s zeacuteolites e t les charbons actif s ont de s surfaces speacutecifique s eacuteleveacutee s

(gt 150 0 m^g ) e t adsorben t seacutelectivemen t diffeacuterent s ga z e n fonctio n d e leu r superficie l a

taille des pores et les volumes de pores (Rege et Yang 2001)

14

Ce processu s repos e su r la neutralisatio n du n ga z acid e for t (CO2 ) pa r un e bas e faibl e

(absorbant) Il s opegraverent agrave des cycles dites de pression PSA (Pressure-Swing-Adsorption) o u agrave

des cycles thermiques TSA (Thermal-Swing-Adsorption)

Ce typ e dadsorpfio n peu t atteindr e u n rendemen t denlegravevemen t d u CO 2 denviro n 9 2

Toutefois le s zeacuteolithe s n e son t pa s efficace s pou r capte r l e CO 2 eacutemi s pa r le s centrale s agrave

charbon car la consommation deacutenergi e es t tregraves eacuteleveacutee (Maroto-Valer 2005)

Proceacutedeacutes membranaire s

Ces technologie s utilisen t de s membrane s constitueacutee s du n polymegraver e deacutepos eacute su r u n suppor t

microporeux o u meacutetalliqu e o u du n film liquid e absorban t immobilis eacute su r u n suppor t d e

polymegravere (Fero n et al 1992 Herzog et a1997 Herzog 2001) L e CO2 est mis en contac t

avec l a membran e e t l e polymegraver e o u l e film liquid e qu i facilit e so n transpor t agrave traver s l a

membrane a u deacutetrimen t de s autre s polluants Ce s proceacutedeacute s offren t plusieur s avantage s pa r

rapport au x autre s proceacutedeacute s pa r leur s simpliciteacute s e t leur s stabiliteacutes Toutefois ce s

technologies preacutesenten t d e seacuterieu x deacutesavantage s don t de s coucirct s dutilisatio n eacuteleveacutes de s

rendements d e captag e d u CO 2 infeacuterieur s agrave 8 0 un e faibl e seacutelectiviteacute e n plu s d e n e

pouvoir traiter que des effluents ayan t de faibles concentration s en CO2 (Yang et al 2008)

122 Technologie s d e seacutequestration d u CO 2

Laugmentation constant e de s activiteacute s industrielle s de s acieacuteries de s cimenterie s e t de s

alumineries a pour conseacutequenc e no n seulemen t laccroissemen t de s eacutemission s d u CO 2 mais

aussi laccumulatio n d e millions de toimes de reacutesidus alcalins partout dan s l e monde Le deacutef i

pour ce s entreprise s e t pou r l e mond e d e l a recherch e es t d e taill e utilise r ce s reacutesidu s

industriels afi n d e limite r (seacutequestrer ) un e parti e d u CO 2 eacutemi s dan s latmosphegravere E n fait

cest depui s le s quinz e demiegravere s anneacutee s qu e l a recherch e essay e agrave reacutepondr e agrave cett e

probleacutemafique

15

Les effort s le s plus consistant s reposen t su r l e deacuteveloppement dun e technologi e utilisan t le s

scories de s acieacuterie s e t le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s comm e matrice s afi n d e

seacutequestrer l e CO 2 (Hujge n e t al 2005 Kharoune 2006) Quan t agrave lutilisatio n de s boue s

rouges de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e cimenterie s son t dan s leur s

premiegraveres phases dessais

Les technologie s d e seacutequestratio n d u CO 2 o n peu t le s classifie r e n quatr e cateacutegorie s l a

seacutequestration oceacuteanique l a seacutequestratio n biologiques l a seacutequestratio n geacuteologiqu e e t l a

seacutequestration mineacuterale s des mateacuteriaux alcalins Il importe de mentionner qu e la deacutefinition d e

technologie es t peut-ecirctr e inexacte ca r l e pheacutenomegraven e d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r de s

matiegraveres alcaline s es t u n pheacutenomegraven e naturel Toute s ce s laquotechnologies raquo permetten t l a

seacutequestration d u CO2 agrave tregraves long s termes (plusieur s millier s agrave plusieurs million s danneacutees ) agrave

lexception d e l a seacutequestration d u CO2 par l a biomasse de s veacutegeacutetaux qu i n e l e seacutequestre qu e

pour une cinquantaine danneacute e (Santos 2006)

La seacutequestration oceacuteaniqu e

Les oceacuteans ont u n potentie l d e seacutequestration d u CO2 tregraves eacuteleveacute plus de 100 0 Gt (AMPERE

2006) mai s l a dureacute e d e reacutetentio n d u CO 2 est beaucou p plu s court e qu e le s autre s type s d e

seacutequestration L e CO2 injecteacute agrave 1500 m de profondeur libegraver e 1 8 de la quantiteacute seacutequestr eacute du

CO2 apregraves 200 ans de stockage (Hanish 1999) Ceci sexpliqu e pa r l e fai t qu e le CO2 dissout

dans lea u s e transforme e n acid e carboniqu e H2CO 3 qui baiss e l e p H d e lea u marine De s

ions bicarbonates HCO3 et des ion s carbonates COs^ sont libeacutereacute s dans lea u qu i agrave leu r tou r

vont reacuteagi r ave c le s ions meacutetallique s qu i s e trouvent dans lea u pou r former de s sel s tels que

la calcit e CaCO s (carbonat e d e calcium ) e t l a dolomit e CaMg(C03)2 L a formatio n d u

carbonate d e calciu m CaCO j produi t deu x pheacutenomegravenes l e premie r es t celu i d e

laugmentation d e la concentration e n acide carbonique qu i peut auss i seacutecrir e CO 2 + HO et

par voi e d e conseacutequence d e cell e d u CO 2 et l e deuxiegravem e es t celu i d e l a reacuteductio n d e l a

concentration e n ions bicarbonates ce qui va provoquer une baisse du pH

C02(g) + CaC03(s) + H2O -^ Ca-(aq ) + 2 HCO3 (aq) (15 )

16

Les concentration s eacuteleveacutee s d e CO 2 suites agrave l a productio n d e CaCO s provoquen t l a creacuteatio n

dun gradien t entr e loceacutea n e t latmosphegravere qu i favoris e un e diffusio n d u CO 2 de loceacutea n ver s

latmosphegravere (Bourque 2009)

Un autr e inconveacutenien t d e cett e meacutethod e es t l a distanc e su r laquell e l e CO 2 reacutecupeacuter eacute de s

usines doi t ecirctr e transporteacute pou r atteindre loceacutean L e coiagravet de cette meacutethod e d e stockage a eacuteteacute

estimeacute entre 1 8 et 12 8 $ par tonne de CO2 seacutequestreacute (AMPERE 2006)

La seacutequestration geacuteologiqu e

Le stockag e geacuteologiqu e d u CO 2 preacutesente un e autr e alternativ e inteacuteressant e pou r limite r le s

eacutemissions d e ga z dan s latmosphegravere LOues t canadie n pa r so n relie f e t se s caracteacuterisfique s

geacuteologiques sembl e lendroi t ideacuteal car les reacuteservoirs geacuteologique s peuvent recevoi r toute s le s

eacutemissions de CO2 qui seront produites au Canada dans les prochaines anneacutees

Toutefois plusieur s chercheur s sinquiegraveten t d e limpact d e ce gaz stockeacute agrave des pressions tregrave s

eacuteleveacutees su r le s paroi s rocheuse s (Reeve 200 0 His 2003 Thoma s e t Kerr 2005 Montes -

Hemandez 2009) L a dissolutio n d u CO 2 peu t cause r l a formatio n de s carbonates de s

oxydes meacutetallique s e t de s hydroxyde s qu i agrave longues terme s peuven t affecte r l a solidit eacute de s

reacuteservoirs (Montes-Hemande z 2009) L a seacutequestrafio n geacuteologiqu e d u CO 2 s e deacuteroul e e n

trois eacutetape s l e captage l e transpor t e t linjectio n d u gaz L e captag e es t leacutetap e l a plu s

coucircteuse du processus (GIEC 2005)

De plus plus des deu x tier s du coucirc t du captage e t du stockage d u CO2 provenant de s ga z de

combustion y sont accapareacute s pa r sa seacuteparation e t so n traitement Ce s coucircts eacuteleveacutes preacutesenten t

(40 agrave 7 0 $ ustonne d e CO2 ) l e principal obstacl e agrave l a commercialisatio n de s technologie s

de stockage du CO2 au Canada (Reeve 2000)

17

Stockage dans les gisements de gaz ou de peacutetrole

Cette technologie es t en cours de deacuteveloppement Le s gisements de gaz et de peacutetrole peuven t

servir d e reacuteservoir s naturel s d u CO2 Ce s reacuteservoir s offren t de s potentiel s d e seacutequestratio n

supeacuterieurs agrave 18 0 Gt de CO2 (Reeve 2000)

De nombreuse s expeacuterimentation s son t e n cour s a u Japon au x Eacutetats-Uni s e t e n Europe L e

CO2 capt eacute peu t ecirctr e inject eacute e t emprisonn eacute dan s de s structure s geacuteologique s telle s qu e de s

veines d e charbo n inexploitables de s gisement s eacutepuiseacute s d e ga z o u d e peacutetrol e o u de s roche s

poreuses Un e foi s aboutie cett e technologi e permettrai t d e reacuteduir e massivemen t le s

eacutemissions d e c e ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere U n aspec t inteacuteressan t d e cett e

technologie es t le transport direc t du CO2 des usines vers les sites de stockage

Les grand s eacutemetteur s d e CO 2 tel s qu e le s alumineries le s acieacuteries le s cimenterie s e t le s

raffineries d e peacutetrol e peuven t utilise r facilemen t cett e technologi e (Montes-Hemandez

2009)

Stockage dans le s formations houillegravere s

Une autr e possibilit eacute d e seacutequestrafio n d u CO 2 es t linjecfio n dan s le s formafion s houillegravere s

(Mastalerz et al 2004) Le meacutethane (CH4) a la proprieacuteteacute de saccrocher au x paroi s rocheuse s

mais l e CO2 une foi s injecteacute deacuteplac e l e meacutethan e pou r prendr e s a place Cett e technologi e

preacutesente u n avantage consideacuterable l a vente du meacutethane ains i produi t peu t aide r agrave compenser

le coucirc t d e l a seacutequestratio n d u CO2 Deacutependan t d u typ e d e charbo n utilis eacute le s eacutetude s d e

laboratoire indiquen t quentr e deu x e t di x moleacutecule s d e CO 2 son t absorbeacutee s pou r chaqu e

moleacutecule d e meacutethan e libeacuter eacute (Stanto n et al 2001 Pa n e t Connell 2009) Linconveacutenien t

majeur d e cett e technologi e es t l a faible porosit eacute d e l a surface d u charbo n qu i s e tradui t pa r

un mauvais contac t du CO2 avec lensemble de la surface d u charbon

18

Stockage dans le s aquifegraveres salin s

Les reacuteserves planeacutetaires en eau saline deacutepassent largemen t celle s du peacutetrole e t de gaz naturel

Leurs potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 sont consideacuterables plu s 700 0 milliard s d e tonne s

de CO2 (Yang 2008)

Les aquifegraveres son t de s formation s geacuteologique s constitueacutes d e roches permeacuteable s contenan t d e

leau mobiliseacute e quelle s son t capable s d e restitue r naturellemen t (Herzo g et al 1997

Herzog 2001) Une telle technologie es t deacutejagrave utiliseacute e en Norvegravege o ugrave l a plate-forme offshor e

de ga z nature l d e Sleipne r inject e u n millio n d e tonne s d e CO 2 par anneacute e agrave 100 0 megravetr e d e

profondeur dan s la mer du Nord (Santos 2005)

Stockage dans la biomass e

Tel qu e expliqu eacute agrave l a sectio n 11 2 lor s d u processus d e l a photosynthegravese le s plantes verte s

absorbent d u CO 2 de latmosphegraver e afi n d e l e converti r e n glucos e e t e n dautre s substance s

indispensable agrave leu r survie Lor s d e l a respirafio n cellulair e l e glucos e es t laquobmleacute raquo pou r

produire d e leacutenergi e qu i ser t agrave mainteni r le s foncfion s vitale s de s veacutegeacutetau x (Campagna

1996) Les forecircts e t les algues marines sont les principaux reacuteservoir s vert s du CO2

Les forecirct s

Les arbre s duran t leu r croissance absorben t e t stocken t l e CO 2 de lai r jusquagrave c e qu e leu r

bois soi t brucircl eacute o u deacutecompos eacute naturellement Le s forecirct s contiennen t 8 0 d e l a biomass e

continentale (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s fonctionnen t donc duran t u n certai n temp s

comme de s puit s d e CO 2 e t contribuen t agrave reacuteduir e leffe t d e serre Un e forecirc t es t consideacutereacute e

comme pui s d e carbon e quan d ell e absorb e e t stock e l e CO 2 d e maniegraver e durabl e dan s l a

biomasse faisan t d e sort e qu e l a teneu r e n CO 2 d e latmosphegraver e diminue L a biomass e

aeacuterienne de s jeunes forecirct s agrave croissance rapid e fixe plus de gaz carbonique quell e nen rejett e

(Campagna 1996) Toutefois le s arbres mures des forecircts seacutequestren t tregrave s peu de CO2 Apregraves

une peacuteriode de 50 ans la forecirct es t consideacutereacutee mature

19

Ce nest pa s l e taux de fixation d u carbone qu i es t deacuteterminant mai s l e temps pendant leque l

il es t stock eacute dan s l a biomass e (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s e t le s autre s type s d e

veacutegeacutetation peuven t capte r e t transforme r entr e 2 0 e t 30 de s eacutemission s causeacutee s pa r la

combustion deacutenergie s fossiles e t cett e valeu r pourrai t encor e ecirctr e augmenteacute e pa r de s

reboisements Cependant o n admet que tous les puits de CO2 du monde seron t satureacute s dici agrave

2050 Pa r ailleurs le s puit s actuel s pourraien t auss i deveni r de s source s d e CO 2 s i

latmosphegravere devai t s e reacutechauffer Fischli n et al (2006 ) considegraver e que n ca s d e

reacutechauffement climatiqu e selo n le s modegraveles preacutevisionnels actuels le s peacuteriodes de seacutecheress e

(entraicircnant u n risqu e acc m dincendi e e t u n affaiblissemen t de s arbres) voir e le s tempecirctes

pourraient s e muhiplie r globalemen t e t localement dougrave entr e autres un e possibl e

augmentation de s attaque s pa r de s insectes Tou s ce s facteur s pourraien t fair e mouri r le s

arbres qui agrave leur tour une fois deacutecomposeacutes libeacutereront du CO2 dans latmosphegravere

Algues marine s

Les algue s marine s agrave l a surfac e de s oceacutean s jouen t u n rocircl e importan t dan s leacutecosystegravem e

marin Le s micros-algue s utilisen t le s rayon s d u solei l pou r leu r croissanc e eacutetan t donn eacute

quelles son t source s deacutenergi e e t permetten t d e transforme r l e CO 2 e n composant s

organiques (Herzo g et al 1997 Herzog 2001) Elle s repreacutesenten t l a base nutrifionnell e d e

la vi e marin e e t terrest e car elle s produisen t plu s d e 9 0 d e lactivit eacute photosyntheacutetiqu e

repreacutesentant pa r l e fai t mecircm e l a premiegravere sourc e doxygegravene su r la Terre Les expeacuteriences ont

deacutemontreacute qu e le s rendement s d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s algue s marines l e

zooplancton e t les bacteacuteries ont quadmpleacute suite agrave la fertilisation de s algues en ajoutant 800k g

de fe r su r un e surfac e d e 4 9 k m dan s loceacutea n Atlantiqu e Su d mai s ell e peu t repreacutesente r

certains dangers comme l e deacuteseacutequilibre de la flore marine (Herzog 2001)

La manipulatio n geacuteneacutetiqu e es t un e autr e voi e qu i permettr a au x algue s agrave augmente r leu r

pouvoir de seacutequestration d u CO2

20

Cette voie a eacuteteacute envisageacutee pour creacuteer des algues reacutesistantes agrave un environnement pauvr e en fe r

et ains i augmente r l a prolifeacuteratio n de s algue s marines mai s de s plante s marine s pouvan t

prolifeacuterer abondammen t dan s u n milie u carenc e e n fe r pourraien t induir e de s reacuteaction s e n

chaicircnes impreacutevisible s dan s le s eacutecosystegravemes marin s (Herzog 2001) Le s eacutetudes portant su r l a

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s son t beaucou p moin s

nombreuses

13 Seacutequestratio n d u CO2 par des mateacuteriaux alcalin s

Puisque l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s es t lobjecti f

principal d e l a preacutesent e eacutetude l a revu e deacutetailleacute e d e l a litteacuteratur e su r l e suje t es t preacutesenteacute e

dans cette section

Plusieurs recherche s (Lackne r et al 199 5 Stolarof f et al 200 5 Huijge n et al 2005 -

2006 Soong et al 200 6 Bonenfant et al 200 8 Montes-Hemandez et al 2008-2009 ) ont

proposeacute l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 comme un e altemativ e afi n reacuteduir e le s eacutemission s

de CO2 dans latmosphegravere e n ufilisant le s reacutesidus alcalins tels que les deacutechets municipaux le s

cendres volante s de s fours d e l a saumure le s deacutechet s d e beacuteto n e t d e ciment le s scorie s

dacier e t les boues de deacutesencrage des papeteries

131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriaux alcalins les fondement s

Lideacutee d e la seacutequestration mineacuteral e du CO2 a eacuteteacute lanceacutee par Seifritz e n 199 0 et a eacuteteacute eacutetudieacute en

en profondeur pa r Lackne r dan s les deacutebuts des anneacutees 90 Cette technologi e es t baseacutee su r un

pheacutenomegravene chimiqu e simpl e la formation d e carbonates stable s suit e agrave ladsorption d u CO2

par de s composeacute s alcalin s tel s qu e le s oxyde s d e calciu m (CaO ) e t d e magneacutesiu m (MgO )

(Lackner 1995) Les efforts le s plus consistants son t poseacutes su r linvention dun e technologi e

utilisant le s scorie s de s acieacuteries le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s e t le s mineacuterau x

alcalins tels que lolivine l a serpenfine l e wollostonite comm e matrice s afi n d e seacutequestrer l e

CO2

21

Quant agrave lutilisatio n de s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e

cimenteries son t dan s leur s premiegravere s phase s dessais E n fait i l exist e deu x type s d e

seacutequestration mineacuterale du CO2 ex-situ et in-situ

La seacutequestration ex-situ

Cette technologie es t appeleacutee ex-situ car on utilise les mineacuteraux alcalin s qui se trouvent dan s

la nature tel s que la serpentine lolivine l e wallostonite l e talc et c pou r l a seacutequestratio n d u

CO2 Linteacuterecirc t dutilise r le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalin s pou r l a seacutequestratio n

du CO 2 consiste dan s l e fai t qu e c e processus es t exothermiqu e e t qui l perme t l a formatio n

de carbonate s stable s (Lackner 199 5 Khoo e t Tan 2006 ) gracircc e agrave leur s teneur s eacuteleveacutee s e n

oxydes de magneacutesium (MgO ) et de calcium (CaO ) (Proctor et al 2000 ) comme l e deacutemontre

le tableau 12

La serpenfin e e t lolivin e ont eacutet eacute identifieacutee s pa r plusieur s (Beara t et al 2006 Kho o e t Tan

2006 Checircne al 2006 Huijge n et al 200 6 Krevor e t Lackner 200 9 Prigiobbe et al

2009) comme les mineacuteraux le s plus prometteurs agrave utiliser pour l a seacutequestration d u CO2 gracircce

agrave leurs pouvoirs alcalins et les quantiteacutes eacuteleveacutees quon trouve dans l a nature

Ces mineacuterau x doiven t ecirctr e transporteacute s pregrave s de s usine s eacutemettrice s d e CO 2 et broyeacute s avan t

decirctre utiliseacute s pour l a seacutequestration d u CO2 Le concept es t baseacute su r l e pheacutenomegravene nature l d e

lalteacuteration de s mineacuterau x alcalin s pa r l e CO 2 dan s leque l le s silicate s d e calciu m o u d e

magneacutesium son t transformeacute s e n carbonates L a carbonatatio n mineacuteral e engloban t tou s le s

mineacuteraux alcalin s es t preacutesenteacutee par les reacuteactions ci-dessous (Kho o et Tan 2006)

(Ca Mg)Si03(s) + C02(g) -gt (Ca Mg)C03(s) + Si02(s) + 90 kJmole (16 )

La reacuteactio n 1 6 deacutemontr e l e potentie l d e transforme r naturellemen t de s mineacuterau x riche s e n

silicates de magneacutesium e t de calcium en carbonates e t en silice

22

Tableau 12 La teneur en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Mateacuteriaux (mineacuterau x

alcalins)

Peridotite Dunit e (olivine )

Hazburgite

Lhezhorlite

Serpentine

Gabro

Basait

Talc

Wallastonite

Teneur en Mg O

masse

495

454

281

400

100

62

440

-

Teneur en CaO

masse

03

07

73

0

130

94

-

350

De tout e eacutevidence l a capacit eacute d e seacutequestre r l e CO 2 pou r le s reacutesidu s alcalin s deacutepen d

directement de la proportion des oxydes meacutetalliques de calcium et de magneacutesium (CaO et de

MgO) e t leur s hydroxyde s respectif s Ca(0H) 2 e t Mg(0H 2 contenue s dan s l a matric e de s

deacutechets (Montes-Hemandez et al 2009)

Dans de s condition s ideacuteale s e n suivan t l a reacuteacfio n 16 un e tonn e d e serpentin e peu t

seacutequestrer enviro n une demi-tonne de CO2 et une tonne de lolivine peu t seacutequestrer enviro n

deux fiers dune tonn e d e CO 2 (Khoo e t Tan 2006) L a reacuteaction es t exothermiqu e e t ell e

libegravere 90 kJmole de CO2 Le s eacutetudes deacutemontrent que le processus de carbonatation aqueuse

suit deu x eacutetapes a ) l a dissolutio n de s cafion s e n solutio n suiv i pa r b ) l a nucleacuteatio n e t l a

croissance des preacutecipiteacutes de carbonate (Park et Fan 2004 Maroto-Valer et al 200 5 Krevor

et Lackner 2009)L a raiso n principal e d e lutilisatio n d e ce s mineacuterau x es t labondanc e d e

ces derniers dans la nature

23

Les quanfiteacutes de serpentine en particulier son t largement disponibles dans le monde entier de te l poin t quo n peu t seacutequestre r tou t l e CO 2 qui peu t ecirctr e geacuteneacuter eacute agrave parti r d e toute s le s reacuteserves planeacutetaires en charbon Leur faible coucirct combineacute avec le caractegravere exothermique du processus d e carbonatation (reacuteacfio n 16 ) son t le s deu x principaux argument s qu i peuven t justifier l e deacuteveloppement d e ce proceacutedeacute au niveau industrie l (voi r figur e 14) Malgr eacute le s avantages deacutecrit s ci-dessus l a seacutequestratio n d u CO2 par l a carbonatatio n mineacuteral e es t un processus qu i est limiteacutee par l a lenteur de la reacuteaction de carbonatation e t notamment d e la lenteur d u taux d e dissolution de s silicate s dans des conditions faiblement acide s (Chen et al 2008)

^bulliltNr- -gtv v

Serpentine

r-^BoMWraquo iuml ^ Olivine

Pipeline

Vision 21 Power Plant bullwr

ww-

mdashp

1

te Minerai Carbonation Plant

AfSOk^KP^

^agnesItB amp Sillca Constructio n Mateacuteriel Industiial Reagents Mine Reacuteclamation

Figure 14 L a seacutequestration du CO2 par carbonatation mineacuterale Tireacute de Goldberg (2001 )

Le renforcement d e la vitesse de la dissolution a eacuteteacute identifieacute comm e lune des principales opportiiniteacutes pour la reacuteduction des coucircts directs de ce processus (Krevor et Lackner 2009) Les coucircts dutilisation d e ces mineacuteraux sont faibles mais les coucircts de transports eacuteleveacutes Ils peuvent donc limiter leur utilisation en grande eacutechelle pour la seacutequesti-ation du CO2 La consommation deacutenergi e associeacute e a u broyage de s mineacuteraux repreacutesenten t 7 5 du coucirct total de leacutenergie demandeacutee de tout le processus de seacutequestration du CO2

24

Ces coucirct s peuvent augmente r jusqu agrave 90 s i on vise agrave obtenir un e granulomeacutetri e d e moin s

de 75 mm (Krevo r e t Lackner 2009) De plus les mineacuteraux alcalin s ne se comportent pa s de

la mecircm e faccedilo n lor s l e processu s d e l a carbonatafion Le s serpentine s reacuteagissen t plu s

facilement tandi s qu e l a peridotit e es t l a plu s difficil e agrave carbonater Pou r avoi r de s

rendements satisfaisant s (4 0 agrave 8 0 ) d e carbonatation i l fau t augmente r l a tempeacuterature au -

dessus d e 150deg C et ajoute r de s solutions tampons telle s qu e l e chlorure d e sodium (NaCI ) et

bicarbonate d e sodiu m (NaHCOs ) o u ajoute r de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e acid e

chlorhydrique (HCl ) afi n dacceacuteleacutere r l a reacuteactio n d e formatio n de s carbonate s (Che n et al

2008)

La seacutequestration in-situ

Lutilisation de s reacutesidu s e t de s sous-produit s alcalin s issu s d e lactivit eacute industriell e de s

alumineries des acieacuteries e t des cimenteries est une autre altemative d e seacutequestration d u CO2

Ces mateacuteriau x alcalin s (boue s rouges scories poussiegravere s d e fou r e t cendre s volantes ) son t

produits pa r ce s usine s e t gracircc e agrave leur haute teneur e n Mg O e t CaO il s peuvent ecirctr e utiliseacute s

sur place (in-situ) pou r seacutequestrer l e CO2 eacutevitant ainsi le s coucircts de transport

Les boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouge s son t de s reacutesidus industriel s issu s du processus dextractio n daluminiu m agrave

partir d e l a bauxit e (proceacuted eacute Bayer) Ce s reacutesidu s (Doy e e t Duchesne 2003 ) on t u n p H

supeacuterieur agrave 1 2 et sont produit s agrave un taux de 2 tt daluminium commercialis eacute (Vacho n et al

1994) Le s boue s rouge s son t stockeacutee s soi t a u fon d de s oceacutean s (France Allemagne) soi t

preacutes des usines comme au Canada (Vachon et al 1994)

La production de s boues rouges en 2006 ses t chiffreacutee agrave 90 Mt dan s l e monde dont 3 Mt au

Canada e t o n preacutevoi t un e augmentatio n d e productio n d e 6 0 pa r deacutecenni e (Kharoun e et

al 2006) Le s grande s aluminerie s peuven t e n geacuteneacutere r jusqu agrave 67 5 00 0 tonne s pa r anneacute e

(Doye et Duchesne 2003)

25

Le tablea u 1 3 deacutemontr e qu e le s boue s rouge s on t un e teneu r eacuteleveacute e doxyd e d e calciu m

(CaO) et elles peuvent donc ecirctre ufiliseacutees afi n d e seacutequestrer l e CO2

Tableau 1 3 L a composition chimiqu e moyenne des boue s rouge s

Tireacute de Cabeza e t al (2003)

Composition en masse

AI2O3

10-20

CaO

2-8

FejOj

30-60

NazO

2-10

SiOz

3-50

TiOj

trace-10

Les scories des acieacuterie s

Lindustrie canadienn e d e lacieacuterag e constitu e l e secteu r l e plu s importan t d e l a meacutetallurgi e

du pay s (Mikhai l e t Aota 2006) Dix-sep t acieacuterie s exploiten t 2 1 usine s dan s hui t province s

canadiennes Dan s le s usine s inteacutegreacutees toute s situeacutee s e n Ontario de s haut s foumeau x

produisent d u fe r primair e agrave partir d e matiegraveres brute s comm e d u minera i d e fer d u charbo n

et de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006)

Les quatr e cateacutegorie s de s scorie s (Kharoun e et al 2006 ) deacutesigneacutee s selo n leu r proceacuted eacute d e

fabrication son t le s scorie s FO P (fou r agrave oxygegraven e pur) le s scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c

eacutelectrique) le s scorie s H F (hau t foumeau ) e t le s scorie s F P (fou r poche) Lutilisatio n de s

scories dan s l e bu t d e seacutequestre r l e CO 2 es t important e s i o n considegraver e qui l s e produi t

actuellement 1 4 Mt a u Canada 2 1 M t au x Eacutetat s Uni s e t 35 0 M t d e scorie s dan s l e mond e

dont 19 0 M t d e typ e H F (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e tonn e dacie r produit 02 8 agrave 1

tonne CO2 sont eacutemis dans latmosphegravere

Ce son t le s pH eacuteleveacute s (1 2 agrave 13 ) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxyde s meacutetallique s (Huijge n et

al 2005 ) le s raisons principale s d e lutilisatio n de s scories comm e substra t d e seacutequestratio n

du CO2 comme l e deacutemontre l e tableau 14

26

Tableau 1 4 La composition chimiqu e moyenne de s scorie s

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Composants (Vo en masse )

CaO Si02

A1203 MgO FeO MnO

Types de scorie s

FAEacute 30-40 10-20 lt10 lt10

15-35 lt10

FOP 42-52 9-13 05-3

1-8 15-35 3-10

FP 48-52 8-10 15-25 8-10 2-4 lt4

HF 39-42 33-39 9-13 6-9

0-01 01-05

Les scories FOP et FP sont plus riches en calcium qu e celle FAEacute tandis que les scories FP

sont plus riches on oxyde daluminium Le s teneurs en meacutetaux lourd s sont faibles pou r les

trois types de scories eacutetudieacutees

Les poussiegraveres de four des cimenterie s

Les poussiegravere s d e fou r d e cimenterie connue s auss i sou s l e no m d e laquo ceacutemen t kil n dus t raquo

(CKD) son t de s reacutesidu s industriel s reacutecupeacutereacute s pa r le s filtres eacutelectrostatique s lor s d e l a

fabrication d u clinke r (Doy e e t Duchesne 2003) Geacuteneacuteralement 1-1 5 tonne s d e calcair e e t

de 0 5 tonne s d e charbo n son t utiliseacute s pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e clinker L a

consommation deacutenergi e pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e cimen t seacutelegravev e agrave 4000 M J dont

pregraves de 80 est dorigine thermiqu e e t le reste de leacutenergie eacutelectrique E n outre 08-1 tonn e

de CO 2 est eacutemis e dan s latmosphegraver e pa r tonn e d e clinke r produit e (Kuma r et al 2006) L a

production mondial e des CKD seacutelegraveve agrave 30 millions de tonnes Une tregraves faible proportio n (15

) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x dan s le s industrie s agricole s e t d e l a

construction (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003)

Il fau t note r qu e jusque agrave l a fin des anneacutees 9 0 pregraves d e 4 millions d e CK D s e retrouvaient e n

tas ou dans des eacutetangs agrave cocircteacute des usines en Ameacuterique du Nord (Doy e e t Duchesne 2003) De

nos jours presqu e toute s le s CK D son t recycle s dan s l e processu s d e fabricatio n d u cimen t

(Huntzinger 2009)

27

Le tableau 1 5 deacutemontr e qu e le s CK D son t rich e e n oxyde s d e calcium Elle s possegraveden t u n

potentiel ne t d e neutralisatio n tregrave s eacutelev eacute (42 6 k g CaC03t) u n p H d e 126 un e reacuteserv e

importante e n sulfate s (10 3 SO4 ) ains i qu e de s concentration s e n meacutetau x lourd s plu s o u

moins importantes de lordre d e ppm tels que Cr Pb et Zn (Doye e t Duchesne 2003)

Tableau 1 5 La composifion chimiqu e moyenne des CK D

Tireacute de Corish et Coleman (1995)

Composition en mass e

Poussiegraveres d e four (CKD )

AI2O3

3-6

CaO

38-50

FczO

1-4

MgO

0-2

NaO

0-2

SiOj

11-16

Les cendres volante s

Les cendres volante s repreacutesenten t de s reacutesidus tregraves fins issus entre autre s de la combustion d u

charbon pulveacuteris eacute e t pouss eacute dan s l a chambr e d e combustio n du n fou r pa r de s ga z

deacutechappement Le s cendre s volante s son t classifieacutee s selo n leur s teneur s e n Ca O e t d u typ e

du charbon brucircl eacute (voi r tableau 16) e n deux classes F et C (Biemacki et al 2007)

Les cendres volantes de classe F confiennent moin s de 1 0 de CaO et sont utiliseacutees pou r la

fertilisation de s sols Le s cendres volante s d e classe C contiennent plu s d e 1 0 de CaO e t

elles son t plu s communeacutemen t utiliseacutee s pou r l a fabricatio n d u beacuteto n (Montes-Hernande z et

al 2009)

La production de s cendres volantes seacutelevait agrave 4800000 tonnes a travers l e Canada en 2001

dont 450000 tonnes on t eacuteteacute utiliseacutees pour la fabrication d u ciment (Bouzouba a e t Foumier

2003)

28

Tableau 1 6 La composition chimiqu e des cendres volante s

Tireacute de Soong et al (2006 )

Composition masse

Sulfur

0-002

C

0-15

AI2O3

59-187

CaO

18-29

Fe203

5-85

K2O

03-24

MgO

14-64

NazO

06-55

Si02

14-516

En Europe e t selo n le s anneacutees de 2 agrave 3 Mt de cendres volantes su r une production total e d e

43 M t son t utiliseacutee s dan s l a constructio n d e route s soi t u n tau x dutilisatio n globa l dan s c e

secteur dactiviteacute d e 8

On enregistre actuellemen t 7 Mt en Australie 70 8 M t (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003 ) au x

Eacutetats Unis de s centaine s de s meacutegatonne s e n Chin e e t 10 0 M t dan s de s deacutecharge s e n Inde s

(Kumar et al 2005) Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestre r jusquagrave 2 6 kg de CO2

(Montes-Hemandez ea 2009)

Il exist e deu x type s d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s industriel s alcalin s l a

carbonatation direct e e t la carbonatation indirect e des oxydes meacutetalliques

A) L a carbonatation direct e

Ce proceacuted eacute perme t dinjecte r d u CO 2 gazeu x directemen t su r de s reacutesidu s alcalin s agrave leacuteta t

solides L e CO2 reacuteagit ave c le s oxydes meacutetalliques d e CaO e t MgO et formes de s carbonate s

stables selon les eacutequations suivante s (Lackner et al 1995)

CaO + CO2 -^ CaC0 3 + 17 9 kJmole

MgO + CO2 -gt MgC0 3 + 11 8 kJmole

(17)

(18)

Pour c e typ e d e seacutequestratio n le s quantiteacute s d e Ca O e t d e Mg O neacutecessaire s pou r lie r l e CO2

produit par la combustion dun e tonn e de carbone son t respectivement d e 47 et 34 tonnes

29

B) Carbonatatio n de s oxydes meacutetalliques en milieux aqueu x acide s

La seacutequestratio n indirect e d u CO2 soit l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s

alcalins e n milieu x aqueu x basiques es t l a meacutethod e l a plu s eacutetudieacutee Mecircm e s i leacutetud e de s

meacutecanismes qu i reacutegissen t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s n e fai t pa s parti e de s

objectifs d e ce meacutemoire i l importe de deacutecrire briegravevement le s principaux meacutecanisme s afi n d e

mieux comprendr e c e processus Dun e faccedilo n plu s deacutetailleacutee l a carbonatatio n s e deacuteroule e n

cinq eacutetapes 1) La diffusion d u Ca sur la surface de s particules de l a scorie 2) l a dissolutio n

du C a dan s l a solution 3 ) l a dissolufio n d u CO2 4 ) l a conversio n d u CO 2 dissou t e n ion s

bicarbonate e t 5) la preacutecipitation du CaC03 (Huijgen et al 2005)

Le CO 2 reacuteagi t ave c d e lea u e t form e d e lacid e carboniqu e (H2CO3 ) selo n le s eacutequation s

suivantes (lizuka et al 2004 )

CO2 + H2O ^ H2CO 3 (19 )

H2CO3 ^ H ^ + HCO3 (110 )

H C 0 3 ^ H ^ + C03^ (111 )

Le CaO peut eacutegalemen t reacuteagi r avec lea u pou r produire des cations calcium selo n l a reacuteaction

suivante (Huijgen e t Comans 2003)

CaO + H2O ^ Ca^ ^ + 2 OH (111 )

Tous le s produit s de s reacuteaction s 1 9 agrave 11 2 peuven t reacuteagi r ave c l e CO 2 pou r forme r de s

carbonates L a reacuteactio n entr e ce s oxydes l e CO 2 e t lea u a pou r reacutesulta t l a formatio n de s

monocarbonates e t bicarbonates (Bonenfan t et al1006 Soon g et al 2006)

Hujgen et al (2006 ) on t deacutetermin eacute le s meacutecanisme s reacuteacfionnel s d e Ca-carbonatatio n

(modegravele geacuteothermique ) comm e sui t

Ca(0H)2 + CO 2 - ^ CaC0 3 + H2 O (113 ) portlandite calcit e

30

Ca6(Al)2(OH)2(S04)326 H2O + 6H2O -gt 6CaC03 + 2A1^^ +3S04^- + 32H2O (114 ) ettringite calcit e

Ca-silicate (CSH) + CO2 CaC0 3 (calcite) +Si02 (partiel ) (L15 )

Reacuteactions 1 9 agrave 11 1 repreacutesenten t l a dissociatio n d e l a dissolutio n CO 2 dan s leau le s

reacuteactions d e 11 2 et 11 3 repreacutesentent lextracfio n de s ions calciu m de s reacutesidu s alcalins Le s

reacuteactions 11 4 e t 11 5 repreacutesentent l a preacutecipitation d u carbonate d e calcium

Le meacutecanisme reacuteactionne l d u CO2 avec le MgO en milieu aqueux es t semblable agrave celui de

CaO (Femacircndezera 1999)

C02(g) + H20(l) ^ C02(aq ) (L16 )

MgO(s) + H20(l) - Mg(0H)2(s ) (117 )

C02(aq)--C02(i) (118 )

CO2 + Mg(0H)2(s) + (n-1 ) H20(aq) ^ MgC0 3 nH20(s) (119 )

MgC03 nH20(s) + CO2 ^ Mg^ ^ (i)+ 2 HCO^Xi) + (n-1) H2O (120 )

Mg^^i) + 2 HC03- (i) -^ M g q ) + 2 HCO^(aq) (1-21 )

ougrave le C02(i) le Mg^(i) et le HCO(i) son t les produits formeacutes eto u adsorbeacutes agrave linterface

La reacuteaction 12 0 ougrave l e carbonate d e magneacutesium form eacute agrave la surfac e de s particules reacuteagi t ave c

le CO2 pour forme r d u bicarbonate d e magneacutesium repreacutesent e leacutetap e l a plus importante d e ce

meacutecanisme

Toutefois lorsqu e l a concentration d e Mg O e n solutio n excegraved e 05 5 gL l a preacutecipitation d u

carbonate de magneacutesium peu t devenir l a reacuteaction dominante (Evan s et St-Clair 1949)

Les reacuteaction s 1 9 agrave 12 1 deacutemontren t qu e c e processu s s e produi t spontaneacutement san s

neacutecessiter de la chaleur

31

Dun poin t d e vu e thermodynamique l e maximu m d e conversio n d e calciu m conten u dan s

les reacutesidu s alcalin s deacutepen d d e deu x facteurs l a solubilit eacute de s ion s d u calciu m dan s l e

processus dextractio n e t d e l a solubilit eacute de s ion s calciu m dan s l a preacutecipitation L e produi t

net d e l a productio n d e CaC03 deacutepen d d e l a diffeacuterenc e d e solubilit eacute entr e l e processu s

dextraction e t celui de la preacutecipitation (lizuk a et al 2004)

132 Leffe t de s variables sur la carbonatatio n

Plusieurs variable s affecten t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s e t sous -

produits alcalins Nombreux chercheur s ont eacutetudieacute leffe t de s variable s su r l e processus de la

carbonatation (Stolarof f e al 2003 Druckenmille r e t Maroto-Valera 2005 Maroto-Valer a

et al 2005 Stolarof f e r al 2003 Hujge n et al 2003-2006 Bonenfan t 2008) Leffe t de s

variables su r l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s basique s e n solutio n peu t ecirctr e seacutepar eacute

en deux cateacutegories

Variables affectan t l a solubiliteacute du C02dans lea u

Le pH la tempeacuterature e t la saliniteacute de leau ains i que la pression partielle du CO2 ont un effe t

direct su r l a solubiliteacute du CO2 dans leau Plu s le pH est basique plus l a solubiliteacute du CO2 est

eacuteleveacutee L a solubilit eacute d u CO 2 se fai t selo n l a lo i dHenr y pou r de s pression s supeacuterieure s agrave 5

atm (Vas Bhat 2000)

[C02]aq=KHpC02= 0032 pC02 (122 )

KH es t l e coefficien t d e solubilit eacute o u constant e dHem y d u CO 2 qu i es t deacutependant e d e l a

tempeacuterature e t de la saliniteacute et pC02 est la pression partielle du CO2

32

Lapproche d e Setcheno w qu i illustr e linfluenc e de s sel s su r l a solubilit eacute d u CO 2 peu t

sappliquer agrave diffeacuterents sel s mineacuterales comme sui t

X = xO exp(-Acirc) (123 )

ougrave X e t xO sont le s fracfions molaire s d u gaz acide dans lea u pur e e t dans l a solution saline

K es t la constante de Setchenow e t I est la force ioniqu e du sel

Variables affectan t directemen t l a carbonatation de s oxydes meacutetallique s basique s en solution

La granulomeacutetri e de s particules l a concentratio n (rati o solideliquide ) doxyd e meacutetalliqu e

dans l a solution l e temps la tempeacuterature d e reacuteaction l a pression partiell e e t le deacutebit du CO2

ainsi qu e l a vitesse d e brassag e d e l a solutio n son t le s variables qu i influencen t directemen t

la carbonatation de s oxydes meacutetalliques basiques en solution

Il fau t note r qu e l a vitess e d e brassag e nes t pa s influenceacute e e t ninfluenc e pa s le s autre s

variables lors le processus de carbonatation

Granulomeacutetrie de s particule s

La granulomeacutetri e de s particule s joue u n rocircl e tregrave s importan t su r l a carbonatatio n de s oxyde s

meacutetalliques Le s eacutetude s d e Hujge n et al (2006) Bonenfan t et al (2008) Baciocch i et al

(2009) on t deacutemontreacute s qu e le s quantiteacutes de s carbonate s e t des silicate s d e magneacutesium eacutetaien t

plus eacuteleveacute s agrave de s granulomeacutetrie s d e scorie s e t d e wallastonit e lt 38pm L a conversio n d u

CaO d e scorie s dacieacuterie s e n carbonate s pass e d e 2 4 agrave 74 lorsqu e l a granulomeacutetri e de s

particules diminu e d e lt 2 mm agrave lt 38 pm Reacuteduire la granulomeacutetrie pa r deux peu t augmente r

la conversion d e 32 agrave 62 (Hujgen 2005)

Vitesse de brassage

La conversio n d e CO 2 e n carbonate s nes t pa s influenceacute e pa r l a vitess e d e brassag e gt 50 0

rpm (Hujge n et al 2006 ) mais peu t empecircche r l a preacutecipitatio n d u Mg O (Femacircnde z et al

1999) E n revanche baisse r l a vitess e d e brassag e d e 50 0 agrave 10 0 rp m reacutesult e e n un e

diminution marqueacute e de la conversion de CO2 en carbonates (Hujge n et al 2006)

33

Ratio solideliquide (LS )

Plus l a solution es t dilueacutee plus l a conversion d u CO2 en carbonates es t eacuteleveacutee (Hujgen et al

2006 Bonenfan t et al 2008) Autremen t dh plu s l e rafi o L S es t eacutelev eacute plus l e degr eacute d e

carbonatation es t eacuteleveacutee Toutefois leffe t d e c e paramegravetr e su r l a carbonatatio n deacutepen d de s

autres paramegravetre s tel s qu e l a tempeacuteratur e e t l a pressio n d e lexpeacuterimentatio n (Baciocch i et

al 2009)

La tempeacuterature e t la pression du CO

Ces deu x variable s son t tregrave s lieacutee s lun e agrave lautre L a tempeacuteratur e peu t avoi r de s effet s

contradictoires su r l a carbonatation Agrave haute tempeacuterature l a lixiviatio n d u C a d e l a matric e

peut ecirctr e tregraves rapide mais l a solubiliteacute d u CO2 dans l a solution peu t diminue r (Hujge n et al

2005) Agrave un e pressio n d e 2 0 bar s d e CO 2 l a carbonatafio n augment e s i l a tempeacuteratur e n e

deacutepasse pa s le s 15O C e t attein t so n maximu m agrave 200C L a conversio n diminu e abruptemen t

au-dessus d e 200C C e reacutesulta t es t d ucirc au x effet s contradictoire s d e l a tempeacuteratur e

laugmentation d e l a tempeacuterature augment e l a vitesse de reacuteaction e t l e transfert d e masse de s

ions d e calciu m (lixiviation ) mais d e lautr e coteacute ell e provoqu e l a baiss e de s ion s

bicarbonate dan s lea u (Montes-Hemande z et al 2009) L a formatio n de s carbonate s es t

plus eacuteleveacutee aux basses pressions et agrave de hautes tempeacuteratures (Och s et al 1998)

133 Cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2

La cineacutetique dadsorptio n d u CO 2 deacutepend comm e o n vien t d e voir d e plusieur s paramegravetres

La vitesse d e reacuteaction deacutepen d grandemen t d e la tempeacuterature e t de l a pression (Huijge n et al

2006) Alor s qu e l a premiegraver e eacutetap e es t rapid e e t caracteacuteriseacute e pa r la formatio n d e CaCO j e n

quantiteacute relativement importante l a seconde eacutetape est plus lente (Gmpta e t Fan 2002)

En effet l e CaC0 3 form eacute preacutealablemen t dan s l a premiegraver e eacutetape constitu e un e barriegraver e qu i

gecircne la reacuteactio n d u Ca O disponibl e ave c l e CO 2 D e c e fait ladsorptio n d u CO 2 se trouv e

limiteacutee

34

Par conseacutequent l e pheacutenomegravene d e diffusion de s composants chimique s agrave travers l a couche d e

CaC03 form eacute constitu e u n paramegravetr e cl eacute qu i gouvern e l a cineacutetiqu e d e l a second e eacutetape L e

processus de lixiviation influenc e don c le degreacute de carbonatation L e transfert d e masse dans

les pores d u solid e es t difficil e agrave eacutevaluer selo n Ochsenkuhn-Petroloulo u et al (2002) car i l

est impossibl e d e deacutefini r l a form e de s canau x empmnteacute s pa r l a mafiegravere O n peu t toutefois

selon ce s auteurs obteni r un e esfimatio n approximativ e d u transfer t de s particule s dan s l a

solution agrave laide d e leacutequation suivant e

Dnidt=kA(Cs-c)b (124 )

ou

A est Faire de linterface solide-liquid e

b est leacutepaisseur d u film entourant le s particules

c est la concentration (mv ) du soluteacute

t est le temps

Cs est la concentration d e la solution satureacutee en contacte avec les particules

m est l a masse des particules transfeacutereacutees dan s le temps t

k es t le coefficient d e diffusion

Lair d e linterfac e solide-liquid e es t proportionne l au x nombre s de s particule s solide s dan s

la solution e t l e ratio L S es t l a fraction d e lair e speacutecifiqu e de s particule s d u reacutesid u alcali n

qui participent dan s l e processus de lixiviafion (Ochsenkuhn-Petroloulo u et al 2002) Ainsi

la taille de s pore s d e Ca O e t leu r distributio n deviennen t de s facteur s important s quan t agrave l a

conversion d e Ca O e n CaC03 A ce propos des performance s d e conversio n d e 7 0 e t 8 2

ont eacutet eacute reacutealiseacutees pa r Bhati a an d Perlmutte r (1983 ) e t Mess et al (1999 ) respecfivement pou r

des granulomeacutetries de 81-173pm et 15-2 0 pm

35

Pour exprime r d e faccedilo n apparent e l a cineacutetiqu e d e cett e conversio n d e Ca O e n CaC03 u n

modegravele matheacutematique a eacuteteacute proposeacute par Lee (2004)

X = k b t(b+t) e t dXdt - k (1-XXu)^ (125 )

ougrave X e t X u son t l a conversio n e t l a conversio n ultim e d e CaO k es t un e constant e d e l a

vitesse de cineacutetique b est le temp s neacutecessaire atteindre Xu2 e t t est l e temps

Pour deacutecrir e l a vhess e d e conversio n d e Mg O e n MgC03 u n modegravel e matheacutematiqu e a eacutet eacute

proposeacute par Femacircndez et al (1999 )

kt= l-(l-XMgO)^ ^ (126 )

ougrave XMgO repreacutesente l a conversion d e MgO k est une constante de la vitesse d e cineacutetique

t est le temps

Lors de ces reacuteactions l e CO2 sattache chimiquemen t agrave l a surface de s oxydes meacutetalliques d e

MgO CaO Ti0 2 pou r forme r de s unidentate s dan s l e ca s d e Ca O (Aurou x e t Gervasini

1990) e t d e unidentates (u n seu l atom e es t donneur deacutelectrons ) e t bidentate s (deu x atome s

sont des donneurs deacutelectrons) dan s le cas de MgO et de Ti02 (Udovic e t Dumestic 1984)

Laluminium es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quanfiteacute s dan s le s solution s de s boue s rouges

mais i l form e beaucou p moin s d e carbonate s compareacute s au x Ca O e t MgO Coolin g et al

(2002) ont deacutemontr eacute qu e l a soude caustiqu e e t l e TCA-6 ( 3 Ca(0H)2 2 A1(0H)3) adsorben t

respectivement 29 0 e t 469 du CO2 adsorbeacute par le s boues rouges L e Si02 ne forment pa s

de carbonates mecircm e si l adsorb e un e bonne quantit eacute d e CO 2 (Ueno e t Bennet t 1978 Bal et

al 2001) E n revanche le s bicarbonates s e formen t suit e agrave ladsorption d u CO 2 sur les site s

acides fort s de s oxyde s selo n u n meacutecanism e d u typ e Langmuir-Hinshellwood Ce s

meacutecanismes impliquen t lisotherm e d e Langmuir (cas I et III)

36

Cette isotherm e peu t ecirctr e deacutecrite en termes de taux d e reacuteaction agrave la surface d e ladsorban t O

(Erzeng 2006)

0 = nombre de sites dadsorption occupeacute s (L27 ) nombre de sites dadsorpfion disponible s

O = 0 ~ l

Ce meacutecanism e (Langmuir-Hinshellwood ) sappliqu e dan s l e ca s d e ladsorpfio n d e deu x

reacuteactifs su r une surface san s dissociation

A(g) + B(g) ^ A(ads ) + B(ads) -^ Produi t (128 )

La vitesse de cette reacuteaction est donneacutee par

ri = k [A] [B] = k copyAO B (129 )

Lisotherme d e Langmuir sapplique comm e sui t

copyA = BOAPA +BOAPA+BOBPB (130 )

copyB=BOBPB1+BOAP)+BOBP5 (131 )

ougrave B est le coefficient dadsorptio n ( A et B) et PA et PB le s pressions partielles de A et B

La vitesse deacuteriveacutee de lisotherme d e Langmuir cas III sillustr e comm e sui t

r = kBoABoB^sl +BOAPA + BOBPB (132 )

De no s jours aucun e eacutetud e n a eacutelucid eacute complegravetemen t le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t

ladsorption d u CO 2 en milieu x aqueu x de s oxyde s meacutetallique s basique s preacutesent s dan s le s

scories dacieacuterie s (Bonenfant 2008) U n nombr e importan t d e variable s peu t ralenti r o u

acceacuteleacuterer l a vitesse de la reacuteaction de ladsorption d u CO2

37

Plusieurs meacutethode s on t eacutet eacute examineacutee s jusqu agrave preacutesen t pa r le s chercheur s y compri s

laugmentation d e la surfac e de s particule s d e roch e pa r pulveacuterisation lutilisatio n d e

catalyseurs d e reacuteactio n tel s qu e lacid e chlorhydrique lacid e aceacutetiqu e o u hydroxyd e d e

lithium de s solution s tampon s telle s qu e bicarbonat e d e sodiu m e t l e carbonat e d e fe r

(Krevor e t Lackner 2009 ) e t des tempeacuteratures e t de s pressions eacuteleveacutee s o ugrave l e CO2 est en eacuteta t

supercritique (lizuk a et al 2004) Prigiobb e et al (2009 ) on t remarqu eacute qu e le s sel s

inorganiques tels que NaCl NaHCOs et KHCO3 ont ameacutelioreacute l a carbonatafion de s silicates

Ils ont concl u qu e l a variation d u pH peu t influence r l a dissolution d u CO 2 dans l a solufion

En revanche l a variafio n de s tau x d e HCl d e LiO H o u d e l a salinit eacute a produi t u n

changement dan s l a valeu r d u p H c e qu i agrave so n tou r condui t agrave un changemen t d u tau x d e l a

dissolution d u CO 2 mais i l n y avai t pa s d e preuve s du n effe t direc t e t indeacutependan t d e ce s

paramegravetres su r le taux de dissolution d u CO2

La variatio n d e p H n a pa s l a mecircm e influenc e su r toute s le s matrice s alcalines Lolivin e

semble decirctre l e mineacuteral alcali n l e plus influenceacute pa r l a variation d u pH s i on parle en termes

de dissolutio n d u CO2 I l n y a pa s deffe t dinhibitio n su r l a dissolutio n d u CO 2 agrave u n p H

supeacuterieur agrave 5 Ce constat es t important car agrave ces valeurs de pH e t agrave des tempeacuteratures d e 25 agrave

150 C le s preacutecipitations d e carbonates son t les plus eacuteleveacutees (Prigiobbe et al 2009) Lorsque

le pH de ce systegraveme es t presque neutre la dissolution d u CO2 est lente e t donc la dissolutio n

des mineacuteraux dans ces conditions es t moindre (Krevor e t Lackner 2009)

Liu et al (2005 ) ont deacutevelopp eacute un e meacutethode biomeacutetrique dan s laquell e lenzym e anhydras e

carbonique jou e l e rocircl e d e catalyseu r biologique Le s reacutesultat s obtenu s on t deacutemontr eacute qu e

lenzyme a acceacuteleacutereacute l a carbonatation de s oxydes meacutetalliques dans le milieu aqueux

En conclusion plusieur s paramegravetre s influence s l a cineacutefiqu e dadsorptio n d u CO 2 e t l a

formation de s carbonates C e son t donc laugmentatio n d e l a tempeacuterature d u rappor t LS

du temps de reacuteaction e t de l a pression partiell e d u CO2 les principaux facteur s qu i favorisen t

la conversion d u Ca en carbonates

38

134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s

Les boues rouge s des aluminerie s

La production de s boues rouges en 2006 sest chiffreacutee agrave 90 millions de tonnes dans le monde

dont troi s million s d e tonnes au Canada e t on preacutevoit un e augmentatio n d e production d e 6 0

par deacutecennie (Kumar et al 2006)

Le stockag e de s boue s rouge s repreacutesent e no n seulemen t u n problegravem e eacuteconomique agrave caus e

des coucirct s d e preacuteparatio n e t d e maintenanc e de s sites mai s auss i u n problegravem e

environnemental d ucirc agrave leur nature caustique

Les boues rouges son t ufiliseacutees dan s les domaines de (Sglavo et al 2000 Gupta et al 2001

Brunori et al 2005 Li et al 2006 )

constmction de s routes agrave cause de leur soliditeacute et de leur durabiliteacute

production d u ciment agrave cause de leur reacutesistance au gel et leur bas prix

fertilisation de s sols gracircce agrave leur teneur eacuteleveacutee en potassium e t en phosphate

extraction des oxydes de fer de scandium de plomb et de titan

fabrication d e ceacuteramique

neutralisation de s eaux des mines et des sites contamineacutes

Les scories des acieacuterie s

Lutilisation de s scorie s dans l e but de seacutequestrer l e CO2 est important e s i on considegravere qui l

se produi t actuellemen t 1 4 million s d e tonne s a u Canada 2 1 million s d e tonne s au x Eacutetat s

Unis e t 35 0 million s d e tonnes de scorie s dans l e monde (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e

tonne dacie r produit 02 8 agrave 1 tonne CO 2 son t eacutemi s dan s latmosphegravere Le s scorie s son t

utiliseacutees dan s plusieurs domaine s de leacuteconomie Le s principales ufilisation s de s scories son t

dans l e domain e d e l a constructio n (bitume ) e t comm e mateacuteriau x d e rembla i (Kharoune

2006) Des technique s reacutecente s permetten t l a reacutecupeacuteratio n d u phosphor e de s eau x useacutee s

(Soulard 2001)

39

Les scorie s d e typ e F P (Fou r Poche ) son t certifi eacute pou r u n usag e comm e amendemen t

calcique de s sol s (Procto r et al 2000) Dautre s utilisation s connue s de s scorie s son t dan s

les domaine s d e neutralisatio n de s eau x d e drainag e de s mines contr e leacuterosio n de s sols

comme mateacuterie l d e drainag e e t dadsorptio n de s meacutetau x lourds Mecircm e s i plusieur s

utilisations de s scorie s son t reacutepertorieacutees actuellemen t plusieur s dizaine s d e million s d e

tonnes de scories se trouvent accumuleacutee s su r des terrains partout dans l e monde

Les poussiegraveres de four des cimenteries (CKD )

La production mondial e de s CKD seacutelegravev e agrave 30 millions d e tonnes (Konsta-Gdouto s e t Shah

2003) Un e tregrave s faibl e proportio n (1 5 ) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x

dans le s industrie s agricole s e t d e l a construction Un e bonn e parti e (jusqu agrave 6 7 ) es t

reacuteutiliseacutee dan s le s fours d e production d u ciment e t le reste des CKD s e retrouvent e n pile ou

dans de s eacutetangs agrave proximiteacute de s usines On esfime agrave quatre million s d e tonnes d e poussiegravere s

accumuleacutees en Ameacuterique du Nord (Van Hoss et Padovani 2003)

Gracircce agrave leu r teneu r eacuteleveacute e e n calciu m e t potassiu m le s CK D son t tregrave s utiliseacutee s dan s l a

fertilisation de s sol s e t l a stabilisafio n de s eau x useacutee s e t de s boue s de s station s deacutepuration

Les CK D son t eacutegalemen t ufiliseacutee s avec succegrave s comm e remplissan t bitumineu x dan s l e

pavage e t l a toitur e dasphalte E n outre le s CK D e t le s cendre s volante s carbonate s

(utiliseacutees pour la seacutequestration du CO2) sont riches en carbonate d e calcium (CaC03 ) et de ce

fait elle s peuven t ecirctr e reacuteutiliseacutee s comm e mafiegravere s premiegravere s dan s l a fabricatio n d u ciment

Dans c e cas l e processu s d e carbonatatio n peu t ecirctr e consideacuter eacute comm e u n processu s d e

recyclage du ciment (lizuka et al 2004)

Les cendres volantes de s cimenterie s

Aux Eacutetat s Unies 708 millions de tonnes de cendres volante s d e tout genr e ont eacuteteacute produite s

en 2004 Preacutes de 40 de ces reacutesidus son t utiliseacutes comme additi f de ciment (Biemack i et al

2007) dan s de s bloc s d e maccedilonnerie comm e mateacuterie l e n alliage s leacutegers comm e matiegravere s

dagreacutegation fluides dan s l a chausseacuteeconstruction d e piste et comm e granule s de toiture

40

La plu s grand e applicafio n de s cendre s volante s es t dan s l e ciment bie n que d e nouvelle s

ufilisations creacuteatrice s pou r le s cendre s volante s soien t activemen t chercheacutee s (Konsta -

Gdoutos et Shah 2003 Kim 2004)

Pour l a peacuteriod e 200 3 agrave 2005 les centrales alimenteacutee s a u charbo n a u Canad a on t produi t e n

moyenne 45 2 M t de cendres volante s pa r anneacutee (Panagapko 2005) Dans lensemble 2 8

des cendre s volante s ont eacutet eacute reacuteutiliseacutes L e gyps e syntheacutetiqu e entr e dan s l a fabricatio n d e

panneaux d e placoplacirctre e t est utiliseacute agrave titre dadditif agrave ciment (Panagapko 2005) En Inde la

production d e cendre s volante s es t supeacuterieur e agrave 11 0 millions d e tonne s pa r a n e t seulemen t

20-25 de ces reacutesidus sont utiliseacutes agrave la fabrication d u ciment (Kumar et al 2005)

Reacutecemment Soon g et al (2006 ) on t propos eacute lutilisatio n de s cendre s volante s e t de s

solutions d e saumur e afi n d e seacutequestre r l e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuterale E n Europ e e t

selon le s anneacutees de 2 agrave 3 millions d e tonnes d e cendres volantes su r un e productio n total e

de 43 millions son t utiliseacutees en constructions d e routes soi t un taux dutilisatio n globa l dan s

ce secteur dactiviteacute d e 8

CHAPITRE 2

MATEacuteRIEL E T MEacuteTHODE S

Ce chapitr e preacutesent e l a meacutethodologie suivi e e t le s critegravere s d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacute s

lors d u projet boue s rouge s de s alumineries scorie s de s acieacuteries poussiegravere s d e fou r e t le s

cendres volantes des cimenteries

21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacute s

Des critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n on t eacutet eacute appliqueacute s pou r chacu n de s mateacuteriau x

cibleacutes Pa r critegravere s d e preacuteseacutelection o n sous-enten d tout e proprieacutet eacute physiqu e d e reacutesidu s

susceptible agrave preacutesente r de s danger s pou r l a sant eacute humain e telle s qu e de s odeur s

nauseacuteabondes deacutegagemen t d e ga z toxiques etc Le s reacutesidu s industriel s demandan t de s

proceacutedeacutes suppleacutementaire s afi n d e le s rendre non-toxique s o u ufilisable s avan t d e le s ufilise r

au laboratoir e on t eacutet eacute eacutecarteacute s d e l a preacutesent e eacutetude L a teneu r e n oxyde s meacutetallique s (CaO

MgO Si2 0 etc) l a teneu r e n meacutetau x lourd s (lixiviation) l e pH l a conductiviteacute l a

granulomeacutetrie son t le s principau x critegravere s d e seacutelectio n de s reacutesidus Huit reacutesidu s e t sous -

produits alcalin s ont eacuteteacute choisis pour reacutealiser leacutetud e su r l a seacutequestration d u CO2 deux type s

de boue s rouge s (humide s e t segraveches) trois types d e scorie s (FAEacute HF FP ) e t deu x type s d e

reacutesidus des cimenteries (poussiegraveres de four cendre s volantes)

211 Le s boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouges on t eacuteteacute foumies pa r Alcan Inc (Vaudreuil Queacutebec Canada) stockeacutee s dan s

des conteneur s hermeacutetiquemen t fermeacute s agrave 2 2 C L a couleu r roug e (Figur e 21 ) es t du e agrave l a

forte teneu r e n fe r e t so n p H eacutelev eacute es t l a conseacutequenc e d u traitemen t d e l a bauxit e agrave

lhydroxyde d e sodium (NaOH)

42

Boues rouge s humides

Boues rouge s segraveches

Figure 21 Photos des boues rouges humides et segraveches

Les boues rouges ont une granulomeacutetrie tregraves fine comprise entre 01 agrave 1000 pm une surface speacutecifique d e 1 0 agrave 4 0 m g e t un e mass e volum e trique qu i vari e d e 3 0 agrave 3 5 gcm ^ (Bonenfant et al 2006) Les boues rouges humides ont une sicciteacute de 50

Tableau 21 La composition chimique moyenne des boue s rouges Tireacute de Bonenfant (2006)

Composition en masse

Boues rouges

humides Boues rouges segraveches

AI2O3

193

19

CaO

58

77

FczOj

352

335

MgO

07

08

Na20

143

8

S1O2

53

96

43

Les oxydes preacutesenteacute s au tableau 21 font parti e des principales phases ( Hind et al 1999 Coolmg et al 2002 Cabeza et al 2003 ) comm e la portlandite (Ca (0H)2) le carbonate de sodium (Na2C03) le naal (0H)4 Na6[AlSi04]6 la cristalline dheacutematite (Fe203) la goethite (a-FeOOH) la gibbsite (Al (0H)3) la boehmite (y-AlOOH) la sodalite (Na4Al3Si30i2Cl) la anastase (Ti02) la mtile (Ti02) la katoite (Ca3Al2Si04(OH)i2) le gypse (CaS04 2H2O) et le quartz (Si02)

212 Le s scories des acieacuteries

Les scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c eacutelectrique) H F (hau t foumeau ) e t F P (fou r Poche ) on t eacutet eacute

foumies par la compagnie Mittal Canada Inc (Contrecoetu Queacutebec Canada)

Dans les usines inteacutegreacutees toutes situeacutees en Ontario des hauts fourneaux (voi r le scheacutema de production d e lacier Annex e II ) produisen t d u fe r primair e agrave parti r d e matiegravere s bmte s comme du minerai d e fer d u charbon e t de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006) Les scories sont inodore s e t ont une granulomeacutetrie fm e d e 0 agrave 5mm mais elles son t commercialiseacutee s aussi agrave une granulomeacutetrie de 5 agrave 14 mm (voir figure 22)

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP

Sont les pH eacuteleveacutes (12 agrave 13) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxydes meacutetalhques (Huijgen et al 2005) Les raisons principales de lutilisation des scories comme substrat de seacutequestration du

CO2

44

Les scorie s FO P et FP sont plus riches en calcium qu e cell e FAEacute tandis qu e le s scorie s F P

sont plu s riche s o n oxyd e daluminium Le s teneur s e n meacutetau x lourd s son t faible s pou r le s

trois types d e scorie s eacutetudieacutees Les scories d e type FO P et FA Eacute son t diffeacuterente s de s scorie s

HF (Figur e 22) Elle s son t plu s leacutegegravere s e t plu s riches e n fe r (Bonenfan t et al 2006) Le s

scories H F ayan t un e mass e volumiqu e d e 200 0 kgm ^ sont le s plu s leacutegegraveres tandi s qu e le s

scories FOP et FAEacute ont une masse volumique de 3000 kgm

Plusieurs phase s mineacuteralogique s composen t le s scorie s don t le s principale s son t l a

portlandite (Ca(0H)2 ) qu i es t geacuteneacuteralement l a phase dominante l a calcite l a magneacutesite le s

silicates e t diver s oxyde s tel s qu e de s oxyde s d e calcium d e magneacutesium d e fer d e

manganegravese e t de silicium (voi r tableau 14)Selo n Huijgen et al (2005) les conditions dan s

lesquelles le s scorie s son t geacuteneacutereacutee s deacuteterminen t le s proportion s d e ce s phase s dan s le s

scories (Huijgen et al 2005)

213 Le s poussiegraveres de four des cimenteries

Les poussiegravere s d e fou r on t eacutet eacute fourni e pa r le s cimenterie s St-Lauren t Inc (Longueuil

Queacutebec Canada) et Ciment Queacutebec Inc (St-Basil Queacutebec Canada)

Les poussiegraveres de four de cimenterie (voir figure 23) connues aussi sous le nom de laquocernen t

kiln dustraquo (CKD) sont des reacutesidus industriel s reacutecupeacutereacutes pa r les filtres eacutelectrostatiques (Doy e

et Duchesne 2003 ) lor s d e l a fabricatio n d u clinke r (voi r l e scheacutem a d e l a fabricatio n d u

ciment Annexe III) Les CKD ont une granulomeacutetri e tregrave s fine variant de 01 agrave 10 0 pm une

surface speacutecifiqu e d e 46 agrave 14 0 m g Les CKD ont une masse volumique de 480 kgm mai s

compacteacutees leur masse volumique peut atteindre 135 0 agrave 150 0 kgm^ (The Feacutedeacutera l Highway

Administration 2006) L a compositio n chimiqu e moyenn e de s CK D es t repreacutesenteacute e a u

tableau 15

45

Figure 23 Photo des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD)

Tireacute de Doye et Duchesne (2003)

Les CKD hbegraveren t tregrave s rapidemen t d e fortes concentration s e n potassium e n sulfat e e t en alcaliniteacute (Doye et Duchesne 2003) La quantiteacute doxyde de CKD deacutepend du type de four la source des matiegraveres du type de carburant utiliseacute et la maniegravere dont les CKD ont eacuteteacute reacutecupeacutereacute par le systegraveme

Lanalyse mineacuteralogiqu e de s CKD montre quelles sont composeacutees de calcite (CaC03) de dolomie (CaMg(C03)2 d u quart z (Si02) l e portlandit e (Ca(0H)2 de s sel s darkanit e (K2SO4) d e gyps e (CaS04) d e sylvit e (KCl) dhalit e (NaCl ) e t dettrengit e (Ca6(Al)2(OH)i 2(804)326 H2O + 6 H2O)

214 Le s cendres volantes

Les cendres volante s (voi r figure 24) on t eacutet eacute fournie s pa r le s cimenteries St-Lauren t Inc (Longueuil Queacutebec Canada)

46

Figure 24 Phot o des cendres volantes

Les particule s d e cendre s volante s son t l a plupar t d u temp s spheacuterique s avec un e surfac e

speacutecifique d e 25 0 agrave 60 0 m kg Les cendre s volante s d e class e C on t u n p H d e 1 2 e t un e

masse volumiqu e d e 234 0 kgm ^ (Biemack i et al 2007) L a compositio n chimiqu e de s

cendres volantes es t deacutecrite au tableau 16

Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestrer jusquagrave 2 6 kg de CO2 (Montes-Hemandez

2009)

En geacuteneacuteral le s phase s mineacuterale s preacutesentes (Biemack i et al 2007 ) dan s cendre s volante s

sont l e quartz (Si02) l a mullite (3AI2O 3 JE 2Si02) l a plagioclase (Na Ca (Si Al) 40raquo) l a

gehlenite (Ca2A l [AlSiO]) lanhydrit e (CaS04) lheacutematit e (Fe203) Fhalit e (NaCl) l a

sylvinite (KCl) et la calcite (CaC03)

47

22 Meacutethode s expeacuterimentale s

221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacute s

La compositio n chimiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s (scorie s e t boue s rouges ) a eacutet eacute eacutevalueacute e pa r

fluorescence agrave rayon X agrave laid e du n spectromegravetr e Philip s PW2400 Ell e a permis lanalys e

quantitative de s principaux composant s tels que 1 e CaO le FeO et le MgO Ces mesures ont

eacuteteacute reacutealiseacutee s e n triplicat a su r de s eacutechantillon s d e diffeacuterent s lot s de s mateacuteriau x cibleacute s e t

utiliseacutees pour lensemble de s expeacuterimentations

222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductivit eacute

Le p H e t l a conductivit eacute de s meacutelange s lixivieacute s on t eacutet eacute mesureacute s selo n le s meacutethode s

respectives normaliseacutee s 4500-H^- B e t 2510- B (APHA 1989 ) ave c l e pH-megravetr e numeacuteriqu e

PHM 250 ION Analyser ains i que le conductimegravetre numeacuteriqu e CD M Conductivit y Mete r de

la compagni e MaterLab^^ Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute on t eacutet eacute mesureacutee s pou r

chacun des mateacuteriaux cibleacutes avant et apregraves la carbonatation ains i que sur tous les eacutechantillon s

preacutelixivieacutes e t non preacutelixivieacutes filtreacutes e t non-filtreacutes L a filtration a eacuteteacute reacutealiseacute agrave laide d e filtres

Filtropur steacuterile s en aceacutetates de cellulose ayant un diamegravetre de 045 pm

223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin

Lalcaliniteacute de s mateacuteriau x a eacutet eacute mesureacute e agrave laid e d u fitreur automatiqu e TIM86 5 Titrafio n

manager e t d u logicie l Titramaste r 85V130 L e titrag e a eacutet eacute effectu eacute ave c d e lacid e

chlorhydrique (HCl ) 1 N Afi n deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestrafio n de s hui t mateacuteriau x

testeacutes le s reacuteserve s alcaline s de s matrice s on t eacutet eacute mesureacutee s dan s de s eacutechantillon s ayan t de s

granulomeacutetries industrielles Le s eacutechantillons contenaien t 1 0 g de mateacuteriaux cibleacute s e t 20 mL

deau deacuteioniseacute e e t ont eacuteteacute agiteacutes agrave 20degC et 200 rpm et titreacutes par titrage automatique ave c HCl

IN L e bu t d e lactivit eacute eacutetai t deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestratio n de s mateacuteriau x cibleacute s e n

partant de leurs pH naturel jusqu agrave pH 8 3 soi t le pH limite de formafion de s carbonates

48

224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en cuveacutee

Des essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute reacutealiseacute s ave c le s hui t reacutesidu s alcalin s cibleacutes Le s capaciteacute s

dabsorption de s mateacuteriau x choisi s on t eacutet eacute deacutetermineacutee s pa r l e barbotag e d u CO 2 (15 e n

volume CO2N2 ) e n fonctio n d e temp s donneacute s d e reacuteactio n 24 e t 4 8 heures L e choi x d u

meacutelange 1 5 e n volume CO2N 2 a eacutet eacute fai t e n tenan t compt e de s eacutemission s reacuteel s e n CO 2

quune chemin eacute dusine rejett e dan s latmosphegravere ( 8 agrave 1 5 ) Cette opeacuteration a eacuteteacute effectueacute e

dans des Erleinmeyer d e 250 mL qui contenaient 2 0 g de reacutesidu e t 200 mL deau deacuteioniseacute e agrave

20 C avec u n deacutebi t d e 5 mlmin duran t 2 4 e t 4 8 heures sou s un e agitatio n d e 20 0 rpm L e

tableau ci-dessous illustr e le s paramegravetres dexpeacuterimentation

Tableau 22 Paramegravetre s dexpeacuterimentatio n

Paramegravetres Temps

Tempeacuterature Pression

Granulomeacutetrie Volume deau distilleacute e Rapport liquidesolid e

(LS) Vitesse de rotation

Mesures 2448

Constante Atmospheacuterique

Industrielle 200 10

200

Uniteacutes Heures 20degC atm pm mL

kgkg

rpm

Le pH e t l a conductivit eacute ont eacutet eacute mesureacute s selo n le s technique s deacutecrite s preacuteceacutedemment Le s

quantiteacutes d e carbon e absorbeacutee s ont eacutet eacute mesureacutee s agrave laid e danalyseu r DC-85 A TO C d e l a

compagnie Dohrman n Divisio n C o muni dun fou r agrave combustion (800degC) dun flux conten u

doxygegravene e t du n tub e agrave catalyse contenan t d e loxyd e d e cobal t su r alumine Lanalyseu r

est eacutetalonn eacute ave c un e solutio n d e biphtalat e d e potassiu m agrave un e concentratio n e n carbon e

organique d e 200 0 mg-CL Le s concentration s e n carbon e organiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s

lixivieacutees non-lixivieacutees filtreacutees e t non-filtreacutees on t eacutet eacute mesureacutees apregrave s linjectio n d e 20-40 p L

dans le four d u TOC-megravetre

Avant linjectio n dan s l e fou r d u TOC-megravetr e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute agiteacute s ave c u n

baveau magneacutetiqu e agrave environ 50 0 trmin

49

Les concentration s e n carbon e organiqu e d e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute eacutevalueacutee s pa r l a

soustraction de s quantiteacute s d e carbon e mesureacutee s avan t e t apregrave s l a carbonatatio n d e ce s

eacutechantillons

La seacutequestratio n d u CO 2 a eacuteteacute fait e e n bouteille s d e Pyre x d e 25 0 mL Ce s dernier s eacutetaien t

ouverts agrave latmosphegravere L e CO 2 a eacuteteacute inject eacute agrave partir du n meacutelang e d e ga z de reacuteservoir e t l e

deacutebit d e ga z a eacutet eacute controcircl eacute agrave laid e du n deacutebitmegravetr e agrave flotteur e n acie r inoxydabl e d e Cole -

Pamier Instmment Co La reacutepartition uniform e d u gaz dans la boue rouge en milieu aqueux a

eacuteteacute reacutealiseacute e agrave laid e du n diffuseu r poreu x situ eacute agrave linteacuterieu r d e chaqu e fiole coniqu e (voi r

figure 2 5 et photo Annexe VIII) Les eacutechantillons ont eacuteteacute jeteacutes apregraves chaque analyse

Deux types dessais on t eacuteteacute conduits

bull essai s de barbotage preacutelixivieacute s pour lesquels le s eacutechantillons ont eacuteteacute lixivieacutes pendant 24 h

et 48h puis barbotes avec le meacutelange enrich i en CO2 pour une mecircme dureacutee

bull essai s de barbotage non preacutelixivieacutes pour lesquels leacutetape d e lixiviation a eacuteteacute supprimeacutee

Il fau t note r qu e pou r le s deu x temp s dadsorptio n d u CO 2 le s eacutechanfillon s utiliseacute s pou r l a

seacuterie de 24 heures sont diffeacuterents d e ceux utiliseacutes pour la seacuterie de 48 heures

50

Vent to atmosphegravere

Suspension of red mud or leachate

Diffuser mdash

Ecirc3

izzi nz o o o o Shaker

^ H = ^

Flowmeter

Gas mixture reacuteservoir

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee Adopteacute de Bonenfant et al (2008 )

Capaciteacute dadsorption du CO2

La capaciteacute dadsorption (Kco2 ) du C02^ par les reacutesidus alcalins a eacuteteacute deacutetermineacutee en fonction

du rapport liquide solide (LS) agrave la fois pour des essais preacutelixivieacutes et non preacutelixivieacutes

Celle-ci est donneacutee par la formule suivante

^ TOGeacuteiunJ(ppmQ - TOQireacuteppmQ) M(CCh)I MQ KC02 (g COicirclOOg de reacutesidu) = a bull

1000 (21)

ougrave M(C02) et M(C) sont respectivement les masses molaires (gmol) de CO2 et de C

Et a es t un facteur de conversion qui se calcule comme suit

a 100

ms(g) ms( 2)

( ^ ^ +200mL)000mLL) ps(glmL)

ms masse de reacutesidus utiliseacute dans lessai en g

ps masse volumique du reacutesidu alcalin en gcm^

51

225 Meacutethode s e t appareillages analytique s

Le tableau 2 3 reacutesum e le s meacutethodes e t les appareillages utiliseacute s pour le s diffeacuterentes analyse s

qui ont eacuteteacute reacutealiseacutees au cours de la preacutesente eacutetude

Tableau 23 Meacutethodes et appareillages analytique s appliqueacutee s

Type danalyse

pH

Conductiviteacute

Alcaliniteacute

Ca Na K Mg Fe

Carbone organiqu e

Meacutethodes danalys e

4500-H+-B PHM APHA 198 9

2510-B APHA 198 9

2320B APHA 198 9

3500 APHA 198 9

APHA 198 9

Appareillage

pH-megravetre 250 Ion Analyser

(MeterLabiM) Conductimegravetres numeacuteriqu e CDM Conductivity Mete r

(MeterLabiumlM) TIM865 Titration manage r + logiciel Titramaste r 8 5

V130 ICP-AES-IRIS ADVANTAGE

THERMOELECTRIQUE 2000

Analyseur DC-85 A TO C Dohrmann Divisio n Co

Apollo 9000 TOC Combustion Analyze r de

la compagnie Dohrmann Divisio n Co

CHAPITRE 3

RESULTATS ET DISCUSSION S

Les reacutesultat s obtenu s suite s au x essai s reacutealiseacute s seron t preacutesenteacute s e t discuteacute s dan s c e chapitre

Afin d e seacutelectionne r le s troi s reacutesidu s alcalin s ayan t le s meilleur s potentiel s d e seacutequestratio n

du CO2 des essais de seacutequestration d u CO2 de 24 et 48 heures ont eacutet eacute reacutealiseacutes Pour ce faire

les reacutesultats de leacutevolution d u pH de la conductiviteacute du potentie l d e seacutequestration d u CO2 et

du pouvoi r alcali n seron t preacutesenteacutes Enfin le s reacutesultat s de s essai s d e l a cineacutetiqu e d e

ladsorpfion d u CO 2 reacutealiseacute s ave c l e mateacuteria u ayan t deacutemontr eacute l e meilleu r potentie l d e

seacutequestration seron t discuteacutes

31 Evolutio n du pH et de la conductivit eacute

311 Essai s d e 4 8 heures

La figur e 3 1 illustr e l a variation d u pH des huit reacutesidu s apregrave s 48 heures d e seacutequestratio n d e

CO2 L e graphiqu e deacutemontr e clairemen t qu e tou s le s reacutesidu s on t sub i de s baisse s

remarquables d e p H apregrave s 4 8 heure s dadsorptio n d e CO2 Le s p H initiau x (voi r tablea u

31) de s troi s scorie s varien t d e 11 2 agrave 11 9 e t il s on t baisseacute s d e preacute s d e 6 uniteacute s pou r

atteindre l a valeu r d e 7 2 pou r le s scorie s S3 La figur e 3 1 deacutemontr e qui l y a tregraves pe u d e

variation d e p H entr e le s deu x valeur s extrecircme s d u p H conceman t le s deu x type s d e boue s

testeacutees En effet l a variation du pH concemant le s boues rouges humides preacutelixivieacutee s e t non

preacutelixivieacutes ne deacutepasse pas les deux uniteacutes Dans le cas des boues rouges segraveches (preacutelixivieacutes e t

non preacutelixivieacutes) la diffeacuterenc e es t moindr e soi t 1 5 uniteacutes E n revanche l a diminufio n de s

valeurs d u p H pa r rappor t agrave l a valeu r d u p H initia l es t remarquabl e du 12 6 agrave 72 Le s

poussiegraveres d e fours C l e t C2 ont obtenu le s plus fortes baisse s de pH dan s leur s formes non -

filtreacutees Toutefois seulemen t l e C 2 preacutelixivieacutee s e t non-filtr eacute a subi e un e baiss e d e p H

infeacuterieur agrave 70 soi t pregraves de 68 uniteacutes

53

Il fau t souligne r qu e le s diffeacuterence s d e p H entr e le s quatr e eacutechantillon s d e C l son t minime s

soit 0 1 unit eacute contrairemen t agrave celle s d e C 2 qu i son t di x foi s plu s grande s soi t un e uniteacute E n

revanche tous le s eacutechantillons de s cendres volantes F subis des baisse s remarquable s d e pH

variant de 66 agrave 68 uniteacutes

Ces reacutesultat s prouven t qu e l a lixiviation e n geacuteneacuteral jou e u n rocircl e minim e su r l e p H pe u

importe l e reacutesid u utiliseacute Toutefois le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s

meacutetallique tell s qu e Ca Mg Al Fe ^ selon Bonenfan t (2008) Ce son t ce s ions e t leur s

oxydes respectifs qu i assurent le pH et les conductiviteacutes eacuteleveacute s des reacutesidus cibleacutes

Tableau 31 Le s valeurs des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouge s humides (Bl )

Boues rouges segraveche s (B2)

Scories SAE (SI ) Scories FP (S2) Scories HF (S3)

CKD St-Lauren t C l CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

pH

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

115

115

115 116 118 126

-

-

48 heures

126

121

116 118 116 127 125

95

Non-filtreacute 24

heures 117

116

119 116 119 130

-

-

48 heures

126

121

119 119 117 127 127

92

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

121

120

112 114 115 128 125

88

Non-filtreacute -

124

122

115 124 117 128 126

89

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute (figur e 32) s i on compare ce s reacutesultats avec ceux d u

pH on peut constate r qui l exist e un lie u direct entr e leacutevolutio n d u pH e t leacutevolutio n d e la

conductiviteacute plu s le s valeur s d e p H augmentent plu s le s valeur s d e l a conductivit eacute

augmentent aussi Cett e relatio n peu t sexplique r pa r un e teneur plu s eacutelev eacute de s meacutetau x dan s

la solution surtou t dans les solutions de CKD

54

B1 B 2 S I 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

C2

Figure 31 Eacutevolution du pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutees ( bull ) non filtreacutes (o ) lors des essais de 48 heures

Il est coimu quen geacuteneacuteral les ions meacutetalliques en solution tels que Ca Mg Na^ forment

des eacutelectrolyte s beaucou p plu s puissant s qu e ceu x de s non-meacutetau x dougrave le s valeur s plu s

eacuteleveacutees de conductiviteacute des CKD (Cl) Toutefois s i on compare les valeurs de conductiviteacutes

initiales reacutesumeacutees au tableau 32 des scories FAEacute HF et les cendres volantes F on remarque

que contrairemen t au x autre s reacutesidus leur s valeur s d e conductivit eacute apregrave s 4 8 heure s d e

carbonatation ont augmenteacutes Ces reacutesultats corroborent ceux obtenus par Bonenfan t (2008)

Bonenfant expliqu e cet eacutecart par la preacutesence des oxydes amphotegraveres dans la solution tels que

lAl203 qu i diminuen t substanfiellemen t leur s influence s su r l e p H de s mateacuteriau x cibleacute s

comparafivement agrave ceux des oxydes fortement basique s tels que les oxydes de calcium et de

sodium

55

Tableau 3 2 Les valeurs des conductiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories SA E

(SI) Scories FP (S2) Scories HF (S3 ) CKD St-Lauren t

Cl CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

Conductiviteacute e n mS

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

58

43

05

69 11

243

-

-

48 heures

72

44

03

77 18

187

69

18

Non-filtreacute 24

heures 63

47

06

66 15

262

-

-

48 heure s

78

49

07

71 19

251

85

16

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

59

44

06

59 10

208

92

14

Non-filtreacute -

62

45

07

61 14

172

100

14

En revanche l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s daluminiu m dan s le s lixiviat s de s boue s

rouges e t des scorie s FA Eacute es t susceptibl e decirctre en partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees d e

conductiviteacute d e ce s troi s solution s selo n Bonenfan t (2008) I l es t inteacuteressan t d e constate r

encore un e foi s qu e l a preacutelixiviation comm e dan s l e cas d u pH a tregraves pe u dincidenc e su r

leacutevolution d e l a conductiviteacute E n fait i l nexist e aucun e diffeacuterenc e significafiv e d e

conductiviteacute entre le s reacutesidus preacutelixivieacutes et non-preacutelixivieacutes comme le deacutemontre l a figure 32

56

21

co18

bull^12

bullB 9 o ^ 6 O O 3

B1 8 2 81 82 8 3 C 1 C 2

Types de reacutesidus

Figure 32 Eacutevolution de la conductiviteacute des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) no n filtreacutes (bull) etnon-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull) no n filtreacutes (0) lors des essais de 48 heures

312 Essai s de 24 heures

Tel quexpliqu eacute preacuteceacutedemment le s essai s d e seacutequestratio n d u CO 2 d e 2 4 heure s on t eacutet eacute

reacutealiseacutes dans le but de deacutecouvrir sil existai t une diffeacuterence significativ e entr e les deux temps

de seacutequestratio n d u d e CO 2 eacutetudieacutes 24 e t 4 8 heures Pou r c e faire le s reacutesidu s qu i on t

obtenus le s meilleurs reacutesultat s de seacutequestration du CO2 lors des essais de 48 heures ont eacuteteacute

soumis agrave des tests de seacutequestration de 24 heures Ces reacutesidus sont le s boues rouges (humides

et segraveches) les scories (FAEacute FP HF) et les CKD St Laurent

La figure 33 illustre les reacutesultats de leacutevolution du pH apregraves 24 heures de barbotage de CO2

On remarque que les valeurs de pH des Bl B2 SI S3 et Cl son t tregraves semblables Ils varient

de 69 (Cl preacutelixivi eacute filtreacute) agrave 82 imiteacutes (SI non - preacutelixivi eacute filtreacute)

57

12 n

m lU

0

4

2

0

i I -i IM i i [ML 1

i I I Lli 1

m 1 i I m 1

i i i ji I

n 1 i Lli -] B1 8 2 8 1 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

Figure 3 3 Eacutevolutio n d u pH de s si x reacutesidu s preacutelixivieacute s filtreacutes (D) no n filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes (bull) no n filtreacutes (s ) lors des essais de 24 heures

Les scories S2 se deacutemarquent par leurs valeurs de pH eacuteleveacutees soient de 93 (preacutelixivieacute filtreacute)

agrave 100 4 (non-preacutelixivieacute non-filtreacute) Ce s reacutesultat s deacutemontren t qu e le s scorie s S 2 relacircchen t

plus difficilemen t le s ion s meacutetalliques qu e l e reste de s reacutesidus alcalins Rappelon s qu e le s

CKD (Cl ) on t obten u le s plu s forte s baisse s d e p H pa r rappor t au x valeur s avan t l a

carbonisation soi t plu s d e 6 uniteacutes Toutefois le s diffeacuterence s d e p H entr e le s eacutechantillon s

preacutelixivieacute e t non-preacutelixivi eacute son t moin s significative s soien t d e 0 1 agrave 1 uniteacute Ce s reacutesultat s

deacutemontrent encore une fois qu e la preacutelixiviation a peu dincidence sur leacutevolution du pH

Quant agrave leacutevolution d e la conductiviteacute l a figure 3 4 permet d e constater qu e le s valeurs de

conductiviteacute obtenues sont tregraves semblables avec celles obtenues lors les essais de 48 heures

car les meacutecanismes qui reacutegissen t la libeacuterafion des ions meacutetalliques sont identiques

58

30

lto25 E S 20

gt 15 o = 10

B1 62 81 8 2

Types de reacutesidus

83 CI

Figure 34 Eacutevolution de la conductiviteacute des six reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull ) non filtreacutes (3) lors des essais de 24 heures

32 Deacuteterminatio n du pouvoir alcalin

Les reacutesultats de s essai s d e titrage reacutealiseacute s avec le s hui t reacutesidu s (voi r le s reacutesultat s complet s

Armexe VI ) son t illustreacute s respectivemen t pa r le s figure s 3 5 agrave 37 Le s reacuteserve s alcaline s

calculeacutees agrave parti r d e ce s figure s son t reacutesumeacute s dan s l e tablea u 33 Ce s reacutesultat s indiquen t

clairement qu e le s quantiteacutes dacide chlorhydriqu e (acide fort ) neacutecessaire s pour atteindre le

pH 8 3 (p H d e saturatio n e n CaC0 3 dun e solutio n agrave leacutequilibr e e t agrave l a pressio n

atmospheacuterique) son t d e 8 agrave 1 1 foi s plu s eacuteleveacutee s dan s l e ca s de s scorie s dacieacuterie s

comparativement au x boues rouges de 2 agrave 27 fois plus eacuteleveacutees que les CKD et jusqu agrave 38

fois plus eacuteleveacutees que les cendres volantes Les cendres volantes ont un pouvoir alcali n tregraves

faible seulement 2 mL de HCl on suffit pou r baisser le pH initial en-dessous de 5 uniteacutes Les

CKD preacutesentent des pouvoirs tampons les plus eacuteleveacutes parmi les reacutesidus alcalins suivis par les

scories HF et FP

59

Tableau 33 Reacuteserves alcalines des huit reacutesidus

Type de reacutesidu

Boues rouges humides ( B 1 ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FAE (SI ) Scories FP (S2 ) Scories HF (S3 ) CKD (Cl ) CKD (C2 ) Cendres volantes (F )

pH

83

Reacuteserve alcaline (mole de HCIkg de reacutesidu)

038 04 31 39 43 14 16

012

En revanche le s boue s rouge s on t u n pouvoi r tampo n beaucou p plu s faibl e compar eacute au x

autres reacutesidus mentionneacutes ci-dessus mais plus eacuteleveacute que les cendres volantes Les particules

solides contribuent pou r 7 6 du pouvoir neutralisant de s boues rouges e t l a phase liquide

pour 24 constate Bonenfant et al (2008)

14 1

12

10 -

8 -

6 -

4 -

2 -

n -u 1

(

icirc-~~-icircraquo^^

1

) 1 0

bull ^

1 1 1

20 3 0 4 0

HCIlNenml

V

I

50

1

60

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FA E (bull) FP (bull) e t HF (0) en fonction du volume dacide ajouteacute

60

Figure 36 Courbes d e titrage des CKD Cl (bull ) e t C2 (bull) e n fonctio n du volume dacide ajouteacute

16-

14 A

pH

00 O

to

1 1 1

r-1

6 -

4 -

2 -n -

4P

^ ^HU

u T 1

0 1 0

Vp-

^9laquo^--f^-^^

20 3 0 4 0

H C I l N e n m l 50

Figure 37 Courbes de titrage des boues rouges segraveches (D ) et humides (bull) en fonction d u volume dacide ajouteacute

61

Ces reacutesultats indiquen t qu e les scories dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute de neutralisation plu s

eacuteleveacutee qu e tou s le s autre s reacutesidus D e plus le s scorie s H F son t le s plu s reacuteactive s ave c un e

reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en solution aqueus e

Cette eacutetap e d e la preacutesent e eacutetud e a consist eacute agrave mesure r le s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 en

solution pa r le s hui t reacutesidu s alcalins Lobjecfi f principa l d e cett e eacutetap e eacutetai t deacutevalue r l a

variation d u potentie l d e seacutequestratio n pa r le s matrice s de s reacutesidu s e t d e leur s lixiviat s

pendant 2 4 e t 4 8 heure s afi n d e seacutelectionne r le s reacutesidu s ayan t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration Cett e eacutetap e visai t eacutegalemen t agrave deacutetermine r si l exist e un e diffeacuterenc e

significative de s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s entr e le s deu x temp s d e

seacutequestration Enfin leacutetud e d e l a cineacutetiqu e d e seacutequestratio n pa r l e reacutesid u alcali n ayan t

obtenu l e meilleur rendemen t dadsorptio n d u CO2 lors les deux seacuterie s dessais a pour bu t de

mieux comprendre c e processus

331 Essai s de 4 8 heures

Les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit reacutesidus sont repreacutesenteacutes agrave la figure 38 Le CO2

injecteacute agrave deacutebi t constan t s e transform e e n phas e aqueuse c e qu i impliqu e un e baiss e d e p H

mais auss i un e adsorptio n d e CO2 Il s deacutemontren t qu e le s scorie s H F e t F P obtiennen t le s

meilleures reacutesultat s (voi r le s reacutesultats complet s Annex e IV ) dadsorpfion d u CO2 suivies pa r

les CKD d e type C l e t C2 Les de boues rouges humides (Bl ) e t segraveche s (B2 ) preacutesentent de s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 beaucoup moin s importante s mais plu s importante s qu e

les cendres volantes (F) La figure 38A indiqu e les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit

reacutesidus non-preacutelixivieacutes O n remarqu e qu e le s eacutechantillon s non-filtreacutee s (matrice s + lixiviats )

des scorie s S 2 e t S 3 obfiennen t le s meilleurs reacutesultat s dadsorpfio n d u CO 2 soien t 008 3 e t

0084 g de C02g de reacutesidu suivies par les Cl qu i preacutesente des capaciteacutes dadsorption d e 008

g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

62

Bl B2 S I 8 2 S 3 C I 0 2

Types de reacutesidus

15 07|

F

81 82 S I S 2 S 3 C I C 2

Types de reacutesidus

1214

Ll F

Figure 38 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 8 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes (D ) e t non- filtreacutes (bull ) lor s des essais de 4 8 heures

63

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s segraveche s e t humide s non-filtreacutee s offren t de s rendement s

infeacuterieurs agrave 60 compareacutes agrave ceux de s scories S 2 et S3 Les cendres volante s offre s le s plus

faibles reacutesultat s dadsorption soi t 0015 g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

Si o n compar e le s graphique s A e t B o n remarqu e qu e l a lixiviatio n a e u de s impact s

diffeacuterents su r le s hui t reacutesidu s testeacutes Le s boue s rouge s humide s e t segraveche s e t le s cendre s

volantes ont eacutet eacute plus sensibles agrave la lixiviation e n deacutemontrant de s reacutesultat s presqu e identique s

dadsorpfion d u CO2 L a figur e 48 B illustr e u n autr e fai t inteacuteressant Le s meacutelange s

(matrices+ lixiviats ) de s scorie s S 2 e t de s poussiegraveres d e fou r de s cimenterie s C 2 offren t de s

meilleurs tau x dadsorptio n d u CO 2 que le s lixiviat s seuls C e reacutesulta t peu t sexplique r pa r

tme preacutesence plus eacuteleveacutee des ions meacutetalliques dans les matrices que dans la solution

Les scorie s F P ont u n pouvoi r d e seacutequestratio n d u CO 2 qui peu t atteindr e 010 7 g de C02 g

de scorie s soi t l e tripl e d u pouvoi r de s boue s rouges C e hau t nivea u dadsorpfio n peu t

sexpliquer pa r l a teneur eacuteleveacute e en CaO jusquagrave 31 7 de Si0 2 (91) e t MgO (6 ) selo n

Huijgen et al (2005) Ce s oxyde s on t l a proprieacutet eacute d e reacuteagi r facilemen t ave c l e CO 2 e t d e

former de s carbonates stables

332 Essai s de 2 4 heure s

La figure 3 9 illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 apregraves 2 4 heure s d e carbonatatio n pa r

les si x reacutesidu s seacutelectionneacute s (voi r le s reacutesultat s complet s Armex e V) Lallur e geacuteneacuteral e de s

graphiques de la figure 39 sapparent e agrave celle de la figure 38 Comme dans l e cas des essai s

de 4 8 heures le s scorie s S2 S 3 e t le s CK D typ e C l no n - preacutelixivieacute s offren t le s meilleur s

reacutesultats dadsorptio n d u CO2 Les boues rouge s segraveche s (non-filtreacutes ) preacutesente s de s capaciteacute s

dadsorption d u CO2 20 supeacuterieures agrave celles humides e t 45 infeacuterieure s au x scorie s S3

La figure 39 A illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 par le s si x eacutechantillon s preacutelixivieacute s

pendant 2 4 heures

64

CM O O agt

O)

O)

O)

o 0)

laquo - s = ltr t

O) I -V)

laquoM O O 0)

bullo o

7 4gt

bull O

O) o o mdash lt1) -gt (A 0) 3

(A

(A 3

bull O

res

h

5 ^

4

3 18

A

29

6

5

4

3

2

1

0

B

35

65

36

81 8 2 S 1 S 2 S 3

Types de reacutesidus

Bl B 2 8 1 8 2 8 3

Types de reacutesidu s

CI

CI

Figure 3 9 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 6 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacute s (B ) filtreacutes (D ) e t non - filtreacutes (bull ) lor s de s essai s d e 24 heures

65

La preacutelixiviatio n sembl e davoi r u n impact e positi f su r ladsorptio n d u CO 2 pa r le s troi s

types de scories et les boues rouges humides non-filtreacutes

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s humide s ont augment eacute respectivemen t leu r pouvoi r

dadsorpfion d e CO 2 d e 5 2 e t d e 27 pa r rappor t au x eacutechantillon s non-preacutelixivieacutes Le s

faibles reacutesultat s dadsorption d u CO2 par les eacutechantillons preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes

deacutemontrent qu e le s carbonates s e trouvent majoritairemen t dan s le s matrices e t non dan s le s

lixiviats

La comparaison de s reacutesultats obtenus de la seacutequestration d u C02 lor s des deux seacuterie s de tests

permet d e constate r qu e le s diffeacuterence s d e gain s son t tregrave s diffeacuterentes Le s plu s grande s

diffeacuterences d e gain s son t enregistreacutee s pa r le s scories S 3 e t S 2 respectivement lor s des essai s

de 2 4 e t 4 8 heures D e plus le s scorie s S 2 obtiennen t le s plu s haut s gain s sou s leu r form e

preacutelixivieacutee contrairemen t au x scorie s S 3 qu i obtiennen t le s meilleur s reacutesultat s sou s leu r

forme non-preacutelixivieacutee D e ce fait o n peut conclur e qu e l a carbonatation peu t ecirctr e influenceacute e

par l e temps d e preacutelixiviation de s oxydes meacutetallique s s i la preacutelixiviation es t supeacuterieur e agrave 24

heures

34 Cineacutetiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP

Leacutetude de s potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 par le s hui t reacutesidu s testeacute s a releveacute qu e le s

scories F P (S2 ) offren t l e meilleu r potentie l d e seacutequestration D e c e fait i l import e don c

deacutetudier l a cineacutefique dadsorpfio n d u CO2 par ce reacutesidu alcalin afi n d e mieux comprendr e c e

processus L e choi x de s scorie s non-preacutelixivieacutee s s e justifi e pa r leur s rendement s d e

seacutequestrafion d u CO 2 qui son t plu s eacuteleveacutes par rappor t agrave celles preacutelixivieacutees Pou r c e faire le s

reacutesultats d e leacutevolutio n d u pH de conducfiviteacute e t de ladsorpfio n d u CO 2 seront preacutesenteacute s e t

analyseacutes

66

Les figures 31 0 e t 311 illustrent leacutevolutio n d u pH et de la conducfiviteacute de s scories F P non-

preacutelixivieacutees apregrave s 8 heures de carbonatation (voi r le s reacutesultats comple t agrave F Armexe VII) Huit

mesures de s valeur s d e pH e t conductiviteacute ont eacutet eacute reacutealiseacutees soi t apregrave s 0 25 5 10 20 60

120 et 480 minutes

1 12 bull

11 -

X ^ 10 -

9-

8-

7 1

^ ^ _

^ ^ ^ N gt N L

1 1

l 1 0 10 0 Temps d e barbotage a u C02 (e n min)

1

1000

Figure 31 0 Eacutevolutio n d u p H de s scorie s F P filtreacutees (bull) no n filtreacutees (D) e n fonction d u temps de barbotage au CO2

Le pH et l a conductiviteacute son t lieacute s par les mecircmes meacutecanismes soi t ceu x d e libeacuteration de s ion s

meacutetalliques d e calciu m e t d e magneacutesiu m dan s l a solufio n pa r le s particule s solide s degrave s l e

deacutebut d e l a reacuteaction Le s baisse s de s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute sexpliquen t pa r l a

reacuteaction de s ion s meacutetallique s ave c l e CO 2 qu i es t transform eacute preacutealablemen t e n acid e

carbonique e t l a formation de s carbonates Le s ions e t le s oxydes amphotegravere s reacuteagissen t pe u

dans l a solufio n e t d e c e fait il s ont pe u dimpac t su r l e p H e t l a conducfiviteacute Ces t

seulement apregrave s les dix premiegraveres minutes quon observ e une baisse significative de s valeur s

de pH et de conductiviteacute

67

Ce consta t es t e n accord ave c le s reacutesultats obtenu s pa r Hujge n et al (2006 ) e t Bonenfan t et

al (2008) Mecircm e s i ces auteur s ont travaill eacute ave c de s scorie s ayan t un e granulomeacutetri e plu s

fine (38-16 0 pm) le s preacutesent s travau x conduisen t agrave l a mecircm e conclusio n queu x le s ion s

meacutetalliques s e libegraveren t de s matrice s degrave s l e deacutebut d u processus d e carbonatatio n soi t entr e l e

deuxiegraveme e t l a dixiegravem e minute Selo n ce s auteurs l a concentratio n d e calciu m augment e

presque lineacuteairemen t agrave laugmentatio n d u temp s d e reacuteaction jusquagrave enviro n 1 0 min Apregrave s

cela l a concentratio n nivegravel e o u diminue L a sursaturatio n a e u lie u parc e qu e l e tau x d e

deacutepocirct d e carbonat e d e calciu m agrave parti r d e l a solutio n eacutetai t beaucou p plu s len t qu e l e tau x

dextraction de s ions calcium agrave partir des deacutechets de ciment (lizuk a et al 2004)

CZ5

3 -a S O

6

5

^ 4

f 3 2

1

0 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee de barbotage d u CO2 (en min) 481

Figure 31 1 Eacutevolutio n d e l a conductivit eacute de s scorie s F P non -preacutelixivieacutees filtreacutees (D ) et no n filtreacutes (bull ) e n fonctio n du temp s d e barbotage a u CO2

Le CO 2 reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates C e reacutesulta t c e confirm e auss i pa r le s figures 31 2 e t 31 3 qu i illustren t

leacutevolution d u potentiel de seacutequestration d u CO2 en fonction d u temps

68

lt3gt bull O

(SX)

C l U agt bull -

S cr

O

8

7

6

5

4

3

2

1

0 D-

1 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee d e barbotag e du CO2 (en min)

481

Figure 31 2 Eacutevolutio n d u pouvoi r d e seacutequestratio n du carbon e de s scories F P non-preacutelixivieacutee s filtreacutees (D) non-filtreacutee s (bull ) e n fonctio n du temps de barbotage au CO2

On remarqu e qu e le s quantiteacute s d e CO 2 adsorbeacutes le s plu s eacuteleveacute s son t attein t apregrave s 8 heure s

soit 7 4 g de CO2100g de scorie s F P mais cest entr e l a deuxiegraveme e t dixiegraveme minut e quo n

observe qu e l a vitess e d e seacutequestrafio n es t plu s eacuteleveacute e (figur e 313) Te l qu e expliqu eacute

preacuteceacutedemment dan s cett e eacutetude c e son t le s matrice s qu i offren t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 A l a diffeacuterenc e de s temp s d e seacutequestratio n d e 2 4 e t 4 8 heures i l

semble que le temps de huit heures est trop court pour que le s solutions filtreacutees reccediloiven t de s

quanfiteacutes suffisante s dion s meacutetallique s pour seacutequestrer l e CO2 agrave des quantiteacutes notables

69

006 bull ] u a M 00 5 -0 - p u E

I 3 E 00 4 bull Tl -v

1 C ^ ^ 9 CL 003 bull

bullJ L L

i 0 iuml 0 0 -XI 0

i Q O i = 0 oo i bull 1 0 1 o i ( A mdash icirc l l

icirc s 0 gt

1 i

^

25 5 10 2 0 6 0

Temps en min

120 48 0

Figure 31 3 L a vitess e dadsorptio n d u CO 2 e n fonctio n d u temp s par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes (n) et non filtreacutes (bull)

Synthegravese

Les capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 ont eacutet eacute eacutetudieacutees pou r hui t reacutesidu s alcalin s soi t le s boue s

rouges humide s e t segraveches le s scorie s FP FOP FAEacute le s CK D ( 2 types ) e t le s cendre s

volantes Le s essai s de carbonatation direct e e t indirecte on t eacutet eacute effectueacutes e n cuveacutee agrave un flux

gazeux d e 1 5 d e CO 2 e t 8 5 d e N 2 pendan t 4 8 heure s e t ont permi s d e tire r le s

conclusions suivantes

Les valeur s d e p H de s scorie s e t de s boue s rouge s e t de s CK D son t tregrave s semblable s soi t

leacutegegraverement au-dessu s d e 7 (preacutelixivieacutees e t non-preacutelixivieacutees) Seulemen t le s cendres volante s

ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7 En ce qui concerne l a conductiviteacute

on peu t firer le s mecircme s conclusion s qu e l a variafio n d u p H agrave lexcepfio n de s CK D qu i

obtiennent de s valeur s d e conductivit eacute quatr e foi s supeacuterieure s qu e le s autre s reacutesidus Cett e

diffeacuterence peu t ecirctr e occasionneacute e pa r un e meilleur e teneu r de s ion s meacutetallique s e n solutio n

dans le cas des CKD

70

Quant au x capaciteacute s de s reacutesidus agrave seacutequestrer l e CO2 trois reacutesidus s e sont deacutemarqueacute s lor s de s

deux seacuterie s d e test s les scorie s HF FP e t le s CKD Lor s le s essai s ce s reacutesidus on t obtenu s

les reacutesultats de seacutequestration d u CO2 suivants

bull Essai s de 24 heures

Scories HF (65 pp) gt scories FP (59 pp) gt CKD St-Lauren t (4 7 pp)

bull Essai s de 48 heures

Scories FP (107 pp) gt scories HF (84 pp) gt CKD St-Lauren t gt (79 pp)

Les tests sur le pouvoir alcalin des scories ont indiqueacute que les scories dacieacuterie possegraveden t un e

capaciteacute de neutralisation plu s eacuteleveacutee que tous les autres reacutesidus De plus les scories HF sont

les plus reacuteactives avec une reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

Enfin le s test s d e l a cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2 par le s scorie s F P ont deacutemontr eacute qu e l a

seacutequestration d u CO 2 s e reacutealis e plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegravere s minute s d e l a

reacuteaction

CHAPITRE 4

DISCUSSION GEacuteNEacuteRAL E

Le preacutesen t chapitr e a pou r objecti f dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s

obtenus dan s l e cadr e d e cett e eacutetude C e chapitr e compar e eacutegalemen t le s reacutesultat s obtenu s

lors de s deu x seacuterie s d e test s (2 4 e t 4 8 heures ) ave c ceu x obtenu s pa r dautre s eacutetude s

semblables De plus limpact enviroimementa l de ce proceacutedeacute sera analyseacute e t preacutesenteacute

41 Inteacutegratio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests

Les essai s reacutealiseacute s on t montr eacute qu e l e potentie l d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s

industriels alcalin s vari e e n fonctio n d e leur s caracteacuteristique s physico-chimique s telle s qu e

la teneu r e n ion s meacutetallique s tel s qu e Ca ^ e t Mg^ l e pH la granulomeacutetri e e t auss i de s

conditions expeacuterimentale s choisies L a tempeacuterature l a pression l e ratio L S e t l a vitesse d e

brassage jouent u n rocircle de premier plan sur les reacutesultats de seacutequestration d u CO2

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lor s des essai s d e 24 et 48 heures

Lobservation de s reacutesultat s d e p H e t d e conducfivit eacute obtenu s lor s de s deu x seacuterie s d e test s

deacutemontre qu e le s diffeacuterence s d e pH son t tregrave s semblable s pou r le s Bl B2 SI S3 et Cl E n

fait le s diffeacuterence s d e p H varien t entr e 0 2 agrave 0 8 uniteacute s (sau f le s CKD) tregrave s pe u s i o n

considegravere qu e l a diffeacuterence d e temps es t des deux foi s supeacuterieure s entr e l a deuxiegraveme seacuteri e de

tests Le s CK D manifestemen t conserven t leu r pouvoi r alcali n presqu e inchangeabl e apregrave s

24 heure s d e carbonatation Seulemen t le s scorie s F P (S2 ) on t subi e baiss e d e p H

significafive d e 2 agrave 25 uniteacutes entre les deux seacuteries dessais

72

Ces reacutesultat s deacutemontren t qu e tous ce s reacutesidus alcalin s ont de s excellente s reacuteserve s alcaline s

et quil s relacircchen t se s ions meacutetalliques tregrave s lentemen t dan s l a solution aqueuse Ce s reacutesultat s

sont semblable s agrave ceu x obtenu s pa r plusieur s chercheur s (Hujge n et al 2006 Bonenfan t

2008 Huntziger 2009)

Dans l e ca s de s boue s rouges le s reacutesultat s obtenu s son t e n accor d ave c ceu x obtenu s pa r

Bonenfant (2006) Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute son t plu s eacuteleveacutee s pou r le s boue s

rouges humide s qu e le s boue s rouge s segraveche s e t peuvent ecirctr e expliqueacutee s pa r un e plus grand e

faciliteacute d e libeacuteratio n de s ion s (cation s e t ion s hydroxyles ) de s boue s rouge s humide s

occasionneacutee pa r leu r dissolutio n preacutealabl e dan s l a soud e caustique comparativemen t au x

boues rouge s segraveche s qu i non t pa s subi t c e traitement Ce s reacutesultat s prouven t qu e l a

lixiviation en geacuteneacuteral joue un rocircle minime su r le pH peu import e le reacutesidu ufiliseacute Toutefois

selon Bonenfant (2008) le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s meacutetallique s

tels que Ca Mg Ap^ Fe Ce sont ces ions et leur s oxydes respectif s qu i assuren t l e pH

et le s conductiviteacutes eacuteleveacute s de s reacutesidus cibleacutes Les grandes quantiteacute s dhydroxyd e d e sodiu m

libeacutereacutees dan s le s lixiviat s de s boues rouge s peuven t eacutegalemen t ecirctr e responsable s de s valeur s

eacuteleveacutees de pH e t de conductiviteacute qu i ont eacuteteacute mesureacutees apregraves 24 et 48 heures de lixiviation E n

effet le s grande s quantiteacute s d e solution s dhydroxyd e d e sodiu m on t de s alcaliniteacute s e t

conductiviteacutes eacutelectriques eacuteleveacutees

Hujgen et al (2006 ) on t deacutemontr eacute qu e le s ion s meacutetalliqu e s e libegraveren t de s matrice s de s l e

deacutebut d u processu s d e carbonatatio n soi t entr e l e deuxiegravem e e t l a dixiegravem e minute L e CO 2

reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates

Les bou s rouge s humide s no n - preacutelixivieacutees filtreacutees e t no n filtreacutees s e deacutemarquen t pa r de s

valeurs de pH e t de conductivit eacute leacutegegraveremen t infeacuterieure s pa r rappor t au x boue s rouges segraveche s

et le s scories E n revanche selo n Bonenfant (2008) l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s

daluminium dan s le s lixiviat s de s boues rouge s e t des scorie s FA Eacute es t suscepfibl e decirctr e e n

partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees de conducfiviteacute d e ces trois solutions

73

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute le s valeurs obtenues lor s des deux seacuterie s de tests son t

tregraves semblables ca r le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t l a libeacuteratio n de s ion s meacutetallique s son t

semblables

Liu et al (2003 ) ont deacutemontr eacute qu e l e p H de s boue s rouge s augment e ave c l e temp s d u

stockage L e Ca^ ^ es t plu s facilemen t eacutechangeabl e dan s de s boue s fraicircche s qu e dan s le s

vieilles boues Ce s demiegravere s son t domineacutee s pa r le s eacutechange s d e Na^ Laluminiu m conten u

dans le s boue s rouge s es t preacutecipit eacute d e l a solutio n sou s form e d e dawsonit e NaAlC03(OH) 2

(Nikraz et al 2007)

Les cendre s volante s mecircm e s i elle s on t de s valeur s initiale s d e p H plu s ba s qu e le s autre s

reacutesidus soi t d e 88 6 agrave 895 deacutemontren t de s capaciteacute s d e carbonatatio n inteacuteressante s s i o n

tient compte d e leur faibl e teneu r de CaO Dailleurs selo n Soon g et al (2006) i l nest pa s

utile davoir u n p H tregraves bas car les carbonates se forment agrave un pH eacutega l ou supeacuterieur agrave 78

De ce fait on peut conclure que

bull i l nest peut-ecirctr e pas utile daugmenter l e temps dadsorption d u CO2 au-delagrave de 24

heures car les valeurs de pH et de conductiviteacutes varient tregraves peu

bull le s reacutesidus alcalins ont des meacutecanismes de carbonatation e t des pouvoirs tampons tregrave s

semblables

il existe un lien direct entre la variation du pH et de la conducfiviteacute

bull c e sont le s ions meacutetalliques tels que Ca ^ Mg Na^ qui deacuteterminent e n grande partie

leacutevolution d u pH et de la conductiviteacute

74

412 Limpac t du pouvoir alcalin e t de la cineacutetique de ladsorption du CO2 sur la seacutequestration d u CO2

Il est inteacuteressan t d e noter que l e pouvoir tampon de s reacutesidus s e manifeste agrave des intervalle s de

pH diffeacuterent s entre 1 0 agrave 8 pou r le s scories 8 agrave 6 pou r le s CK D e t 6 agrave 4 pou r le s boue s

rouges Ces reacutesultats son t en accord avec ceux obtenu s par Bonenfant et al (2008) Huijge n

et Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009) Ce s pouvoir s tampon s important s son t du s

probablement a u fai t qu e le s silicate s ont partiellemen t reacuteag i dan s ce s gamme s d e pH

(Baciocchi et al 2009)

Selon Bonenfant (2006) l a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n

oxydes meacutetalliques plus particuliegraverement de s oxydes meacutetalliques basiques tels que l e CaO et

le Mg O scories F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

Bonenfant et al (2008) Huijgen e t Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009 ) ont eacutetudi eacute le

rapport entr e l e pouvoi r alcali n e t l a lixiviatio n de s meacutetau x pa r ce s reacutesidus Le s test s d e

lixiviation meneacute s pa r Baciocch i e t Bonenfan t ont confirm eacute qu e l a quantit eacute de s ion s Ca^ ^

dans les scories es t plus basse agrave des pH gt 8 en raison de la formation d e calcite

Selon Hujge n et al (2005 ) le s scorie s agrave des pH varian t entr e 5 1 agrave 3 5 libegraveren t le s ion s d e

calcium qu i formen t de s silicate s e t des bicarbonates Quan t au x CKD leu r pouvoi r tampo n

eacuteleveacute empecircch e l a formatio n d e bicarbonates Pou r obteni r l a formatio n d e ce s demiegraveres i l

faut ajoute r davantag e dacide chlorhydriqu e e t augmenter l e temps de reacuteaction au-delagrave de 24

heures

Lorsque l e p H attein t un e valeu r infeacuterieur e agrave pK2 = 10 3 d u systegravem e carbonates Feacutequilibr e

se deacuteplac e dan s l e sen s favorisan t l a consommafion de s ion s bicarbonate s CO3 et l e deacutepocirc t

de l a calcit e (CaCOs ) jusqu agrave latteint e dun e limit e qu i deacutepen d d e l a teneu r d e Ca en

solution Selo n Bonenfant (2008) cette situatio n deacutefini t eacutegalemen t l a capacit eacute dadsorptio n

de CO2

75

Le M g s e mobilis e e n mecircm e temp s qu e l e Ca ^ mais se s composeacute s son t plu s soluble s qu e

ceux d u calcium Le s concentrafions d e Ca^ sont en moyenne 1 0 fois plu s eacuteleveacutees qu e cell e

du M g apregrave s 6 heure s d e lixiviatio n e t cett e libeacuteratio n d e cation s (C a ^ et M g ) s e fai t e n

parallegravele ave c laugmentatio n d u p H e t d e l a conductivit eacute d e l a solutio n (Bonenfan t et al

2006)

Les reacutesultat s de s deux seacuterie s de tests (24 et 48 heures) su r le s capaciteacutes dadsorptio n d u CO2

par ce s reacutesidu s ont deacutemontreacute s qui l es t possibl e d e seacutequestre r l e CO 2 agrave parti r d e reacutesidu s e t

sous-produits industriel s alcalin s (voi r tableau 41) Les matrices d e ces mateacuteriaux sembleacute s agrave

posseacuteder un e grand e capacit eacute d e libeacuteratio n de s cation s e t de s ion s hydroxyle s capable s d e

reacuteagir avec l e CO2 Le s cendres volantes on t enregistreacute le s plus faibles reacutesultat s dadsorptio n

du CO 2 (15 pp) e t ce agrave cause des faible s teneur s e n calcium e t magneacutesium ( lt de 1 0 )

Pourtant le s capaciteacutes theacuteoriques dun e tonn e de cendres volante s contenan t 4 1 de chaux

peuvent seacutequestre r 32 2 k g d e C02tonn e d e cendre s volante s (Montes-Hemande z et al

2009) Quan t au x CKD leur s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestratio n d u CO 2 dan s de s

conditions dexpeacuterimentatio n ambiante s son t d e lordr e d e 11 5 kgtonn e d e reacutesid u

(Huntzinger et al 2009)

Lors l a carbonatation de s CK D e t des cendres volante s lettringit e es t transform eacute e n calcite

en quart z e t e n gypse Aucu n reacutesid u nattein t le s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestrafio n d u

CO2 mecircm e apregrave s 4 8 heure s d e carbonatation Ce s reacutesultat s sexpliquen t pa r l a formatio n

dune couch e d e carbonate su r le s particules qu i colmat e le s pores e t de ce fait l a libeacuterafio n

des ion s meacutetallique s d e C a e t M g dan s l a solufio n es t compromis e (Bonenfan t et al 2008

Hujgen et al 2006)

76

Tableau 41 Reacuteserves alcalines et potentiel de seacutequestration des reacutesidus alcalins

Type de reacutesid u

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FA E

(SI) Scories FP

(S2) Scories HF

(S3) CKD (Cl) CKD (C2)

Cendres volantes

(F)

Seacutequestration d e CO2 en 24 heure s (gdeCO2100gde

reacutesidu alcalin ) 35

36

47

59

65

47

-

Seacutequestration d e CO2 en 48 heures (g de CO2100g de

reacutesidu alcalin ) 34

31

36

107

84

79

6

L5

Reacuteserve alcalin e (mole de HClkg de

reacutesidu)

038

04

31

39

43

14

16

012

Selon lizuka (2004 ) mecircm e s i le s calcul s thermodynamique s indiquen t qui l es t

theacuteoriquement possibl e d e convertir plu s de 67 du calcium conten u dan s le s deacutechets de

ciment en carbonate de calcium le taux de conversion pratique est largement deacutetermineacute e par

les facteur s cineacutetique s d e l a reacuteactio n e t l e degreacute d e l a carbonatatio n es t limit eacute agrave quelque s

millimegravetres deacutepaisseur sur la surface des particules

La formation de s silicate s es t un autr e facteu r qu i baiss e l a libeacuteration de s ion s meacutetallique s

dans la solution aqueuse Ces reacutesultats indiquent que les chutes de pH et de conductiviteacute sont

plus eacuteleveacutees dans la solution de scories FP en solution que celles observeacutee dan s la solution

des scories FAEacute des boues rouges humides et segraveches des CKD et des cendres volantes

77

Toutes le s autre s eacutetude s d e seacutequestratio n d u CO 2 ont utilis eacute soi t de s tempeacuterature s e t de s

pressions eacuteleveacutees soit des granulomeacutetries beaucoup plus petites soit tous ces facteurs reacuteuni s

ensemble (voir tableau 42)

Tableau 42 Reacutesumeacute des reacutesultats seacutequestration du CO2 obtenus par dautres eacutetudes

Type de reacutesidus

Boues rouges

Scories

CKD

Cendres volantes

3 ^ ^

Tem

peacutera

(e

ndegC

22

100

70 200

22

22

25

Conditions opeacuteratoire s

S ^ 0 u

A

19

30 3

A

A

30

^

Rat

io L

S (

10

2

05 04

10

12

10

C G

ranu

lom

(e

n pr

r

I

lt38

lt10 lt

01 38-160

I

I

0 _ T3 4 J V -

Vite

sse

bras

ag

ten

ron

300

1000

--

300

-

-

c

Tem

ps (

heur

es

24

05

2 2

24

816

18

CaO e n

de masse

55

317

48

41

Potentiel d e seacutequestr

theacuteorique du C02en kgkg 006^

025

016

003

Reacutesultat de

seacutequestr du C02e n

kgkg

0043

75 du total de Ca

002 013^

025

012^

003

1) Hujgen et al (2005) 2) Eloneva et al (2008) 3) Baciochi el al (2009) 4) Bonenfant et al (2008) 5) Khaitan (2003) 6) Huntzinger (2009) 7) Montez-Hemandez (2009) A=atmospherique I=industrielle

Les reacutesultats obtenus par ces eacutetudes deacutemontrent que dans les cas des scories dacieacuteries e t des

poussiegraveres d e fou r de s cimenteries loxyd e d e calciu m es t loxyd e meacutetalliqu e qu i leu r

confegravere leu r potentiel de seacutequestration du CO2

Dans le cas des boues rouges agrave part le calcium qui joue un rocircle significafif dan s le potentiel

de seacutequestration d u CO2 le sodium qui est libeacutereacute en quantiteacute preacutedominante peut eacutegalement

jouer un rocircle dans la seacutequestration du CO2 (Bonenfant et al 2006)

78

Il es t importan t d e note r qu e seule s le s scorie s F P on t doubl eacute leu r capacit eacute dadsorptio n d u

CO2 lors des essais de 48 heures par rapport aux essais de 24 heures

Selon l a litteacuterature l a taille de s particule s d e scorie s exerc e leffe t l e plu s significati f su r l a

reacuteaction plu s l a taill e de s particule s es t petite plu s l a reacuteactio n ave c l e CO 2 es t eacuteleveacutee L a

tempeacuterature e t l a ration L S eacuteleveacutee s jouent eacutegalemen t u n rocircle importan t su r l a dissolution d e

silicates (Baciocchi et al 2009)

En conclusion i l exist e u n lie n direc t entr e l e pouvoir alcali n e t la capaciteacute d e seacutequestratio n

du CO 2 pa r le s reacutesidu s alcalins Plu s l e pouvoi r alcali n es t eacuteleveacute plu s l a capacit eacute d e

seacutequestration d u CO2 par ces reacutesidus est eacuteleveacutee

42 Limpac t environnementa l d e la seacutequestration du CO2

Les reacutesidu s alcalin s eacutetudieacute s s e caracteacuterisen t pa r de s p H tregrave s eacuteleveacute s gracircc e agrave leur s teneur s

eacuteleveacutes dion s meacutetalliques Aucu n d e ce s reacutesidus n e deacutepassai t le s norme s environnementale s

traitant le s meacutetaux lourd s tels que le chrome le molybdegravene le mercure l e plomb etc

Bonenfant et al (2006) Huijge n et al (2005 ) e t Huntzinge r et al (2009 ) ont deacutemontr eacute

quaucun eacuteleacutemen t dangereu x n e se libegravere lor s de la lixivitaion de s reacutesidus alcalins carbonate s

tels que le s scories le s boues rouge s e t le s poussiegraveres d e four s d e cimenteries Le s eacuteleacutement s

les plu s lixivieacute s son t l e calcium e t l e sodium preacutesent s dan s le s lixiviat s de s boue s rouge s e t

des scories Laluminiu m es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quantiteacute s dan s ce s solufion s

(Bonenfant ea 2006)

En c e qu i concem e l e tau x d e libeacuterafio n de s eacuteleacutement s reacuteactif s de s scorie s FA Eacute d e

granulomeacutetrie 06 3 - 12 5 mm l a concentration d e Ca est e n moyenn e 1 0 fois plu s eacuteleveacute e

que cell e d u Mg ^ et attein t u n maximu m apregrave s 6 h d e lixiviatio n (Bonenfan t et al 2006)

Les autres meacutetaux eacutetudieacutes ne sont preacutesents quen petite s quantiteacutes agrave leacutetat d e trace ou absents

des lixiviats (Proctor et al 2000)

79

Quant au x cendre s volantes aucun e libeacuteratio n d e substance s toxique s meacutetallique s n a eacutet eacute

observeacutee apregraves 1 8 heures de lixiviafion selo n Montes-Hemandez et al (2009) La lixiviatio n

Cr nest pa s influenceacutee pa r le processus de la carbonatation san s doute agrave cause de la faibl e

solubiliteacute de Cr ^ (Baciocchi et al 2009) Agrave ce stade de leacutetude la carbonatation de s reacutesidus

alcalins n e repreacutesenterai t pa s d e dange r su r l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Quan t au x autre s

composeacutes dangereu x eacutemi s dans latmosphegraver e tel s que l e SO2 lesNOx le s fluomres (gazeus e

et particulaire) les dioxines etc i l nexiste pas de donneacutees significatives su r la question

43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins perspective s de lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e

Les reacutesultat s expeacuterimentau x d e l a seacutequestration mineacuteral e d u CO 2 indiquent qui l es t possibl e

dabaisser le s eacutemission s d e c e ga z pa r le s troi s industrie s concemeacutees Toutefois i l fau t

analyser ce s reacutesultat s dan s un e perspectiv e d e deacuteveloppemen t durabl e afi n d e mieu x

comprendre limpac t d e cett e technologi e su r lenvironnement leacuteconomie le s insfitution s

politiques et la socieacuteteacute

Le tablea u 4 3 es t l a suit e d u tablea u d e l a pag e deu x d u preacutesen t travai l e t i l illustr e le s

eacutemissions d u CO 2 par le s troi s industries le s rendements d e l a seacutequestratio n mineacuteral e e t le s

calculs de s reacuteductions de s eacutemission s d u CO2 si cette technologie serai t appliqueacute e agrave leacutechell e

industrielle Dan s l e tablea u 43 le s reacuteduction s calculeacutee s de s eacutemission s d u CO 2 pa r l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s alcalin s de s troi s industrie s son t asse z modeste s s i o n

considegravere qu e le s eacutemission s d e c e ga z eacutemise s pa r le s activiteacute s humaine s seacutelegraveven t agrave 3 8 G t

(GIEC 2007) Toutefois s i o n considegraver e qu e le s troi s industrie s eacutemetten t 1 6 de s

eacutemissions totale s de s acfiviteacute s industrielles le s reacuteduction s de s eacutemission s d u CO 2 proposeacute s

par cette technologie semblen t non-neacutegligeables

80

Tableau 43 Reacutesumeacute des eacutemissions par les trois industries et les baisses respectives de leurs eacutemissions suit e agrave la seacutequestration d u CO2 par leurs reacutesidus alcalin s

Type dindustrie

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Emissions duC02 (en Gt)

015

17

18

Quantiteacutes d e reacutesidus

alcalins (en Mt)

90

350-420

480

Pouvoir de seacutequestration mineacuteral e des reacutesidus industriel s alcalins ( t de C02t de

reacutesidu)

0032

0073

0016

Reacuteduction de s eacutemissions d e

CO2 (en Gt)

00003

0026-003

008

Limplantation d e cett e technologi e agrave leacutechell e industriell e demand e un e eacutetud e eacuteconomiqu e

approfondie Pou r c e faire i l fau t tou t dabor d deacutetermine r le s paramegravetres optimum s d e cett e

technologie tel s que l a dureacutee d e l a seacutequestration l a pression e t la granulomeacutetri e agrave utiliser I l

faut entr e autres teni r compt e d e lintervall e d e production de s quantiteacutes d u typ e d e

transport (contin u o u discontinu ) e t d u temp s d e seacutejou r dan s le s usine s de s reacutesidu s alcalin s

produits pa r le s troi s industries L e choi x d e ce s paramegravetre s influencer a directemen t l e

rendement d e l a seacutequestratio n d u CO 2 Or d e no s jours limplantatio n dun e nouvell e

technologie n e deacutepen d pa s seulemen t d e so n efficacit eacute eacuteconomique Plusieur s dautre s

aspects rentren t e n lign e d e compte E n fait i l fau t utilise r un e approch e systeacutemiqu e (4R -

VD Reacuteduire Reacuteutiliser Reacuteparer Reacutecupeacuterer Valoriser Disposer ) s i o n veu t teni r compt e

de toute s le s interacfion s e t le s impact s quun e tell e deacutecisio n peu t engendrer L a figur e 4 1

illustre le s interaction s entr e le s quatr e pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e pa r rappor t au x

reacuteductions des eacutemissions du CO2 par les trois industries eacutetudieacutees

La figure 4 1 montr e qu e l e deacuteveloppemen t durabl e e n geacuteneacutera l deacutepen d d e l a quantit eacute e t su r

tout d e l a qualit eacute de s interaction s entr e le s quatr e piliers D e c e fait limplantatio n d e l a

technologie d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 n e deacutepen d pa s qu e d e lefficacit eacute

eacuteconomique mais aussi des lois eacutemises par les institutions politiques

81

^ ^ ^ ^ a ^ J S S Eacute agrave ^ ^ ^

SOCIEacuteT Eacute ^ bull participation agrave la W

pris e des deacutecisions

X^^jpraquo^

ENVIRO gt

^ EacuteCONOMI E bull croissance bull efficacit eacute bull stabiliteacute bull valorisation

DEacuteVELOPPEMENT DURABLE

JNEMENT bull biodiversiteacute

bull ressources naturelles bull pollution

J INSTn rUTIONS bull lois bull regraveglements

bull infiastructure

p

1 II

Figure 41 Deacuteveloppement durable et seacutequestration du CO2

Dune maniegraver e plus simple on peut dire que les institutions politiques on t le pouvoir e t la responsabihteacute dexiger par les entreprises de limiter leurs eacutemissions du CO2 voir agrave supprimer ces demiegraveres agrave la source Mecircme si le processus de la seacutequestration mineacuteral e du CO2 est un pheacutenomegravene nature l exothermique i l faudrai t ufilise r dautre s source s deacutenergi e afi n d e lacceacuteleacuterer et par voie de conseacutequence augmenter le rendement de la seacutequesfi-ation du CO2 I l est preacutefeacuterable de remplacer les combustibles fossiles par des eacutenergies moins polluantes telles que leacutenergie nucleacuteaire et leacutenergie eacutelecfrique etou solaire

La socieacuteteacute peut jouer son rocircle de piher en demandant aux pouvoh-s politiques deacutemettre des lois qui exigent aux entreprises de respecter lenvironnement e t dameacuteliorer l a qualiteacute de vie de la socieacuteteacute Dans le mecircme ordre dideacutees l a socieacuteteacute peut exercer un e pression important e sur les entreprises en utilisant leur pouvoir dachat comme moyen de pression

82

Les reacutesultat s obtenu s lor s d e cett e eacutetud e ont deacutemontr eacute qu e limpac t su r lenvironnemen t es t

positif su r tou t a u nivea u d e l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Dautre s eacutetude s son t neacutecessaire s

pour eacutetudie r leffe t de s autre s composant s gazeu x su r lenvironnemen t e t l a sant eacute humaine

Le fai t dutilise r le s reacutesidus e t les sous-produit s industriel s alcalin s afi n d e seacutequestre r l e CO2

et l a revalorisation d e ces derniers dans plusieurs nouveaux domaine s pourrai t provoque r de s

changements neacutegatif s a u nivau x d e leacuteconomi e (changemen t d e prix augmentatio n d e l a

concurrence entr e le s entreprises ) e t d e l a socieacutet eacute (changemen t d e l a qualit eacute d e vie) D e c e

fait i l import e qu e tou s le s acteur s repreacutesentan t le s quatre pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e

travaillent e n eacutetroit e collaboratio n pou r qu e cett e technologi e soi t viabl e e t e n tota l respec t

avec lenvironnement

CONCLUSIONS

La preacutesente eacutetude avai t pour objecti f d e deacuteterminer le s reacutesidus et le s sous-produits industriel s

alcalins offrant le s meilleurs potenfiels d e seacutequestration d u CO2

Pour c e faire troi s type s d e scories (HF FP FAEacute) de s acieacuteries deux type s d e boues rouge s

(humides e t segraveches ) de s aluminerie s e t deu x type s d e reacutesidu s de s cimenterie s (CK D e t

cendres volantes ) ont eacutet eacute testeacute s e n cuveacutee Afi n d e mieu x eacutevalue r leur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 des seacuterie s d e test s d e 2 4 e t 4 8 heure s on t eacutet eacute reacutealiseacutes Le s condition s

opeacuteratoires eacutetaien t le s suivantes tempeacuterature = 20-22degC pression atmospheacuterique ratio SL =

10 kgkg vitesse de brassage = 200 rpm granulomeacutetrie industrielle eau deacutemineacuteraliseacutee

Les reacutesultat s obtenu s lor s le s essai s d e 2 4 heures on t deacutemontr eacute qu e troi s reacutesidu s alcalin s s e

sont deacutemarqueacutes pa r leurs hauts potentiels de seacutequestration d u CO2

bull le s scories HF 65 kg de C02t de scories

bull le s scories FP 59 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours de cimenteries (CKD) 47 kg de C02t de CKD

En revanche le s reacutesultat s obtenu s lor s le s essais d e 48 heure s ont deacutemontr eacute qu e le s mecircme s

reacutesidus alcalin s permettaien t dobtiermen t d e meilleur s reacutesultat s d e seacutequestratio n d u CO2

mais cette fois ci ce sont le s scories FP qui se trouvent en tecircte

bull le s scories FP 107 kg de C02t de scories

bull le s scories HF 84 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours d e cimenteries (CKD) 79 kg de C02t de CKD

84

Ces reacutesultat s sexpliquen t pa r de s teneur s plu s eacuteleveacutee s doxyde s meacutetallique s tel s qu e le s

CaO MgO AI2O3 Cr203 Ti02 FeO Mn O Si02 dan s ce s troi s reacutesidu s pa r rappor t au x

autres reacutesidu s testeacutes Ce s oxyde s e t leur s hydroxyde s respecfif s reacuteagissen t ave c l e CO 2

dissout dan s lea u e t formen t de s bicarbonate s thermodynamiquemen t stables

Theacuteoriquement l a teneu r eacuteleveacute e e n ion s meacutetallique s s e tradui t pa r u n potentie l d e

seacutequestration d e CO 2 eacuteleveacute Toutefois l a diffeacuterenc e d e reacutesultat s d e seacutequestratio n entr e le s

scories lor s de s deu x essai s a deacutemontreacute qu e mecircm e s i le s meacutecanisme s d e carbonatatio n son t

semblables pour tous le s types de reacutesidus alcalins l a nature e t l a mod e de fabricatio n d e ces

derniers influencen t sensiblemen t leur s potentiel s d e seacutequestration C e consta t es t valabl e

aussi bie n pou r le s reacutesidu s preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes Dailleurs le s test s su r l a

carbonatation de s reacutesidu s filtreacutes (preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes ) on t indiqu eacute qu e le s reacutesidu s

alcalins libegraveren t facilemen t leur s ion s meacutetallique s dan s l a solufio n aqueus e e t qu e le s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 de ce s derniegravere s son t inteacuteressantes Toutefois c e son t le s

reacutesidus non-preacutelixivieacute s e t non-filtreacute s qu i on t enregistreacute s le s meilleur s reacutesultat s d e

seacutequestration

Les autres objectif s d e ce travai l consistaien t agrave eacutetudier leacutevolutio n d e pH de l a conductiviteacute

et du pouvoir alcalin de s reacutesidus testeacutes

Premiegraverement le s valeurs de pH des scories des boues rouges e t des CKD obtenues apregraves l a

carbonatation son t tregrave s semblable s soi t leacutegegraveremen t au-dessu s d e 7 Seulemen t le s cendre s

volantes ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7

Deuxiegravemement le s test s su r l e pouvoi r alcali n de s scorie s ont indiqu eacute qu e le s scorie s

dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute d e neutralisation plu s eacuteleveacutee qu e tous le s autres reacutesidus D e

plus le s scories H F son t le s plus reacuteactives avec une reacuteserve alcalin e de 43 moles de HClk g

de scories L a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n oxyde s

meacutetalliques plu s particuliegraveremen t de s oxyde s meacutetallique s basique s tel s qu e l e Ca O e t l e

MgO scorie s F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

85

Troisiegravemement le s tests de la cineacutetique dadsorption d u CO2 par le s scories FP ont deacutemontr eacute

que l a seacutequestratio n d u CO 2 se reacutealise plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegraveres minute s d e la

reacuteacfion C e reacutesulta t sexpliqu e pa r l e fai t qu e l a formation dun e couch e d e carbonate su r l a

surface de s particule s de s reacutesidu s empecircch e l a libeacuteratio n dan s l a solufio n aqueus e de s ion s

meacutetalliques ayan t pou r conseacutequence l a baisse du taux de carbonatation

Enfin laugmentatio n pa r deux d e la dureacutee de carbonatation (d e 24 agrave 48 heures) ne se tradui t

pas par des doublement s de s potentiels d e seacutequestrafion d u CO 2 par le s reacutesidus alcalin s pou r

les raisons mentionneacutes ci-dessus

Perspectives

Cette eacutetud e sinscri t dan s loptiqu e d e deacuteveloppe r u n proceacuted eacute simpl e e t eacuteconomiqu e d e

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s industriel s alcalins D e c e fait

plusieurs perspective s son t identifieacutee s suite au x reacutesultat s obtenu s pa r cett e eacutetude E n voic i

quelques unes

bull eacutelargi r leacutetud e su r la seacutequestrafion d u CO2 avec dautres reacutesidu s industriel s tels les boues

de deacutesencrage de s papeteries le s reacutesidus d e constmctions e t d e deacutemolitions le s deacutechet s

municipaux le s deacutechet s d e lindustri e de s plastiques le s deacutechet s de s hocircpitau x etc

Plusieurs eacutetude s indiquen t qu e ces reacutesidus son t riche s e n oxyde s meacutetallique s e t peuven t

ecirctre utiliseacutes eacuteventuellement agrave la seacutequestration du CO2

bull puisqu e le s source s dea u douce s son t e n diminutio n constant e a u nivea u planeacutetaire i l

serait inteacuteressan t agrave envisage r l a reacutealisatio n d e cett e mecircm e eacutetud e ave c d e lea u d e mer

Cette perspectiv e pren d un e importanc e particuliegraver e s i o n considegraver e qu e plusieur s pay s

de Moye n Orient o ugrave son t deacutej agrave installeacutee s plusieur s aluminerie s e t cimenteries ont tregrave s

peu de sources deau douce

86

bull reacutealise r de s essai s pilotes e n colonnes afi n d e veacuterifie r l e transfer t d e ce s reacutesultat s dan s

des conditions expeacuterimentales semblables agrave celles industrielles

bull effectue r un e eacutetude eacuteconomique afin de savoir si ce proceacutedeacute est eacuteconomiquement viable

bull effectue r un e eacutetud e d e cycl e d e vi e afi n d e deacuteterminer entr e autres limpac t

environnemental de ce proceacutedeacute

ANNEXES

ANNEXE I

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LALUMINIUM

Bauxite ^

CaO bull

NaOH bull

bull

Raw Material s

1 Digestion

Liquor Heatin g

Liquor Surge

T Evaporation

Removal

1

Steam

Liquor Flashing

Heating

N Impunties

lt

Fuel ^

Steam

Sand Seacuteparation

1 Fuial residue

Cooling

i

Preacutecipitation

seedT ^ Classification

1 Washing

1 Calcination

^

-^^^

SandResidue Wa-shing

JL Solids Liquo r

Solids Disposa i

^ Wate r

^ Alumin a

Figure All Proceacuted eacute Bayer Tireacute de Hind ea (1999)

ANNEXE II

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LACIER

AnninmeacuteratJon

J ^=2=vBB Minefo i d e fe r Chofbon

Haut-Fourneau

o Eacutebauche de formes solide s (demi-produi t ) pa r moulag e de lacie r liquide

Acier liquide mi s

^lanuoncey statio n datfinage

Machine de couleacutee

continue

e Transformation de s eacutebauches e n produits finis par laminage

okerie

Eacutelaboration d e lacie r liquide agrave part ir d e minerai de fer

AciefS plats

Train de laminage

agrave chau d

obinojx

Produit fin i

Figure A21 Proceacutedeacute de fabrication de lacier Tireacute de Arcelor Meacutediterraneacutee

tli(ipwwwarcelormediteiTanee coindecouvertefabricationschemahtm)

LISTE DES FIGURE S

Page

Figure 1 1 Reacutepartitio n pa r activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004 7

Figure 1 2 Cycl e du carbone organique 1 2

Figure 1 3 Cycl e du carbone inorganique 1 2

Figure 1 4 Seacutequestratio n d u CO2 par carbonatafion mineacuteral e 2 3

Figure 21 Photo s des boues rouges humides et segraveches 4 2

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP 4 3

Figure 23 Phot o des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD) 4 5

Figure 24 Phot o des cendres volantes 4 6

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee 5 0

Figure 3 1 Eacutevolufio n d u pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) etnon-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 48 heures 5 4

Figure 32 Eacutevolufio n d e la conducfiviteacute de s huit reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes no n filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 6

Figure 33 Eacutevolutio n du pH des six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) et non-preacutelixivieacute s (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 7

Figure 34 Eacutevolutio n de la conducfiviteacute de s six reacutesidus preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) e t non-preacutelixivieacutes (filtreacutes non filtreacutes) lors des essais de 24 heures 5 8

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FAE FP et HF en fonction d u volume dacide ajout eacute 5 9

X

Figure 3 6 Courbe s de titrage des CKD Cl e t C2 en foncfio n du volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 3 7 Courbe s de titrage des boues rouges segraveches et humides en foncfion d u volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 38 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 8 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (A) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 48 heures 6 2

Figure 39 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 6 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (C) et preacutelixivieacutes (D) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 24 heures 6 4

Figure 310 Eacutevolufio n d u pH des scories FP filtreacutees e t non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 6

Figure 311 Eacutevolutio n de la conductiviteacute des scories FP filtreacutees et non filtreacutes en fonction d u temps de barbotag e au CO2 6 7

Figure 312 Eacutevolutio n du pouvoir de seacutequestration d u carbone de scories FP filtreacutees et non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 8

Figure 313 Vitess e dadsorption d u CO2 en foncfion d u temps par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes et non filtreacutes 6 9

Figure 41 Deacuteveloppemen t durabl e et la seacutequestration d u CO2 8 1

LISTE DE S ABREacuteVIATIONS SIGLES ET ACRONYME S

AIE

AMPERE

CKD

EacuteTS

FAEacute

FHWA

FP

Agence internationale d e leacutenergi e

Commission pou r lAnalyse de s Modi Redeacuteploiement de s Eacutenergies

Cernent kiln dus t

Ecole de technologie supeacuterieur e

Four agrave arc eacutelectriqu e

The Feacutedeacuteral Highway Administratio n

Four Poch e

GES Ga z agrave effet d e serre

GIEC Group e dexpert s intergouvemementau x su r leacutevolution d u climat

HF Hau t fournea u

ICP-AES Inductivel y Couple d Plasma-Atomi c Emissio n Spectrometr y

MEA Mon o eacutethylamin e

PSA Pressur e Swin g Adsorptio n

STEPPE Statio n Expeacuterimental e des Proceacutedeacutes Pilotes en Environnemen t

TSA Therma l Swin g Adsorptio n

LISTE DES SYMBOLES ET UNITEacuteS DE MESURES

m

kg Mt

Gt

t

degC

Pa

atm

S

min

ppm

gmol

L

Ka

Ma

kJ

pH

rpm

trmin

IN

megravetre

kilogramme

Million de tonnes

Milliard d e tonnes

tonne

degreacute Celsiu s

pascal

atmosphegravere

Siemens

minute

parties par million par volume

grammes par mol

Litre

milliers danneacutees

millions danneacutees

kilo joules

potentiel hydrogegraven e

rotations par minute

tours par minute

1 X Normale

INTRODUCTION

Probleacutematique impact de s activiteacutes industrielle s

Lactiviteacute industriell e mondial e augment e san s cess e anneacute e apregrave s anneacutee L e bie n ecirctr e de s

millions d e personne s partou t dan s l e mond e e n deacutepend Toutefois lindustri e n a pa s creacute eacute

seulement d e l a richesse ell e a engendr eacute auss i plusieur s problegraveme s environnementaux U n

des problegraveme s environnementau x es t leacutemissio n de s ga z agrave effe t d e serr e (GES) I l exist e

plusieurs GES L e dioxyd e d e carbon e (CO2) l e meacutethan e (CH4) l e protoxyd e dazot e o u

loxyde nitreu x (N2O) lozon e (O3) le s chlorofluorocarbone s (CFC) le s hydrocarbure s

halogegravenes (HFC PFC) lhexafluomr e d e soufr e (SFOcirc ) son t le s principau x GE S (GIEC

2007)

Ces gaz don t l e dioxyd e d e carbon e (CO2) jouent u n rocircl e majeu r dan s l a reacutegulatio n d e l a

tempeacuterature terrestre ca r il s laissen t passe r le s radiafion s solaires mai s absorben t certaine s

radiations infrarouge s (chaleur ) eacutemise s pa r l a surfac e chaud e d e l a Terr e c e qu i fa h

augmenter l a tempeacuteratur e d e latmosphegravere L e dioxyd e d e carbone avec un e dureacute e d e vi e

exceacutedant 12 0 an s e t un e contributio n pou r enviro n 5 5 d u reacutechauffemen t planeacutetaire s e

trouve e n tecirct e de s ga z agrave effe t d e serr e (Coolin g et al 2006) Entr e 197 0 e t 2004 le s rejet s

annuels d e CO2 l e principa l ga z agrave effe t d e serr e anthropique son t passeacute s d e 2 1 agrave 3 8

gigatonnes (Gt) soi t un e augmentatio n denviro n 8 0 Ce s rejet s repreacutesentaien t 7 7 de s

eacutemissions totale s d e GE S anthropique s e n 200 4 (GIEC 2007) L e Group e dexpert s

intergouvemementaux su r leacutevolution d u climat (GIEC 2007) estime que l a teneur moyenn e

en CO 2 dan s latmosphegraver e a augment eacute plu s d e 30 depui s l e deacutebu t d e legraver e industrielle

passant d e 28 0 ppm v agrave 37 9 ppmv D e plus lAgenc e intemational e d e leacutenergi e (AIE )

constate qu e le s eacutemission s d e dioxyd e d e carbon e lieacutee s au x activiteacute s humaine s devraien t

atteindre 4 3 G t pa r a n dic i 2030 soi t un e augmentatio n d e 6 0 (Gielen 2008) Ce s

augmentations pourraien t provoque r l a hausse de l a tempeacuterature d e l a surface d e la Terre e n

moyenne entr e 14deg C a u minimu m e t 4deg C a u maximu m su r l a peacuteriod e d e 199 0 agrave 210 0

(GEIC 2007)

Selon Environnemen t Canad a (2007) ce s augmentation s d e tempeacuterature s peuven t ecirctr e agrave

lorigine de s fonte s de s glaces d e laugmentatio n de s catastrophe s naturelle s e t d e l a

disparition d e plusieurs espegraveces animales et veacutegeacutetales

Contexte eacuteconomico-politiqu e

Les activiteacute s de s alumineries de s acieacuterie s e t de s cimenterie s produisen t chaqu e anneacute e de s

millions d e tonne s d e reacutesidu s alcalin s e t eacutemetten t dan s latmosphegraver e de s quantiteacute s

consideacuterables d e CO 2 L e tablea u ci-dessou s lillustr e le s eacutemission s d u CO 2 par le s troi s

industries

Type dindustri e

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Eacutemissions du CO2 (en Gt)

015

L7

18

Quantiteacutes de reacutesidus alcalins (en Mt)

90

350-420

480 (30 MT de CKD + 450MT de cendres

volantes de tout genre )

Sources

Institut Intemafional d e

laluminium (2008) Kumar eacutetal (2006 )

Miclos (2000) Gielen (2008)

Eloneva (2008) Konsta-Gdoutos et Shah (2003) Kumar et al

(2005)

Illustration de s eacutemissions d e CO2 et les quantiteacutes des reacutesidus alcalins produit s au niveau mondia l pa r les trois industries

Les eacutemission s d e CO 2 augmentent danneacute e e n anneacute e malgr eacute le s effort s de s entreprise s agrave le s

reacuteduire Pourtant l e protocole du Kyoto (1997) a fixeacute des objectifs d e reacuteduction d e GES pour

tous le s pay s signataires L e protocol e d u Kyot o a fixeacute a u Canad a agrave reacuteduir e d e 6 se s

eacutemissions d e GE S entr e 200 8 e t 201 2 pa r rappor t agrave lanneacute e 199 0 (Environnemen t Canada

2007)

Les quinz e pay s signataire s d e lUnio n Europeacuteenn e on t deacutej agrave attein t lobjecfi f d e 8

reacuteduction d e GES fixeacute pa r Kyoto (AEacuteE 2009) Des pays tels que la France LAllemagne l a

Gregravece l a Suegraved e l e Royaume Un i ont mecircme deacutejagrave attein t u n niveau infeacuterieu r agrave leur objectif d e

Kyoto Le s projection s reacutealiseacutee s pa r lAgenc e Europeacuteenn e pou r lEnvironnemen t (AEacuteE )

deacutemontrent qu e le s politique s climatique s e n vigueu r agrave lheur e actuell e permettron t d e fair e

une reacuteductio n suppleacutementair e d e 3 5 dic i 201 2 gracircc e agrave lacha t d e creacutedit s issu s d e projet s

de reacuteductio n de s eacutemission s meneacute s dan s le s pays tier s (AEacuteE 2009) L e Canad a e t le s Eacutetat s

Unis au contraire ont augmenteacute plus du double leurs eacutemissions de GES

Lameacutelioration d e lefficacit eacute leacutenergeacutetiqu e e t lutilisafio n d e source s alternative s deacutenergi e

pourraient reacuteduir e le s eacutemissions d e CO2 mais ces mesures seron t insuffisante s pou r atteindr e

les objectifs d e Kyoto ca r l a demande mondial e e n matiegravere premiegraver e augment e agrave un rythm e

soutenu Le s besoin s e n acie r e t e n aluminiu m connaicirctron t un e croissanc e d e 3 0 e t 60

par deacutecennie e t lInde estimen t Kuma r et al (2006) Kharoune (2006) ce qui rend neacutecessair e

la recherche d e nouvelle s technologie s d e seacutequestration d u CO2 De plus l a Chine e t lInd e

connaicirctront de s croissance s d e 8 0 agrave 100 pa r deacutecenni e dan s le s mecircme s domaines

Lindustrie d e lacier d e la Chine rejette 5 0 des eacutemissions mondiales du CO2 Dailleurs il

est agrave noter qu e le s eacutemissions d u CO2 par lindustri e d e production d e laluminiu m eacutetaien t d e

96 Mt en 199 0 au niveau mondia l e t elles ont eacuteteacute reacuteduites agrave moins de 25 Mt de CO2 en 2007

une reacuteductio n d e 7 4 alor s qu e l a productio n daluminiu m a doubl eacute pendan t l a mecircm e

peacuteriode d e 19 5 agrave 38 M t (GEIC 2006) Entre 199 0 et 2002 le secteur canadie n d u ciment a

ameacutelioreacute l e rendemen t d e se s four s d e 1 2 e t diminueacute se s eacutemission s d e GE S pa r tonne d e

produits cimentaire s d e 71 En chiffres absolus l a production total e nett e deacutemission s d e

CO2 a augmenteacute d e 23 de 199 0 agrave 2004 Toutefois l a production d e ciment a augmenteacute de

25 a u cour s d e cett e peacuteriode c e qu i expliqu e e n grand e parti e laccroissemen t de s

eacutemissions (Environnemen t Canada 2007) Dan s le s anneacutee s 1950 l a productio n mondial e

dacier eacutetai t denviro n 20 0 millio n d e tormes meacutetriques E n 2006 l e chiffr e seacutelevai t agrave 124 0

Mt dacier

Le Japo n fai t un e bonn e figure dan s l e cadr e d e reacuteduction s d e GES So n industri e dacie r a

reacuteduit d e 6 s a consommatio n deacutenergi e e n 200 5 pa r rappor t a u nivea u d e 199 0 (GEIC

2006) Le s entreprise s eacutemettrice s d e CO 2 doiven t fair e preuv e d e plu s dinnovation s e t d e

recherches technologique s dan s c e sens Louvertur e d e l a bours e d e carbon e depui s ma i

2008 agrave Montreacutea l leu r perme t deacutechange r leur s creacutedit s deacutemissio n d e GE S e t d e s e voi r

reacutecompenseacutees pour leurs efforts

Technique d e reacuteduction de s eacutemissions d e CO2 proposeacutee

Plusieurs proceacutedeacute s son t utiliseacute s pou r limite r le s eacutemission s atmospheacuterique s d e CO 2 qu i

agissent principalemen t su r l a captur e e t l a seacutequestrafio n d e c e gaz Alor s qu e le s proceacutedeacute s

membranaires e t dabsorption son t utiliseacutes pour l e captage d u CO2 le stockage e n reacuteservoir s

geacuteologiques o u miniers e n aquifegravere s salin s o u encor e pa r enfouissemen t oceacuteaniqu e son t

utiliseacutes pour l a seacutequestration (Bonenfan t et al 2006)

Lutilisation de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s issu s de s activiteacute s industrielle s telle s qu e

les alumineries le s acieacuterie s e t le s cimenterie s offren t d e nouvelle s possibihteacute s s e

seacutequestrafion d u CO2 Cett e technologi e es t baseacute e su r u n pheacutenomegraven e chimiqu e simpl e la

formation d e carbonate s stable s suite agrave labsorptio n d u CO 2 par de s composeacute s alcalin s tel s

que le s oxydes de calcium (CaO ) e t de magneacutesium (MgO) Lideacutee dutilise r le s reacutesidus e t les

sous-produits alcalin s afin d e seacutequestrer l e CO2 a eacuteteacute lanceacutee pour l a premiegravere foi s par Seifrit z

(1990) et a eacuteteacute eacutetudieacute en en profondeur pa r Lackner (1995)

La reacuteductio n de s eacutemission s d e CO 2 agrave l a sourc e sinscri t dan s l e cadr e du n processu s d e

gestion durabl e de s matiegravere s reacutesiduelle s e t preacutesent e u n inteacuterecirc t eacuteconomiqu e manifeste Agrave cet

effet l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuteral e e n milieu x aqueu x preacutesent e un e

alternative tregrave s inteacuteressant e (Huijge n et al 200 5 Bonenfan t et al 2006) 1 1 sagit du n

processus nature l menan t agrave l a formatio n de s carbonates produit s thermodynamiquemen t

stables et sans effet neacutefast e su r lenvironnement (Boenfan t et al 2006)

Les mateacuteriau x employeacute s dan s ce s eacutetude s son t de s sou s produit s e t reacutesidu s industriel s agrave

pouvoir alcali n tel s qu e le s scorie s de s acieacuteries le s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s

cendres volante s e t poussiegravere s de s four s de s cimenteries Cett e technologi e pren d un e

importance particuliegraver e s i o n parl e e n terme s d e quantiteacute s de s reacutesidu s produit s pa r ce s troi s

industries (voi r tableau 11 page 6) et qui peuvent ecirctr e utiliseacutes afin d e seacutequestrer l e CO2

En fait le s technologie s existante s d e seacutequestratio n d u CO2 agrave l a diffeacuterenc e d e l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s industriel s alcalins preacutesenten t de s coucirct s eacuteleveacute s d e 5 0 agrave

100 $ par tonn e d e CO 2 seacutequestreacute (Bonenfan t et al 2006 Eloneva 2008) Ces coucirct s eacuteleveacute s

empecircchent leu r application agrave grande eacutechelle

Objectifs d e leacutetud e

Le bu t d u preacutesen t travai l consist e agrave deacuteterminer expeacuterimentalemen t le s meilleurs pouvoirs d e

seacutequestration d u CO 2 pa r le s reacutesidu s e t le s sous-produit s industriel s alcalin s dan s de s

conditions ambiante s dutilisatio n tempeacuterature t = 20degC temps T= 2 4 et 48 heures pression

atmospheacuterique ambiante granulomeacutetrie industrielle)

De cet objectif deacutecoulen t le s sous-objectifs speacutecifique s suivant s

bull deacutetermine r le s critegraveres dutilisation de s mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r leffe t d u pH de la conducfiviteacute e t du pouvoir alcalin des reacutesidus en milieux

aqueux su r la capaciteacute de seacutequestration d u CO2 par les mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r F effet d e la preacutelixiviation de s reacutesidus sur leurs capaciteacutes de seacutequestratio n

du CO2

Pour c e faire de s essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute meneacute s su r troi s type s d e scorie s (HF FP FAEacute)

deux type s d e boue s rouge s (humide s e t segraveches) deu x type s d e reacutesidu s d e cimenterie s

(poussiegraveres de fours e t cendres volantes)

Le preacutesent meacutemoire es t organiseacute comme sui t

Le Chapitr e 1 preacutesent e le s notion s fondamentale s d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO2

Apregraves avoi r list eacute le s plu s grand s eacutemetteur s de s ga z agrave effet s d e serr e nou s feron s l a lumiegraver e

sur le s caracteacuteristique s chimique s d u CO 2 e t le s technologie s existante s d e l a seacutequestratio n

mineacuterale d u CO 2 par le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalins L e Chapitre 2 aborde l a

meacutethodologie de caracteacuterisation de s reacutesidus alcalins Dans cette partie nous nous pencheron t

sur le s critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacutes l a faccedilo n don t le s

paramegravetres e t le s condition s dexpeacuterimentation s son t eacutetabli s e t su r l a meacutethod e danalys e

choisie L e Chapitr e 3 preacutesent e le s reacutesultat s obtenu s lor s de s essais L e Chapitr e 4 a pou r

objectif dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s obtenu s dan s l e cadr e d e cett e

eacutetude Enfin un e conclusion complegravete l e meacutemoire

CHAPITRE 1

REVUE DE LA LITTEacuteRATURE

11 Probleacutematiqu e du CO2

Les activiteacute s humaine s eacutemetten t de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e GE S don t l e CO 2 L a deacuteforestation e t lindustrie de leacutenergie sont les principaux responsables (voir figure 11) Les rejets mondiaux en 2007 suite agrave la deacuteforestafion son t denviron 8 4 Gt de CO2 sur une totale de 38 Gt de CO2 eacutemis dans latmosphegravere La Terre absorbait environ 1 1 Gt de CO2 en 2007 On retrouve un suppleacutement dans latmosphegravere de 27 Gt selon le GIEC (2007)

Les eacutetude s qu i traiten t l e reacutechauffemen t globa l d ucirc au x eacutemission s d e CO 2 pa r lactivit eacute humaine sont tregraves nombreuses Leffet d e serre est un pheacutenomegravene normal et neacutecessaire agrave la vie su r terre C e pheacutenomegraven e s e produi t pa r laccumulatio n de s ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere 1 1 perme t d e mainteni r un e tempeacuterature moyerm e agrave la surface d e l a terre de +18degC (GIEC 2001) San s leffe t d e serr e l a tempeacuterature moyenn e d e l a terre serai t d e -15degC

Deacutef 0 r estatio n et suite s

Proceacutedeacutes industriels

2sltyo ^

r 7 Bacirctiments

reacutesidentiels e t comnterciaux

9ltyo

Industr ies d e leacutenergie

27lty o

) ~ Transpor t

1 7

Figure 11 Reacutepartition par activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004

Tireacute de GIEC (2007)

Pour mieu x comprendr e l a probleacutematiqu e d u reacutechauffemen t planeacutetaire i l import e d e bie n

connaicirctre le s caracteacuteristique s chimique s e t l e cycl e d u CO2 Le s page s qu i suiven t s e

proposent d e faire l a lumiegravere sur le sujet

111 L a chimi e du CO 2

Le dioxyd e d e carbon e a eacutet eacute identifi eacute pou r l a premiegraver e foi s dan s le s anneacutee s 175 0 pa r l e

physicien e t chimist e eacutecossai s Josep h Blac k (Villiers 2009) A tempeacuteratur e ambiant e (20 -

25C) l e dioxyd e d e carbon e es t u n ga z san s couleu r n i odeur qu i es t faiblemen t acid e e t

inflammable I l es t preacutesen t dan s latmosphegraver e dan s un e proportio n approximativemen t eacutegal e

agrave 00375 en volume soi t 375 ppmv (Bourque 2009)

La formul e moleacuteculair e d u dioxyd e d e carbon e es t l e CO2 Cett e moleacutecul e lineacuteair e es t

triatomique composeacute e du n atom e d e carbon e qu i es t reli eacute pa r doubl e liaiso n agrave deux atome s

doxygegravene 0=C=0 Le s atomes doxygegravenes dan s cett e formul e son t seacutepareacute s agrave des angles de

180 deg et son t lieacute s agrave latom e d e carbon e pa r de s liaison s covalente s qu i l a ren d no n polair e

selon Sienk o (1965) Dissou t dan s leau i l form e d e lacid e carboniqu e qu i peu t interagi r

avec de s composeacute s alcalin s tel s le s oxyde s meacutetallique s d e calciu m e t d e magneacutesiu m e t le s

zeacuteolites (Sienko 1965 Auroux et Gervasini 1990)

CO2 + H2 O - ^ H2CO 3 (11 )

Dans leau d e maniegravere reacuteversible lacid e carboniqu e reacuteagi t ave c lea u pou r forme r l e catio n

hydronium HsO^ et lion bicarbonate HCO suivant l a reacuteaction suivant e

H2CO3 + H2 O - ^ HCOs + HsO ^ (12 )

Il peu t seulemen t ecirctr e solid e agrave une tempeacuteratur e infeacuterieur e agrave -78degC L e dioxyd e d e carbon e

liquide existe principalement quan d i l est dissout dans leau

Le dioxyd e d e carbon e es t seulemen t solubl e dan s lea u lorsqu e la pressio n dinjectio n es t

maintenue Les proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2 sont deacutecrites au Tableau 11

Tableaull Le s proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2

Tireacute de Goj et al (2002) Tardat-Hemy e t Beaudry (1984 )

Proprieacuteteacute Masse molair e

Graviteacute speacutecifiqu e agrave 21C Densiteacute critiqu e

Concentration dan s lai r Stabiliteacute Liquide Solide

Constante dHenry d e solubilit eacute Solubiliteacute dans leau agrave agrave 20 degC

Valeur 4401

153 agrave21 468

3703 10 Eleveacutee

Pression lt 4158 Tempeacuterature

29815 09

Uniteacute gmol

-kgm ppm

-kPa

lt -78 degC mol kg bar

volvol

Ces proprieacuteteacutes permetten t a u CO2 de capter le s rayons infr a rouge s provenan t d e la Terre de

lemmagasiner e t passe r agrave u n nivea u deacutenergi e supeacuterieur Lexceacuteden t deacutenergi e es t libeacuter eacute

apregraves dans latmosphegravere causan t ains i leffe t d e serre (GIEC 1990)

112 Cycl e du carbon e

Le carbone es t un eacuteleacutement essenfie l agrave la vie Le carbone sui t u n certain itineacuterair e su r la terre

qui es t appeleacute cycl e du carbone L e cycle du carbone se compose en deux parties le cycle du

carbone organiqu e e t celui d u carbon e inorganique Cett e seacuteparatio n (Bourque 2009 ) es t

artificielle car en reacutealiteacute ces deux cycles se reacutealisent en mecircme temps

Le cycle du carbone es t baseacute sur le dioxyde de carbone (CO2) qui peut ecirctre foumi agrave lair sou s

forme d e ga z e t agrave lea u sou s form e dissoute Le s plante s terrestre s utilisen t l e dioxyd e d e

carbone d e latmosphegraver e pou r creacutee r leur s propre s source s deacutenergi e e t pou r assure r leu r

croissance

10

Lors le processus naturel appeleacute l a photosynthegravese le s plantes libegraveren t de loxygegravene essentie l

agrave l a vie animale Ces t gracircc e agrave l a chlorophyll e qu e le s plantes e t certaine s bacteacuterie s peuven t

effectuer la photosynthegravese

La reacuteaction totale de la photosynthegravese est

6CO2 + 6H2O + Eacutenergie solaire -gt COcircH^O Ocirc + 6O2 (13 )

Les animau x qu i consommen t loxygegraven e libeacuter eacute pa r le s plante s sappellen t de s

consommateurs Ce s dernier s relacircchen t l e dioxyd e d e carbon e dan s latmosphegraver e duran t l e

processus d e l a respirafion L a respiratio n es t linvers e d e la photosynthegravese Agrave parti r d e

loxygegravene libr e O2 elle transforme tout e mafiegravere organiqu e en CO2 selon leacutequatio n chimiqu e

suivante

C6H12O6 + 6 O2 gt 6 CO2 + 6 H2O (14 )

La deacutecompositio n aeacuterobi e e t l a fermentatio n permetten t au x microorganisme s d e libeacutere r l e

CO2 dans latmosphegravere Toutefois l e carbone peu t auss i ecirctr e stock eacute sou s forme d e biomass e

dans le s racine s de s arbre s e t dautre s matiegravere s organique s duran t de s anneacutees Lorsqu e le s

couches d e seacutediment s compressen t cett e matiegravere de s combustible s fossile s seron t formeacutes

apregraves plusieur s siegravecles De s proceacutedeacute s geacuteologique s agrave long term e pourron t expose r l e carbon e

de ce s combustible s agrave lai r apregrave s un e longu e peacuteriode mai s habituellemen t l e carbon e de s

combustibles fossile s es t relacircch eacute lor s d e proceacuted eacute d e combustio n reacutealis eacute pa r lhomm e

(Bourque 2009) Bie n qu e l a combustio n de s combustible s fossile s ajout e d u dioxyd e d e

carbone agrave lair certai n dentr e eu x son t auss i relacircch eacute lor s d e proceacutedeacute s naturels te l qu e le s

eacuteruptions volcaniques Dan s leacutecosystegravem e aquatique l e dioxyde d e carbon e peu t ecirctr e stock eacute

dans le s roche s e t le s seacutediments I l prendra u n lon g temp s avan t qu e l e dioxyd e d e carbon e

soit relacircch eacute pa r l a deacutesagreacutegatio n de s roche s o u de s processu s geacuteologique s qu i apporten t le s

seacutediments agrave la surface d e leau (Bourque 2009)

11

Le dioxyd e d e carbon e stock eacute dan s lea u ser a preacutesen t agrave l a foi s comm e ion s carbonate s o u

bicarbonates Ce s ions fomient un e partie importante des tampons naturel s qui empecircche lea u

de deveni r tro p acid e o u tro p basique Lorsqu e l e solei l chauff e leau le s ion s carbonate s e t

bicarbonates retourneron t dan s latmosphegravere sou s forme d e dioxyde de carbone (Falkowsk i et

al 1998 Huntzinger 2009)

En 2003 Yamasak i estimai t agrave 1 4 G t l a quantiteacute d e carbone captur eacute d e latmosphegraver e pa r le s

systegravemes terrestre s agrave laid e d e l a photosynthegravese Selo n ce t auteur loceacutea n emmagasin e plu s

de carbon e qu e l a veacutegeacutetafio n terrestre soi t 3 8 000 Gt L e phytoplancto n emmagasin e 5 0 agrave

100 G t d e carbon e qu i soi t un e quantit eacute beaucou p plu s important e qu e cell e emmagasineacute e

par la veacutegeacutetation terrestre

Les figure s 1 2 e t 1 3 montren t qu e l e gran d reacuteservoi r d e carbon e es t constitu eacute

principalement pa r le s roche s seacutedimentaires Loceacutea n repreacutesent e auss i u n autr e grand

reacuteservoir surtou t agrave de s profondeur s supeacuterieure s agrave 10 0 m L e seacutejou r d u carbon e dan s le s

reacuteservoirs deacutepend du type de reacuteservoir ougrave il se trouve

Le seacutejou r d u CO 2 est d e quatr e an s dan s latmosphegravere d e 1 1 ans dan s l a biosphegravere d e 38 5

ans dan s lhydrosphegraver e superficiell e (oceacutean d e 0 agrave 10 0 m) d e plu s d e 10 0 K a (millier s

danneacutees) dan s loceacutean profon d e t de quelques 200 Ma (millions danneacutees) dan s la lithosphegraver e

(Bourque 2009) Le cycl e d u carbone es t composeacute d e plusieurs sous-cycle s qu i duren t d e l a

deacutecennie (l e recyclag e d u CO 2 pa r le s plantes ) au x centaine s d e million s danneacutee s (l e

recyclage d u carbon e organiqu e pa r lintermeacutediair e de s roche s seacutedimentaire s o u de s

hydrocarbures pa r exemple)

12

C y c l e y c o u r t gt v

C y c l e 1 o n g

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C Y C L E O U C A R B O N E O R G A N I Q U E

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l e o o 1 S e d 1 m e n 1 a 1 p o n

A l t e r a t l o n O O 5

( e t e n f o u i s s e m e m

R O C H E S S Eacute D I M E N T A I R E S i n c l u a n t k ^ r o g ^ n e s p eacute t r o l e s c h a r b o n s

1 O O O O O O O

bull V o i o u - s C n Ccediljs ^ g g a i 3 T - raquo r gt t s d t c a t o o ^ s o - t o n K u m o K a s t i n p o l C a r i ^ ^ l O ^ D P O O Icirc V C O M

)

N

gt a 1 1

Figure 12 L e cycle du carbone organique Tireacute de Bourque (2009)

Figure 13 L e cycle du carbone inorganique Tireacute de Bourque (2009)

13

12 Technologie s d e captage et de seacutequestration du CO2

121 Technologie s d e captage du CO2

Afin d e contre r le s effet s neacutefaste s d u reacutechauffemen t climatiqu e plusieurs technologie s d e

captage e t de seacutequestration d u CO2 on t eacuteteacute deacuteveloppeacutees ce s derniegraveres anneacutees L a majoriteacute d e

ces technologie s n e son t pa s encor e implanteacute e agrave leacutechell e industrielle ca r leur s faible s

efficaciteacutes e t leur s coijt s eacuteconomique s eacuteleveacute s ont empecirccheacute s leu r implantatio n (Herzo g et al

1997 Herzog 2001 Yang et al 2008) Dan s cett e partie nou s deacutecrieron s briegravevemen t le s

technologies d e captag e d u CO 2 et nou s nou s attarderon s plu s e n deacutetai l su r le s technologie s

de seacutequestration d u C02par des mateacuteriaux alcalins

Proceacutedeacutes dadsorption pa r les amineacutes

Les technologie s baseacutee s su r labsorptio n d u CO 2 par le s amineacute s son t le s plu s freacutequemmen t

ufiliseacutees dan s le s industrie s peacutetroliegraveres dextractio n d u ga z nature l e t d e l a productio n

dammoniaque (Lia o et al 2002 Ra o et al 2002) L a mon o eacutethylamin e (MEA ) pa r

exemple reacuteagi e ave c l e CO 2 e t form e l e carbamat e d e MEA O n utilis e l a solutio n d e ce t

composeacute afin dextrair e d u CO2 tregraves pur (Stewart e t Hessami 2005)

Ces technologie s offren t de s rendement s d e captag e d u CO 2 varian t d e 7 5 agrave 9 0 e t de s

grades d e puret eacute d u CO 2 supeacuterieur s agrave 9 9 Malgr eacute de s rendement s satisfaisants ce s

technologies ont de s inconveacutenient s majeur s le s coiit s dinvesfissemen t e t dexploitatio n

sont eacuteleveacutes lufilisatio n dinhibiteur s d e corrosio n e t doxydafio n e t leur s rendement s

deacutependent de s condifion s dutilisafio n (Jo u et al 1995) L a consommatio n deacutenergi e es t

eacutegalement tregrave s eacuteleveacutee (Fauth et al 2005)

Proceacutedeacutes dadsorptio n pa r les zeacuteolites e t les charbons actif s

Les mateacuteriaux tel s que le s zeacuteolites e t les charbons actif s ont de s surfaces speacutecifique s eacuteleveacutee s

(gt 150 0 m^g ) e t adsorben t seacutelectivemen t diffeacuterent s ga z e n fonctio n d e leu r superficie l a

taille des pores et les volumes de pores (Rege et Yang 2001)

14

Ce processu s repos e su r la neutralisatio n du n ga z acid e for t (CO2 ) pa r un e bas e faibl e

(absorbant) Il s opegraverent agrave des cycles dites de pression PSA (Pressure-Swing-Adsorption) o u agrave

des cycles thermiques TSA (Thermal-Swing-Adsorption)

Ce typ e dadsorpfio n peu t atteindr e u n rendemen t denlegravevemen t d u CO 2 denviro n 9 2

Toutefois le s zeacuteolithe s n e son t pa s efficace s pou r capte r l e CO 2 eacutemi s pa r le s centrale s agrave

charbon car la consommation deacutenergi e es t tregraves eacuteleveacutee (Maroto-Valer 2005)

Proceacutedeacutes membranaire s

Ces technologie s utilisen t de s membrane s constitueacutee s du n polymegraver e deacutepos eacute su r u n suppor t

microporeux o u meacutetalliqu e o u du n film liquid e absorban t immobilis eacute su r u n suppor t d e

polymegravere (Fero n et al 1992 Herzog et a1997 Herzog 2001) L e CO2 est mis en contac t

avec l a membran e e t l e polymegraver e o u l e film liquid e qu i facilit e so n transpor t agrave traver s l a

membrane a u deacutetrimen t de s autre s polluants Ce s proceacutedeacute s offren t plusieur s avantage s pa r

rapport au x autre s proceacutedeacute s pa r leur s simpliciteacute s e t leur s stabiliteacutes Toutefois ce s

technologies preacutesenten t d e seacuterieu x deacutesavantage s don t de s coucirct s dutilisatio n eacuteleveacutes de s

rendements d e captag e d u CO 2 infeacuterieur s agrave 8 0 un e faibl e seacutelectiviteacute e n plu s d e n e

pouvoir traiter que des effluents ayan t de faibles concentration s en CO2 (Yang et al 2008)

122 Technologie s d e seacutequestration d u CO 2

Laugmentation constant e de s activiteacute s industrielle s de s acieacuteries de s cimenterie s e t de s

alumineries a pour conseacutequenc e no n seulemen t laccroissemen t de s eacutemission s d u CO 2 mais

aussi laccumulatio n d e millions de toimes de reacutesidus alcalins partout dan s l e monde Le deacutef i

pour ce s entreprise s e t pou r l e mond e d e l a recherch e es t d e taill e utilise r ce s reacutesidu s

industriels afi n d e limite r (seacutequestrer ) un e parti e d u CO 2 eacutemi s dan s latmosphegravere E n fait

cest depui s le s quinz e demiegravere s anneacutee s qu e l a recherch e essay e agrave reacutepondr e agrave cett e

probleacutemafique

15

Les effort s le s plus consistant s reposen t su r l e deacuteveloppement dun e technologi e utilisan t le s

scories de s acieacuterie s e t le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s comm e matrice s afi n d e

seacutequestrer l e CO 2 (Hujge n e t al 2005 Kharoune 2006) Quan t agrave lutilisatio n de s boue s

rouges de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e cimenterie s son t dan s leur s

premiegraveres phases dessais

Les technologie s d e seacutequestratio n d u CO 2 o n peu t le s classifie r e n quatr e cateacutegorie s l a

seacutequestration oceacuteanique l a seacutequestratio n biologiques l a seacutequestratio n geacuteologiqu e e t l a

seacutequestration mineacuterale s des mateacuteriaux alcalins Il importe de mentionner qu e la deacutefinition d e

technologie es t peut-ecirctr e inexacte ca r l e pheacutenomegraven e d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r de s

matiegraveres alcaline s es t u n pheacutenomegraven e naturel Toute s ce s laquotechnologies raquo permetten t l a

seacutequestration d u CO2 agrave tregraves long s termes (plusieur s millier s agrave plusieurs million s danneacutees ) agrave

lexception d e l a seacutequestration d u CO2 par l a biomasse de s veacutegeacutetaux qu i n e l e seacutequestre qu e

pour une cinquantaine danneacute e (Santos 2006)

La seacutequestration oceacuteaniqu e

Les oceacuteans ont u n potentie l d e seacutequestration d u CO2 tregraves eacuteleveacute plus de 100 0 Gt (AMPERE

2006) mai s l a dureacute e d e reacutetentio n d u CO 2 est beaucou p plu s court e qu e le s autre s type s d e

seacutequestration L e CO2 injecteacute agrave 1500 m de profondeur libegraver e 1 8 de la quantiteacute seacutequestr eacute du

CO2 apregraves 200 ans de stockage (Hanish 1999) Ceci sexpliqu e pa r l e fai t qu e le CO2 dissout

dans lea u s e transforme e n acid e carboniqu e H2CO 3 qui baiss e l e p H d e lea u marine De s

ions bicarbonates HCO3 et des ion s carbonates COs^ sont libeacutereacute s dans lea u qu i agrave leu r tou r

vont reacuteagi r ave c le s ions meacutetallique s qu i s e trouvent dans lea u pou r former de s sel s tels que

la calcit e CaCO s (carbonat e d e calcium ) e t l a dolomit e CaMg(C03)2 L a formatio n d u

carbonate d e calciu m CaCO j produi t deu x pheacutenomegravenes l e premie r es t celu i d e

laugmentation d e la concentration e n acide carbonique qu i peut auss i seacutecrir e CO 2 + HO et

par voi e d e conseacutequence d e cell e d u CO 2 et l e deuxiegravem e es t celu i d e l a reacuteductio n d e l a

concentration e n ions bicarbonates ce qui va provoquer une baisse du pH

C02(g) + CaC03(s) + H2O -^ Ca-(aq ) + 2 HCO3 (aq) (15 )

16

Les concentration s eacuteleveacutee s d e CO 2 suites agrave l a productio n d e CaCO s provoquen t l a creacuteatio n

dun gradien t entr e loceacutea n e t latmosphegravere qu i favoris e un e diffusio n d u CO 2 de loceacutea n ver s

latmosphegravere (Bourque 2009)

Un autr e inconveacutenien t d e cett e meacutethod e es t l a distanc e su r laquell e l e CO 2 reacutecupeacuter eacute de s

usines doi t ecirctr e transporteacute pou r atteindre loceacutean L e coiagravet de cette meacutethod e d e stockage a eacuteteacute

estimeacute entre 1 8 et 12 8 $ par tonne de CO2 seacutequestreacute (AMPERE 2006)

La seacutequestration geacuteologiqu e

Le stockag e geacuteologiqu e d u CO 2 preacutesente un e autr e alternativ e inteacuteressant e pou r limite r le s

eacutemissions d e ga z dan s latmosphegravere LOues t canadie n pa r so n relie f e t se s caracteacuterisfique s

geacuteologiques sembl e lendroi t ideacuteal car les reacuteservoirs geacuteologique s peuvent recevoi r toute s le s

eacutemissions de CO2 qui seront produites au Canada dans les prochaines anneacutees

Toutefois plusieur s chercheur s sinquiegraveten t d e limpact d e ce gaz stockeacute agrave des pressions tregrave s

eacuteleveacutees su r le s paroi s rocheuse s (Reeve 200 0 His 2003 Thoma s e t Kerr 2005 Montes -

Hemandez 2009) L a dissolutio n d u CO 2 peu t cause r l a formatio n de s carbonates de s

oxydes meacutetallique s e t de s hydroxyde s qu i agrave longues terme s peuven t affecte r l a solidit eacute de s

reacuteservoirs (Montes-Hemande z 2009) L a seacutequestrafio n geacuteologiqu e d u CO 2 s e deacuteroul e e n

trois eacutetape s l e captage l e transpor t e t linjectio n d u gaz L e captag e es t leacutetap e l a plu s

coucircteuse du processus (GIEC 2005)

De plus plus des deu x tier s du coucirc t du captage e t du stockage d u CO2 provenant de s ga z de

combustion y sont accapareacute s pa r sa seacuteparation e t so n traitement Ce s coucircts eacuteleveacutes preacutesenten t

(40 agrave 7 0 $ ustonne d e CO2 ) l e principal obstacl e agrave l a commercialisatio n de s technologie s

de stockage du CO2 au Canada (Reeve 2000)

17

Stockage dans les gisements de gaz ou de peacutetrole

Cette technologie es t en cours de deacuteveloppement Le s gisements de gaz et de peacutetrole peuven t

servir d e reacuteservoir s naturel s d u CO2 Ce s reacuteservoir s offren t de s potentiel s d e seacutequestratio n

supeacuterieurs agrave 18 0 Gt de CO2 (Reeve 2000)

De nombreuse s expeacuterimentation s son t e n cour s a u Japon au x Eacutetats-Uni s e t e n Europe L e

CO2 capt eacute peu t ecirctr e inject eacute e t emprisonn eacute dan s de s structure s geacuteologique s telle s qu e de s

veines d e charbo n inexploitables de s gisement s eacutepuiseacute s d e ga z o u d e peacutetrol e o u de s roche s

poreuses Un e foi s aboutie cett e technologi e permettrai t d e reacuteduir e massivemen t le s

eacutemissions d e c e ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere U n aspec t inteacuteressan t d e cett e

technologie es t le transport direc t du CO2 des usines vers les sites de stockage

Les grand s eacutemetteur s d e CO 2 tel s qu e le s alumineries le s acieacuteries le s cimenterie s e t le s

raffineries d e peacutetrol e peuven t utilise r facilemen t cett e technologi e (Montes-Hemandez

2009)

Stockage dans le s formations houillegravere s

Une autr e possibilit eacute d e seacutequestrafio n d u CO 2 es t linjecfio n dan s le s formafion s houillegravere s

(Mastalerz et al 2004) Le meacutethane (CH4) a la proprieacuteteacute de saccrocher au x paroi s rocheuse s

mais l e CO2 une foi s injecteacute deacuteplac e l e meacutethan e pou r prendr e s a place Cett e technologi e

preacutesente u n avantage consideacuterable l a vente du meacutethane ains i produi t peu t aide r agrave compenser

le coucirc t d e l a seacutequestratio n d u CO2 Deacutependan t d u typ e d e charbo n utilis eacute le s eacutetude s d e

laboratoire indiquen t quentr e deu x e t di x moleacutecule s d e CO 2 son t absorbeacutee s pou r chaqu e

moleacutecule d e meacutethan e libeacuter eacute (Stanto n et al 2001 Pa n e t Connell 2009) Linconveacutenien t

majeur d e cett e technologi e es t l a faible porosit eacute d e l a surface d u charbo n qu i s e tradui t pa r

un mauvais contac t du CO2 avec lensemble de la surface d u charbon

18

Stockage dans le s aquifegraveres salin s

Les reacuteserves planeacutetaires en eau saline deacutepassent largemen t celle s du peacutetrole e t de gaz naturel

Leurs potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 sont consideacuterables plu s 700 0 milliard s d e tonne s

de CO2 (Yang 2008)

Les aquifegraveres son t de s formation s geacuteologique s constitueacutes d e roches permeacuteable s contenan t d e

leau mobiliseacute e quelle s son t capable s d e restitue r naturellemen t (Herzo g et al 1997

Herzog 2001) Une telle technologie es t deacutejagrave utiliseacute e en Norvegravege o ugrave l a plate-forme offshor e

de ga z nature l d e Sleipne r inject e u n millio n d e tonne s d e CO 2 par anneacute e agrave 100 0 megravetr e d e

profondeur dan s la mer du Nord (Santos 2005)

Stockage dans la biomass e

Tel qu e expliqu eacute agrave l a sectio n 11 2 lor s d u processus d e l a photosynthegravese le s plantes verte s

absorbent d u CO 2 de latmosphegraver e afi n d e l e converti r e n glucos e e t e n dautre s substance s

indispensable agrave leu r survie Lor s d e l a respirafio n cellulair e l e glucos e es t laquobmleacute raquo pou r

produire d e leacutenergi e qu i ser t agrave mainteni r le s foncfion s vitale s de s veacutegeacutetau x (Campagna

1996) Les forecircts e t les algues marines sont les principaux reacuteservoir s vert s du CO2

Les forecirct s

Les arbre s duran t leu r croissance absorben t e t stocken t l e CO 2 de lai r jusquagrave c e qu e leu r

bois soi t brucircl eacute o u deacutecompos eacute naturellement Le s forecirct s contiennen t 8 0 d e l a biomass e

continentale (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s fonctionnen t donc duran t u n certai n temp s

comme de s puit s d e CO 2 e t contribuen t agrave reacuteduir e leffe t d e serre Un e forecirc t es t consideacutereacute e

comme pui s d e carbon e quan d ell e absorb e e t stock e l e CO 2 d e maniegraver e durabl e dan s l a

biomasse faisan t d e sort e qu e l a teneu r e n CO 2 d e latmosphegraver e diminue L a biomass e

aeacuterienne de s jeunes forecirct s agrave croissance rapid e fixe plus de gaz carbonique quell e nen rejett e

(Campagna 1996) Toutefois le s arbres mures des forecircts seacutequestren t tregrave s peu de CO2 Apregraves

une peacuteriode de 50 ans la forecirct es t consideacutereacutee mature

19

Ce nest pa s l e taux de fixation d u carbone qu i es t deacuteterminant mai s l e temps pendant leque l

il es t stock eacute dan s l a biomass e (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s e t le s autre s type s d e

veacutegeacutetation peuven t capte r e t transforme r entr e 2 0 e t 30 de s eacutemission s causeacutee s pa r la

combustion deacutenergie s fossiles e t cett e valeu r pourrai t encor e ecirctr e augmenteacute e pa r de s

reboisements Cependant o n admet que tous les puits de CO2 du monde seron t satureacute s dici agrave

2050 Pa r ailleurs le s puit s actuel s pourraien t auss i deveni r de s source s d e CO 2 s i

latmosphegravere devai t s e reacutechauffer Fischli n et al (2006 ) considegraver e que n ca s d e

reacutechauffement climatiqu e selo n le s modegraveles preacutevisionnels actuels le s peacuteriodes de seacutecheress e

(entraicircnant u n risqu e acc m dincendi e e t u n affaiblissemen t de s arbres) voir e le s tempecirctes

pourraient s e muhiplie r globalemen t e t localement dougrave entr e autres un e possibl e

augmentation de s attaque s pa r de s insectes Tou s ce s facteur s pourraien t fair e mouri r le s

arbres qui agrave leur tour une fois deacutecomposeacutes libeacutereront du CO2 dans latmosphegravere

Algues marine s

Les algue s marine s agrave l a surfac e de s oceacutean s jouen t u n rocircl e importan t dan s leacutecosystegravem e

marin Le s micros-algue s utilisen t le s rayon s d u solei l pou r leu r croissanc e eacutetan t donn eacute

quelles son t source s deacutenergi e e t permetten t d e transforme r l e CO 2 e n composant s

organiques (Herzo g et al 1997 Herzog 2001) Elle s repreacutesenten t l a base nutrifionnell e d e

la vi e marin e e t terrest e car elle s produisen t plu s d e 9 0 d e lactivit eacute photosyntheacutetiqu e

repreacutesentant pa r l e fai t mecircm e l a premiegravere sourc e doxygegravene su r la Terre Les expeacuteriences ont

deacutemontreacute qu e le s rendement s d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s algue s marines l e

zooplancton e t les bacteacuteries ont quadmpleacute suite agrave la fertilisation de s algues en ajoutant 800k g

de fe r su r un e surfac e d e 4 9 k m dan s loceacutea n Atlantiqu e Su d mai s ell e peu t repreacutesente r

certains dangers comme l e deacuteseacutequilibre de la flore marine (Herzog 2001)

La manipulatio n geacuteneacutetiqu e es t un e autr e voi e qu i permettr a au x algue s agrave augmente r leu r

pouvoir de seacutequestration d u CO2

20

Cette voie a eacuteteacute envisageacutee pour creacuteer des algues reacutesistantes agrave un environnement pauvr e en fe r

et ains i augmente r l a prolifeacuteratio n de s algue s marines mai s de s plante s marine s pouvan t

prolifeacuterer abondammen t dan s u n milie u carenc e e n fe r pourraien t induir e de s reacuteaction s e n

chaicircnes impreacutevisible s dan s le s eacutecosystegravemes marin s (Herzog 2001) Le s eacutetudes portant su r l a

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s son t beaucou p moin s

nombreuses

13 Seacutequestratio n d u CO2 par des mateacuteriaux alcalin s

Puisque l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s es t lobjecti f

principal d e l a preacutesent e eacutetude l a revu e deacutetailleacute e d e l a litteacuteratur e su r l e suje t es t preacutesenteacute e

dans cette section

Plusieurs recherche s (Lackne r et al 199 5 Stolarof f et al 200 5 Huijge n et al 2005 -

2006 Soong et al 200 6 Bonenfant et al 200 8 Montes-Hemandez et al 2008-2009 ) ont

proposeacute l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 comme un e altemativ e afi n reacuteduir e le s eacutemission s

de CO2 dans latmosphegravere e n ufilisant le s reacutesidus alcalins tels que les deacutechets municipaux le s

cendres volante s de s fours d e l a saumure le s deacutechet s d e beacuteto n e t d e ciment le s scorie s

dacier e t les boues de deacutesencrage des papeteries

131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriaux alcalins les fondement s

Lideacutee d e la seacutequestration mineacuteral e du CO2 a eacuteteacute lanceacutee par Seifritz e n 199 0 et a eacuteteacute eacutetudieacute en

en profondeur pa r Lackne r dan s les deacutebuts des anneacutees 90 Cette technologi e es t baseacutee su r un

pheacutenomegravene chimiqu e simpl e la formation d e carbonates stable s suit e agrave ladsorption d u CO2

par de s composeacute s alcalin s tel s qu e le s oxyde s d e calciu m (CaO ) e t d e magneacutesiu m (MgO )

(Lackner 1995) Les efforts le s plus consistants son t poseacutes su r linvention dun e technologi e

utilisant le s scorie s de s acieacuteries le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s e t le s mineacuterau x

alcalins tels que lolivine l a serpenfine l e wollostonite comm e matrice s afi n d e seacutequestrer l e

CO2

21

Quant agrave lutilisatio n de s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e

cimenteries son t dan s leur s premiegravere s phase s dessais E n fait i l exist e deu x type s d e

seacutequestration mineacuterale du CO2 ex-situ et in-situ

La seacutequestration ex-situ

Cette technologie es t appeleacutee ex-situ car on utilise les mineacuteraux alcalin s qui se trouvent dan s

la nature tel s que la serpentine lolivine l e wallostonite l e talc et c pou r l a seacutequestratio n d u

CO2 Linteacuterecirc t dutilise r le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalin s pou r l a seacutequestratio n

du CO 2 consiste dan s l e fai t qu e c e processus es t exothermiqu e e t qui l perme t l a formatio n

de carbonate s stable s (Lackner 199 5 Khoo e t Tan 2006 ) gracircc e agrave leur s teneur s eacuteleveacutee s e n

oxydes de magneacutesium (MgO ) et de calcium (CaO ) (Proctor et al 2000 ) comme l e deacutemontre

le tableau 12

La serpenfin e e t lolivin e ont eacutet eacute identifieacutee s pa r plusieur s (Beara t et al 2006 Kho o e t Tan

2006 Checircne al 2006 Huijge n et al 200 6 Krevor e t Lackner 200 9 Prigiobbe et al

2009) comme les mineacuteraux le s plus prometteurs agrave utiliser pour l a seacutequestration d u CO2 gracircce

agrave leurs pouvoirs alcalins et les quantiteacutes eacuteleveacutees quon trouve dans l a nature

Ces mineacuterau x doiven t ecirctr e transporteacute s pregrave s de s usine s eacutemettrice s d e CO 2 et broyeacute s avan t

decirctre utiliseacute s pour l a seacutequestration d u CO2 Le concept es t baseacute su r l e pheacutenomegravene nature l d e

lalteacuteration de s mineacuterau x alcalin s pa r l e CO 2 dan s leque l le s silicate s d e calciu m o u d e

magneacutesium son t transformeacute s e n carbonates L a carbonatatio n mineacuteral e engloban t tou s le s

mineacuteraux alcalin s es t preacutesenteacutee par les reacuteactions ci-dessous (Kho o et Tan 2006)

(Ca Mg)Si03(s) + C02(g) -gt (Ca Mg)C03(s) + Si02(s) + 90 kJmole (16 )

La reacuteactio n 1 6 deacutemontr e l e potentie l d e transforme r naturellemen t de s mineacuterau x riche s e n

silicates de magneacutesium e t de calcium en carbonates e t en silice

22

Tableau 12 La teneur en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Mateacuteriaux (mineacuterau x

alcalins)

Peridotite Dunit e (olivine )

Hazburgite

Lhezhorlite

Serpentine

Gabro

Basait

Talc

Wallastonite

Teneur en Mg O

masse

495

454

281

400

100

62

440

-

Teneur en CaO

masse

03

07

73

0

130

94

-

350

De tout e eacutevidence l a capacit eacute d e seacutequestre r l e CO 2 pou r le s reacutesidu s alcalin s deacutepen d

directement de la proportion des oxydes meacutetalliques de calcium et de magneacutesium (CaO et de

MgO) e t leur s hydroxyde s respectif s Ca(0H) 2 e t Mg(0H 2 contenue s dan s l a matric e de s

deacutechets (Montes-Hemandez et al 2009)

Dans de s condition s ideacuteale s e n suivan t l a reacuteacfio n 16 un e tonn e d e serpentin e peu t

seacutequestrer enviro n une demi-tonne de CO2 et une tonne de lolivine peu t seacutequestrer enviro n

deux fiers dune tonn e d e CO 2 (Khoo e t Tan 2006) L a reacuteaction es t exothermiqu e e t ell e

libegravere 90 kJmole de CO2 Le s eacutetudes deacutemontrent que le processus de carbonatation aqueuse

suit deu x eacutetapes a ) l a dissolutio n de s cafion s e n solutio n suiv i pa r b ) l a nucleacuteatio n e t l a

croissance des preacutecipiteacutes de carbonate (Park et Fan 2004 Maroto-Valer et al 200 5 Krevor

et Lackner 2009)L a raiso n principal e d e lutilisatio n d e ce s mineacuterau x es t labondanc e d e

ces derniers dans la nature

23

Les quanfiteacutes de serpentine en particulier son t largement disponibles dans le monde entier de te l poin t quo n peu t seacutequestre r tou t l e CO 2 qui peu t ecirctr e geacuteneacuter eacute agrave parti r d e toute s le s reacuteserves planeacutetaires en charbon Leur faible coucirct combineacute avec le caractegravere exothermique du processus d e carbonatation (reacuteacfio n 16 ) son t le s deu x principaux argument s qu i peuven t justifier l e deacuteveloppement d e ce proceacutedeacute au niveau industrie l (voi r figur e 14) Malgr eacute le s avantages deacutecrit s ci-dessus l a seacutequestratio n d u CO2 par l a carbonatatio n mineacuteral e es t un processus qu i est limiteacutee par l a lenteur de la reacuteaction de carbonatation e t notamment d e la lenteur d u taux d e dissolution de s silicate s dans des conditions faiblement acide s (Chen et al 2008)

^bulliltNr- -gtv v

Serpentine

r-^BoMWraquo iuml ^ Olivine

Pipeline

Vision 21 Power Plant bullwr

ww-

mdashp

1

te Minerai Carbonation Plant

AfSOk^KP^

^agnesItB amp Sillca Constructio n Mateacuteriel Industiial Reagents Mine Reacuteclamation

Figure 14 L a seacutequestration du CO2 par carbonatation mineacuterale Tireacute de Goldberg (2001 )

Le renforcement d e la vitesse de la dissolution a eacuteteacute identifieacute comm e lune des principales opportiiniteacutes pour la reacuteduction des coucircts directs de ce processus (Krevor et Lackner 2009) Les coucircts dutilisation d e ces mineacuteraux sont faibles mais les coucircts de transports eacuteleveacutes Ils peuvent donc limiter leur utilisation en grande eacutechelle pour la seacutequesti-ation du CO2 La consommation deacutenergi e associeacute e a u broyage de s mineacuteraux repreacutesenten t 7 5 du coucirct total de leacutenergie demandeacutee de tout le processus de seacutequestration du CO2

24

Ces coucirct s peuvent augmente r jusqu agrave 90 s i on vise agrave obtenir un e granulomeacutetri e d e moin s

de 75 mm (Krevo r e t Lackner 2009) De plus les mineacuteraux alcalin s ne se comportent pa s de

la mecircm e faccedilo n lor s l e processu s d e l a carbonatafion Le s serpentine s reacuteagissen t plu s

facilement tandi s qu e l a peridotit e es t l a plu s difficil e agrave carbonater Pou r avoi r de s

rendements satisfaisant s (4 0 agrave 8 0 ) d e carbonatation i l fau t augmente r l a tempeacuterature au -

dessus d e 150deg C et ajoute r de s solutions tampons telle s qu e l e chlorure d e sodium (NaCI ) et

bicarbonate d e sodiu m (NaHCOs ) o u ajoute r de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e acid e

chlorhydrique (HCl ) afi n dacceacuteleacutere r l a reacuteactio n d e formatio n de s carbonate s (Che n et al

2008)

La seacutequestration in-situ

Lutilisation de s reacutesidu s e t de s sous-produit s alcalin s issu s d e lactivit eacute industriell e de s

alumineries des acieacuteries e t des cimenteries est une autre altemative d e seacutequestration d u CO2

Ces mateacuteriau x alcalin s (boue s rouges scories poussiegravere s d e fou r e t cendre s volantes ) son t

produits pa r ce s usine s e t gracircc e agrave leur haute teneur e n Mg O e t CaO il s peuvent ecirctr e utiliseacute s

sur place (in-situ) pou r seacutequestrer l e CO2 eacutevitant ainsi le s coucircts de transport

Les boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouge s son t de s reacutesidus industriel s issu s du processus dextractio n daluminiu m agrave

partir d e l a bauxit e (proceacuted eacute Bayer) Ce s reacutesidu s (Doy e e t Duchesne 2003 ) on t u n p H

supeacuterieur agrave 1 2 et sont produit s agrave un taux de 2 tt daluminium commercialis eacute (Vacho n et al

1994) Le s boue s rouge s son t stockeacutee s soi t a u fon d de s oceacutean s (France Allemagne) soi t

preacutes des usines comme au Canada (Vachon et al 1994)

La production de s boues rouges en 2006 ses t chiffreacutee agrave 90 Mt dan s l e monde dont 3 Mt au

Canada e t o n preacutevoi t un e augmentatio n d e productio n d e 6 0 pa r deacutecenni e (Kharoun e et

al 2006) Le s grande s aluminerie s peuven t e n geacuteneacutere r jusqu agrave 67 5 00 0 tonne s pa r anneacute e

(Doye et Duchesne 2003)

25

Le tablea u 1 3 deacutemontr e qu e le s boue s rouge s on t un e teneu r eacuteleveacute e doxyd e d e calciu m

(CaO) et elles peuvent donc ecirctre ufiliseacutees afi n d e seacutequestrer l e CO2

Tableau 1 3 L a composition chimiqu e moyenne des boue s rouge s

Tireacute de Cabeza e t al (2003)

Composition en masse

AI2O3

10-20

CaO

2-8

FejOj

30-60

NazO

2-10

SiOz

3-50

TiOj

trace-10

Les scories des acieacuterie s

Lindustrie canadienn e d e lacieacuterag e constitu e l e secteu r l e plu s importan t d e l a meacutetallurgi e

du pay s (Mikhai l e t Aota 2006) Dix-sep t acieacuterie s exploiten t 2 1 usine s dan s hui t province s

canadiennes Dan s le s usine s inteacutegreacutees toute s situeacutee s e n Ontario de s haut s foumeau x

produisent d u fe r primair e agrave partir d e matiegraveres brute s comm e d u minera i d e fer d u charbo n

et de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006)

Les quatr e cateacutegorie s de s scorie s (Kharoun e et al 2006 ) deacutesigneacutee s selo n leu r proceacuted eacute d e

fabrication son t le s scorie s FO P (fou r agrave oxygegraven e pur) le s scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c

eacutelectrique) le s scorie s H F (hau t foumeau ) e t le s scorie s F P (fou r poche) Lutilisatio n de s

scories dan s l e bu t d e seacutequestre r l e CO 2 es t important e s i o n considegraver e qui l s e produi t

actuellement 1 4 Mt a u Canada 2 1 M t au x Eacutetat s Uni s e t 35 0 M t d e scorie s dan s l e mond e

dont 19 0 M t d e typ e H F (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e tonn e dacie r produit 02 8 agrave 1

tonne CO2 sont eacutemis dans latmosphegravere

Ce son t le s pH eacuteleveacute s (1 2 agrave 13 ) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxyde s meacutetallique s (Huijge n et

al 2005 ) le s raisons principale s d e lutilisatio n de s scories comm e substra t d e seacutequestratio n

du CO2 comme l e deacutemontre l e tableau 14

26

Tableau 1 4 La composition chimiqu e moyenne de s scorie s

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Composants (Vo en masse )

CaO Si02

A1203 MgO FeO MnO

Types de scorie s

FAEacute 30-40 10-20 lt10 lt10

15-35 lt10

FOP 42-52 9-13 05-3

1-8 15-35 3-10

FP 48-52 8-10 15-25 8-10 2-4 lt4

HF 39-42 33-39 9-13 6-9

0-01 01-05

Les scories FOP et FP sont plus riches en calcium qu e celle FAEacute tandis que les scories FP

sont plus riches on oxyde daluminium Le s teneurs en meacutetaux lourd s sont faibles pou r les

trois types de scories eacutetudieacutees

Les poussiegraveres de four des cimenterie s

Les poussiegravere s d e fou r d e cimenterie connue s auss i sou s l e no m d e laquo ceacutemen t kil n dus t raquo

(CKD) son t de s reacutesidu s industriel s reacutecupeacutereacute s pa r le s filtres eacutelectrostatique s lor s d e l a

fabrication d u clinke r (Doy e e t Duchesne 2003) Geacuteneacuteralement 1-1 5 tonne s d e calcair e e t

de 0 5 tonne s d e charbo n son t utiliseacute s pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e clinker L a

consommation deacutenergi e pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e cimen t seacutelegravev e agrave 4000 M J dont

pregraves de 80 est dorigine thermiqu e e t le reste de leacutenergie eacutelectrique E n outre 08-1 tonn e

de CO 2 est eacutemis e dan s latmosphegraver e pa r tonn e d e clinke r produit e (Kuma r et al 2006) L a

production mondial e des CKD seacutelegraveve agrave 30 millions de tonnes Une tregraves faible proportio n (15

) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x dan s le s industrie s agricole s e t d e l a

construction (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003)

Il fau t note r qu e jusque agrave l a fin des anneacutees 9 0 pregraves d e 4 millions d e CK D s e retrouvaient e n

tas ou dans des eacutetangs agrave cocircteacute des usines en Ameacuterique du Nord (Doy e e t Duchesne 2003) De

nos jours presqu e toute s le s CK D son t recycle s dan s l e processu s d e fabricatio n d u cimen t

(Huntzinger 2009)

27

Le tableau 1 5 deacutemontr e qu e le s CK D son t rich e e n oxyde s d e calcium Elle s possegraveden t u n

potentiel ne t d e neutralisatio n tregrave s eacutelev eacute (42 6 k g CaC03t) u n p H d e 126 un e reacuteserv e

importante e n sulfate s (10 3 SO4 ) ains i qu e de s concentration s e n meacutetau x lourd s plu s o u

moins importantes de lordre d e ppm tels que Cr Pb et Zn (Doye e t Duchesne 2003)

Tableau 1 5 La composifion chimiqu e moyenne des CK D

Tireacute de Corish et Coleman (1995)

Composition en mass e

Poussiegraveres d e four (CKD )

AI2O3

3-6

CaO

38-50

FczO

1-4

MgO

0-2

NaO

0-2

SiOj

11-16

Les cendres volante s

Les cendres volante s repreacutesenten t de s reacutesidus tregraves fins issus entre autre s de la combustion d u

charbon pulveacuteris eacute e t pouss eacute dan s l a chambr e d e combustio n du n fou r pa r de s ga z

deacutechappement Le s cendre s volante s son t classifieacutee s selo n leur s teneur s e n Ca O e t d u typ e

du charbon brucircl eacute (voi r tableau 16) e n deux classes F et C (Biemacki et al 2007)

Les cendres volantes de classe F confiennent moin s de 1 0 de CaO et sont utiliseacutees pou r la

fertilisation de s sols Le s cendres volante s d e classe C contiennent plu s d e 1 0 de CaO e t

elles son t plu s communeacutemen t utiliseacutee s pou r l a fabricatio n d u beacuteto n (Montes-Hernande z et

al 2009)

La production de s cendres volantes seacutelevait agrave 4800000 tonnes a travers l e Canada en 2001

dont 450000 tonnes on t eacuteteacute utiliseacutees pour la fabrication d u ciment (Bouzouba a e t Foumier

2003)

28

Tableau 1 6 La composition chimiqu e des cendres volante s

Tireacute de Soong et al (2006 )

Composition masse

Sulfur

0-002

C

0-15

AI2O3

59-187

CaO

18-29

Fe203

5-85

K2O

03-24

MgO

14-64

NazO

06-55

Si02

14-516

En Europe e t selo n le s anneacutees de 2 agrave 3 Mt de cendres volantes su r une production total e d e

43 M t son t utiliseacutee s dan s l a constructio n d e route s soi t u n tau x dutilisatio n globa l dan s c e

secteur dactiviteacute d e 8

On enregistre actuellemen t 7 Mt en Australie 70 8 M t (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003 ) au x

Eacutetats Unis de s centaine s de s meacutegatonne s e n Chin e e t 10 0 M t dan s de s deacutecharge s e n Inde s

(Kumar et al 2005) Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestre r jusquagrave 2 6 kg de CO2

(Montes-Hemandez ea 2009)

Il exist e deu x type s d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s industriel s alcalin s l a

carbonatation direct e e t la carbonatation indirect e des oxydes meacutetalliques

A) L a carbonatation direct e

Ce proceacuted eacute perme t dinjecte r d u CO 2 gazeu x directemen t su r de s reacutesidu s alcalin s agrave leacuteta t

solides L e CO2 reacuteagit ave c le s oxydes meacutetalliques d e CaO e t MgO et formes de s carbonate s

stables selon les eacutequations suivante s (Lackner et al 1995)

CaO + CO2 -^ CaC0 3 + 17 9 kJmole

MgO + CO2 -gt MgC0 3 + 11 8 kJmole

(17)

(18)

Pour c e typ e d e seacutequestratio n le s quantiteacute s d e Ca O e t d e Mg O neacutecessaire s pou r lie r l e CO2

produit par la combustion dun e tonn e de carbone son t respectivement d e 47 et 34 tonnes

29

B) Carbonatatio n de s oxydes meacutetalliques en milieux aqueu x acide s

La seacutequestratio n indirect e d u CO2 soit l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s

alcalins e n milieu x aqueu x basiques es t l a meacutethod e l a plu s eacutetudieacutee Mecircm e s i leacutetud e de s

meacutecanismes qu i reacutegissen t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s n e fai t pa s parti e de s

objectifs d e ce meacutemoire i l importe de deacutecrire briegravevement le s principaux meacutecanisme s afi n d e

mieux comprendr e c e processus Dun e faccedilo n plu s deacutetailleacutee l a carbonatatio n s e deacuteroule e n

cinq eacutetapes 1) La diffusion d u Ca sur la surface de s particules de l a scorie 2) l a dissolutio n

du C a dan s l a solution 3 ) l a dissolufio n d u CO2 4 ) l a conversio n d u CO 2 dissou t e n ion s

bicarbonate e t 5) la preacutecipitation du CaC03 (Huijgen et al 2005)

Le CO 2 reacuteagi t ave c d e lea u e t form e d e lacid e carboniqu e (H2CO3 ) selo n le s eacutequation s

suivantes (lizuka et al 2004 )

CO2 + H2O ^ H2CO 3 (19 )

H2CO3 ^ H ^ + HCO3 (110 )

H C 0 3 ^ H ^ + C03^ (111 )

Le CaO peut eacutegalemen t reacuteagi r avec lea u pou r produire des cations calcium selo n l a reacuteaction

suivante (Huijgen e t Comans 2003)

CaO + H2O ^ Ca^ ^ + 2 OH (111 )

Tous le s produit s de s reacuteaction s 1 9 agrave 11 2 peuven t reacuteagi r ave c l e CO 2 pou r forme r de s

carbonates L a reacuteactio n entr e ce s oxydes l e CO 2 e t lea u a pou r reacutesulta t l a formatio n de s

monocarbonates e t bicarbonates (Bonenfan t et al1006 Soon g et al 2006)

Hujgen et al (2006 ) on t deacutetermin eacute le s meacutecanisme s reacuteacfionnel s d e Ca-carbonatatio n

(modegravele geacuteothermique ) comm e sui t

Ca(0H)2 + CO 2 - ^ CaC0 3 + H2 O (113 ) portlandite calcit e

30

Ca6(Al)2(OH)2(S04)326 H2O + 6H2O -gt 6CaC03 + 2A1^^ +3S04^- + 32H2O (114 ) ettringite calcit e

Ca-silicate (CSH) + CO2 CaC0 3 (calcite) +Si02 (partiel ) (L15 )

Reacuteactions 1 9 agrave 11 1 repreacutesenten t l a dissociatio n d e l a dissolutio n CO 2 dan s leau le s

reacuteactions d e 11 2 et 11 3 repreacutesentent lextracfio n de s ions calciu m de s reacutesidu s alcalins Le s

reacuteactions 11 4 e t 11 5 repreacutesentent l a preacutecipitation d u carbonate d e calcium

Le meacutecanisme reacuteactionne l d u CO2 avec le MgO en milieu aqueux es t semblable agrave celui de

CaO (Femacircndezera 1999)

C02(g) + H20(l) ^ C02(aq ) (L16 )

MgO(s) + H20(l) - Mg(0H)2(s ) (117 )

C02(aq)--C02(i) (118 )

CO2 + Mg(0H)2(s) + (n-1 ) H20(aq) ^ MgC0 3 nH20(s) (119 )

MgC03 nH20(s) + CO2 ^ Mg^ ^ (i)+ 2 HCO^Xi) + (n-1) H2O (120 )

Mg^^i) + 2 HC03- (i) -^ M g q ) + 2 HCO^(aq) (1-21 )

ougrave le C02(i) le Mg^(i) et le HCO(i) son t les produits formeacutes eto u adsorbeacutes agrave linterface

La reacuteaction 12 0 ougrave l e carbonate d e magneacutesium form eacute agrave la surfac e de s particules reacuteagi t ave c

le CO2 pour forme r d u bicarbonate d e magneacutesium repreacutesent e leacutetap e l a plus importante d e ce

meacutecanisme

Toutefois lorsqu e l a concentration d e Mg O e n solutio n excegraved e 05 5 gL l a preacutecipitation d u

carbonate de magneacutesium peu t devenir l a reacuteaction dominante (Evan s et St-Clair 1949)

Les reacuteaction s 1 9 agrave 12 1 deacutemontren t qu e c e processu s s e produi t spontaneacutement san s

neacutecessiter de la chaleur

31

Dun poin t d e vu e thermodynamique l e maximu m d e conversio n d e calciu m conten u dan s

les reacutesidu s alcalin s deacutepen d d e deu x facteurs l a solubilit eacute de s ion s d u calciu m dan s l e

processus dextractio n e t d e l a solubilit eacute de s ion s calciu m dan s l a preacutecipitation L e produi t

net d e l a productio n d e CaC03 deacutepen d d e l a diffeacuterenc e d e solubilit eacute entr e l e processu s

dextraction e t celui de la preacutecipitation (lizuk a et al 2004)

132 Leffe t de s variables sur la carbonatatio n

Plusieurs variable s affecten t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s e t sous -

produits alcalins Nombreux chercheur s ont eacutetudieacute leffe t de s variable s su r l e processus de la

carbonatation (Stolarof f e al 2003 Druckenmille r e t Maroto-Valera 2005 Maroto-Valer a

et al 2005 Stolarof f e r al 2003 Hujge n et al 2003-2006 Bonenfan t 2008) Leffe t de s

variables su r l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s basique s e n solutio n peu t ecirctr e seacutepar eacute

en deux cateacutegories

Variables affectan t l a solubiliteacute du C02dans lea u

Le pH la tempeacuterature e t la saliniteacute de leau ains i que la pression partielle du CO2 ont un effe t

direct su r l a solubiliteacute du CO2 dans leau Plu s le pH est basique plus l a solubiliteacute du CO2 est

eacuteleveacutee L a solubilit eacute d u CO 2 se fai t selo n l a lo i dHenr y pou r de s pression s supeacuterieure s agrave 5

atm (Vas Bhat 2000)

[C02]aq=KHpC02= 0032 pC02 (122 )

KH es t l e coefficien t d e solubilit eacute o u constant e dHem y d u CO 2 qu i es t deacutependant e d e l a

tempeacuterature e t de la saliniteacute et pC02 est la pression partielle du CO2

32

Lapproche d e Setcheno w qu i illustr e linfluenc e de s sel s su r l a solubilit eacute d u CO 2 peu t

sappliquer agrave diffeacuterents sel s mineacuterales comme sui t

X = xO exp(-Acirc) (123 )

ougrave X e t xO sont le s fracfions molaire s d u gaz acide dans lea u pur e e t dans l a solution saline

K es t la constante de Setchenow e t I est la force ioniqu e du sel

Variables affectan t directemen t l a carbonatation de s oxydes meacutetallique s basique s en solution

La granulomeacutetri e de s particules l a concentratio n (rati o solideliquide ) doxyd e meacutetalliqu e

dans l a solution l e temps la tempeacuterature d e reacuteaction l a pression partiell e e t le deacutebit du CO2

ainsi qu e l a vitesse d e brassag e d e l a solutio n son t le s variables qu i influencen t directemen t

la carbonatation de s oxydes meacutetalliques basiques en solution

Il fau t note r qu e l a vitess e d e brassag e nes t pa s influenceacute e e t ninfluenc e pa s le s autre s

variables lors le processus de carbonatation

Granulomeacutetrie de s particule s

La granulomeacutetri e de s particule s joue u n rocircl e tregrave s importan t su r l a carbonatatio n de s oxyde s

meacutetalliques Le s eacutetude s d e Hujge n et al (2006) Bonenfan t et al (2008) Baciocch i et al

(2009) on t deacutemontreacute s qu e le s quantiteacutes de s carbonate s e t des silicate s d e magneacutesium eacutetaien t

plus eacuteleveacute s agrave de s granulomeacutetrie s d e scorie s e t d e wallastonit e lt 38pm L a conversio n d u

CaO d e scorie s dacieacuterie s e n carbonate s pass e d e 2 4 agrave 74 lorsqu e l a granulomeacutetri e de s

particules diminu e d e lt 2 mm agrave lt 38 pm Reacuteduire la granulomeacutetrie pa r deux peu t augmente r

la conversion d e 32 agrave 62 (Hujgen 2005)

Vitesse de brassage

La conversio n d e CO 2 e n carbonate s nes t pa s influenceacute e pa r l a vitess e d e brassag e gt 50 0

rpm (Hujge n et al 2006 ) mais peu t empecircche r l a preacutecipitatio n d u Mg O (Femacircnde z et al

1999) E n revanche baisse r l a vitess e d e brassag e d e 50 0 agrave 10 0 rp m reacutesult e e n un e

diminution marqueacute e de la conversion de CO2 en carbonates (Hujge n et al 2006)

33

Ratio solideliquide (LS )

Plus l a solution es t dilueacutee plus l a conversion d u CO2 en carbonates es t eacuteleveacutee (Hujgen et al

2006 Bonenfan t et al 2008) Autremen t dh plu s l e rafi o L S es t eacutelev eacute plus l e degr eacute d e

carbonatation es t eacuteleveacutee Toutefois leffe t d e c e paramegravetr e su r l a carbonatatio n deacutepen d de s

autres paramegravetre s tel s qu e l a tempeacuteratur e e t l a pressio n d e lexpeacuterimentatio n (Baciocch i et

al 2009)

La tempeacuterature e t la pression du CO

Ces deu x variable s son t tregrave s lieacutee s lun e agrave lautre L a tempeacuteratur e peu t avoi r de s effet s

contradictoires su r l a carbonatation Agrave haute tempeacuterature l a lixiviatio n d u C a d e l a matric e

peut ecirctr e tregraves rapide mais l a solubiliteacute d u CO2 dans l a solution peu t diminue r (Hujge n et al

2005) Agrave un e pressio n d e 2 0 bar s d e CO 2 l a carbonatafio n augment e s i l a tempeacuteratur e n e

deacutepasse pa s le s 15O C e t attein t so n maximu m agrave 200C L a conversio n diminu e abruptemen t

au-dessus d e 200C C e reacutesulta t es t d ucirc au x effet s contradictoire s d e l a tempeacuteratur e

laugmentation d e l a tempeacuterature augment e l a vitesse de reacuteaction e t l e transfert d e masse de s

ions d e calciu m (lixiviation ) mais d e lautr e coteacute ell e provoqu e l a baiss e de s ion s

bicarbonate dan s lea u (Montes-Hemande z et al 2009) L a formatio n de s carbonate s es t

plus eacuteleveacutee aux basses pressions et agrave de hautes tempeacuteratures (Och s et al 1998)

133 Cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2

La cineacutetique dadsorptio n d u CO 2 deacutepend comm e o n vien t d e voir d e plusieur s paramegravetres

La vitesse d e reacuteaction deacutepen d grandemen t d e la tempeacuterature e t de l a pression (Huijge n et al

2006) Alor s qu e l a premiegraver e eacutetap e es t rapid e e t caracteacuteriseacute e pa r la formatio n d e CaCO j e n

quantiteacute relativement importante l a seconde eacutetape est plus lente (Gmpta e t Fan 2002)

En effet l e CaC0 3 form eacute preacutealablemen t dan s l a premiegraver e eacutetape constitu e un e barriegraver e qu i

gecircne la reacuteactio n d u Ca O disponibl e ave c l e CO 2 D e c e fait ladsorptio n d u CO 2 se trouv e

limiteacutee

34

Par conseacutequent l e pheacutenomegravene d e diffusion de s composants chimique s agrave travers l a couche d e

CaC03 form eacute constitu e u n paramegravetr e cl eacute qu i gouvern e l a cineacutetiqu e d e l a second e eacutetape L e

processus de lixiviation influenc e don c le degreacute de carbonatation L e transfert d e masse dans

les pores d u solid e es t difficil e agrave eacutevaluer selo n Ochsenkuhn-Petroloulo u et al (2002) car i l

est impossibl e d e deacutefini r l a form e de s canau x empmnteacute s pa r l a mafiegravere O n peu t toutefois

selon ce s auteurs obteni r un e esfimatio n approximativ e d u transfer t de s particule s dan s l a

solution agrave laide d e leacutequation suivant e

Dnidt=kA(Cs-c)b (124 )

ou

A est Faire de linterface solide-liquid e

b est leacutepaisseur d u film entourant le s particules

c est la concentration (mv ) du soluteacute

t est le temps

Cs est la concentration d e la solution satureacutee en contacte avec les particules

m est l a masse des particules transfeacutereacutees dan s le temps t

k es t le coefficient d e diffusion

Lair d e linterfac e solide-liquid e es t proportionne l au x nombre s de s particule s solide s dan s

la solution e t l e ratio L S es t l a fraction d e lair e speacutecifiqu e de s particule s d u reacutesid u alcali n

qui participent dan s l e processus de lixiviafion (Ochsenkuhn-Petroloulo u et al 2002) Ainsi

la taille de s pore s d e Ca O e t leu r distributio n deviennen t de s facteur s important s quan t agrave l a

conversion d e Ca O e n CaC03 A ce propos des performance s d e conversio n d e 7 0 e t 8 2

ont eacutet eacute reacutealiseacutees pa r Bhati a an d Perlmutte r (1983 ) e t Mess et al (1999 ) respecfivement pou r

des granulomeacutetries de 81-173pm et 15-2 0 pm

35

Pour exprime r d e faccedilo n apparent e l a cineacutetiqu e d e cett e conversio n d e Ca O e n CaC03 u n

modegravele matheacutematique a eacuteteacute proposeacute par Lee (2004)

X = k b t(b+t) e t dXdt - k (1-XXu)^ (125 )

ougrave X e t X u son t l a conversio n e t l a conversio n ultim e d e CaO k es t un e constant e d e l a

vitesse de cineacutetique b est le temp s neacutecessaire atteindre Xu2 e t t est l e temps

Pour deacutecrir e l a vhess e d e conversio n d e Mg O e n MgC03 u n modegravel e matheacutematiqu e a eacutet eacute

proposeacute par Femacircndez et al (1999 )

kt= l-(l-XMgO)^ ^ (126 )

ougrave XMgO repreacutesente l a conversion d e MgO k est une constante de la vitesse d e cineacutetique

t est le temps

Lors de ces reacuteactions l e CO2 sattache chimiquemen t agrave l a surface de s oxydes meacutetalliques d e

MgO CaO Ti0 2 pou r forme r de s unidentate s dan s l e ca s d e Ca O (Aurou x e t Gervasini

1990) e t d e unidentates (u n seu l atom e es t donneur deacutelectrons ) e t bidentate s (deu x atome s

sont des donneurs deacutelectrons) dan s le cas de MgO et de Ti02 (Udovic e t Dumestic 1984)

Laluminium es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quanfiteacute s dan s le s solution s de s boue s rouges

mais i l form e beaucou p moin s d e carbonate s compareacute s au x Ca O e t MgO Coolin g et al

(2002) ont deacutemontr eacute qu e l a soude caustiqu e e t l e TCA-6 ( 3 Ca(0H)2 2 A1(0H)3) adsorben t

respectivement 29 0 e t 469 du CO2 adsorbeacute par le s boues rouges L e Si02 ne forment pa s

de carbonates mecircm e si l adsorb e un e bonne quantit eacute d e CO 2 (Ueno e t Bennet t 1978 Bal et

al 2001) E n revanche le s bicarbonates s e formen t suit e agrave ladsorption d u CO 2 sur les site s

acides fort s de s oxyde s selo n u n meacutecanism e d u typ e Langmuir-Hinshellwood Ce s

meacutecanismes impliquen t lisotherm e d e Langmuir (cas I et III)

36

Cette isotherm e peu t ecirctr e deacutecrite en termes de taux d e reacuteaction agrave la surface d e ladsorban t O

(Erzeng 2006)

0 = nombre de sites dadsorption occupeacute s (L27 ) nombre de sites dadsorpfion disponible s

O = 0 ~ l

Ce meacutecanism e (Langmuir-Hinshellwood ) sappliqu e dan s l e ca s d e ladsorpfio n d e deu x

reacuteactifs su r une surface san s dissociation

A(g) + B(g) ^ A(ads ) + B(ads) -^ Produi t (128 )

La vitesse de cette reacuteaction est donneacutee par

ri = k [A] [B] = k copyAO B (129 )

Lisotherme d e Langmuir sapplique comm e sui t

copyA = BOAPA +BOAPA+BOBPB (130 )

copyB=BOBPB1+BOAP)+BOBP5 (131 )

ougrave B est le coefficient dadsorptio n ( A et B) et PA et PB le s pressions partielles de A et B

La vitesse deacuteriveacutee de lisotherme d e Langmuir cas III sillustr e comm e sui t

r = kBoABoB^sl +BOAPA + BOBPB (132 )

De no s jours aucun e eacutetud e n a eacutelucid eacute complegravetemen t le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t

ladsorption d u CO 2 en milieu x aqueu x de s oxyde s meacutetallique s basique s preacutesent s dan s le s

scories dacieacuterie s (Bonenfant 2008) U n nombr e importan t d e variable s peu t ralenti r o u

acceacuteleacuterer l a vitesse de la reacuteaction de ladsorption d u CO2

37

Plusieurs meacutethode s on t eacutet eacute examineacutee s jusqu agrave preacutesen t pa r le s chercheur s y compri s

laugmentation d e la surfac e de s particule s d e roch e pa r pulveacuterisation lutilisatio n d e

catalyseurs d e reacuteactio n tel s qu e lacid e chlorhydrique lacid e aceacutetiqu e o u hydroxyd e d e

lithium de s solution s tampon s telle s qu e bicarbonat e d e sodiu m e t l e carbonat e d e fe r

(Krevor e t Lackner 2009 ) e t des tempeacuteratures e t de s pressions eacuteleveacutee s o ugrave l e CO2 est en eacuteta t

supercritique (lizuk a et al 2004) Prigiobb e et al (2009 ) on t remarqu eacute qu e le s sel s

inorganiques tels que NaCl NaHCOs et KHCO3 ont ameacutelioreacute l a carbonatafion de s silicates

Ils ont concl u qu e l a variation d u pH peu t influence r l a dissolution d u CO 2 dans l a solufion

En revanche l a variafio n de s tau x d e HCl d e LiO H o u d e l a salinit eacute a produi t u n

changement dan s l a valeu r d u p H c e qu i agrave so n tou r condui t agrave un changemen t d u tau x d e l a

dissolution d u CO 2 mais i l n y avai t pa s d e preuve s du n effe t direc t e t indeacutependan t d e ce s

paramegravetres su r le taux de dissolution d u CO2

La variatio n d e p H n a pa s l a mecircm e influenc e su r toute s le s matrice s alcalines Lolivin e

semble decirctre l e mineacuteral alcali n l e plus influenceacute pa r l a variation d u pH s i on parle en termes

de dissolutio n d u CO2 I l n y a pa s deffe t dinhibitio n su r l a dissolutio n d u CO 2 agrave u n p H

supeacuterieur agrave 5 Ce constat es t important car agrave ces valeurs de pH e t agrave des tempeacuteratures d e 25 agrave

150 C le s preacutecipitations d e carbonates son t les plus eacuteleveacutees (Prigiobbe et al 2009) Lorsque

le pH de ce systegraveme es t presque neutre la dissolution d u CO2 est lente e t donc la dissolutio n

des mineacuteraux dans ces conditions es t moindre (Krevor e t Lackner 2009)

Liu et al (2005 ) ont deacutevelopp eacute un e meacutethode biomeacutetrique dan s laquell e lenzym e anhydras e

carbonique jou e l e rocircl e d e catalyseu r biologique Le s reacutesultat s obtenu s on t deacutemontr eacute qu e

lenzyme a acceacuteleacutereacute l a carbonatation de s oxydes meacutetalliques dans le milieu aqueux

En conclusion plusieur s paramegravetre s influence s l a cineacutefiqu e dadsorptio n d u CO 2 e t l a

formation de s carbonates C e son t donc laugmentatio n d e l a tempeacuterature d u rappor t LS

du temps de reacuteaction e t de l a pression partiell e d u CO2 les principaux facteur s qu i favorisen t

la conversion d u Ca en carbonates

38

134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s

Les boues rouge s des aluminerie s

La production de s boues rouges en 2006 sest chiffreacutee agrave 90 millions de tonnes dans le monde

dont troi s million s d e tonnes au Canada e t on preacutevoit un e augmentatio n d e production d e 6 0

par deacutecennie (Kumar et al 2006)

Le stockag e de s boue s rouge s repreacutesent e no n seulemen t u n problegravem e eacuteconomique agrave caus e

des coucirct s d e preacuteparatio n e t d e maintenanc e de s sites mai s auss i u n problegravem e

environnemental d ucirc agrave leur nature caustique

Les boues rouges son t ufiliseacutees dan s les domaines de (Sglavo et al 2000 Gupta et al 2001

Brunori et al 2005 Li et al 2006 )

constmction de s routes agrave cause de leur soliditeacute et de leur durabiliteacute

production d u ciment agrave cause de leur reacutesistance au gel et leur bas prix

fertilisation de s sols gracircce agrave leur teneur eacuteleveacutee en potassium e t en phosphate

extraction des oxydes de fer de scandium de plomb et de titan

fabrication d e ceacuteramique

neutralisation de s eaux des mines et des sites contamineacutes

Les scories des acieacuterie s

Lutilisation de s scorie s dans l e but de seacutequestrer l e CO2 est important e s i on considegravere qui l

se produi t actuellemen t 1 4 million s d e tonne s a u Canada 2 1 million s d e tonne s au x Eacutetat s

Unis e t 35 0 million s d e tonnes de scorie s dans l e monde (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e

tonne dacie r produit 02 8 agrave 1 tonne CO 2 son t eacutemi s dan s latmosphegravere Le s scorie s son t

utiliseacutees dan s plusieurs domaine s de leacuteconomie Le s principales ufilisation s de s scories son t

dans l e domain e d e l a constructio n (bitume ) e t comm e mateacuteriau x d e rembla i (Kharoune

2006) Des technique s reacutecente s permetten t l a reacutecupeacuteratio n d u phosphor e de s eau x useacutee s

(Soulard 2001)

39

Les scorie s d e typ e F P (Fou r Poche ) son t certifi eacute pou r u n usag e comm e amendemen t

calcique de s sol s (Procto r et al 2000) Dautre s utilisation s connue s de s scorie s son t dan s

les domaine s d e neutralisatio n de s eau x d e drainag e de s mines contr e leacuterosio n de s sols

comme mateacuterie l d e drainag e e t dadsorptio n de s meacutetau x lourds Mecircm e s i plusieur s

utilisations de s scorie s son t reacutepertorieacutees actuellemen t plusieur s dizaine s d e million s d e

tonnes de scories se trouvent accumuleacutee s su r des terrains partout dans l e monde

Les poussiegraveres de four des cimenteries (CKD )

La production mondial e de s CKD seacutelegravev e agrave 30 millions d e tonnes (Konsta-Gdouto s e t Shah

2003) Un e tregrave s faibl e proportio n (1 5 ) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x

dans le s industrie s agricole s e t d e l a construction Un e bonn e parti e (jusqu agrave 6 7 ) es t

reacuteutiliseacutee dan s le s fours d e production d u ciment e t le reste des CKD s e retrouvent e n pile ou

dans de s eacutetangs agrave proximiteacute de s usines On esfime agrave quatre million s d e tonnes d e poussiegravere s

accumuleacutees en Ameacuterique du Nord (Van Hoss et Padovani 2003)

Gracircce agrave leu r teneu r eacuteleveacute e e n calciu m e t potassiu m le s CK D son t tregrave s utiliseacutee s dan s l a

fertilisation de s sol s e t l a stabilisafio n de s eau x useacutee s e t de s boue s de s station s deacutepuration

Les CK D son t eacutegalemen t ufiliseacutee s avec succegrave s comm e remplissan t bitumineu x dan s l e

pavage e t l a toitur e dasphalte E n outre le s CK D e t le s cendre s volante s carbonate s

(utiliseacutees pour la seacutequestration du CO2) sont riches en carbonate d e calcium (CaC03 ) et de ce

fait elle s peuven t ecirctr e reacuteutiliseacutee s comm e mafiegravere s premiegravere s dan s l a fabricatio n d u ciment

Dans c e cas l e processu s d e carbonatatio n peu t ecirctr e consideacuter eacute comm e u n processu s d e

recyclage du ciment (lizuka et al 2004)

Les cendres volantes de s cimenterie s

Aux Eacutetat s Unies 708 millions de tonnes de cendres volante s d e tout genr e ont eacuteteacute produite s

en 2004 Preacutes de 40 de ces reacutesidus son t utiliseacutes comme additi f de ciment (Biemack i et al

2007) dan s de s bloc s d e maccedilonnerie comm e mateacuterie l e n alliage s leacutegers comm e matiegravere s

dagreacutegation fluides dan s l a chausseacuteeconstruction d e piste et comm e granule s de toiture

40

La plu s grand e applicafio n de s cendre s volante s es t dan s l e ciment bie n que d e nouvelle s

ufilisations creacuteatrice s pou r le s cendre s volante s soien t activemen t chercheacutee s (Konsta -

Gdoutos et Shah 2003 Kim 2004)

Pour l a peacuteriod e 200 3 agrave 2005 les centrales alimenteacutee s a u charbo n a u Canad a on t produi t e n

moyenne 45 2 M t de cendres volante s pa r anneacutee (Panagapko 2005) Dans lensemble 2 8

des cendre s volante s ont eacutet eacute reacuteutiliseacutes L e gyps e syntheacutetiqu e entr e dan s l a fabricatio n d e

panneaux d e placoplacirctre e t est utiliseacute agrave titre dadditif agrave ciment (Panagapko 2005) En Inde la

production d e cendre s volante s es t supeacuterieur e agrave 11 0 millions d e tonne s pa r a n e t seulemen t

20-25 de ces reacutesidus sont utiliseacutes agrave la fabrication d u ciment (Kumar et al 2005)

Reacutecemment Soon g et al (2006 ) on t propos eacute lutilisatio n de s cendre s volante s e t de s

solutions d e saumur e afi n d e seacutequestre r l e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuterale E n Europ e e t

selon le s anneacutees de 2 agrave 3 millions d e tonnes d e cendres volantes su r un e productio n total e

de 43 millions son t utiliseacutees en constructions d e routes soi t un taux dutilisatio n globa l dan s

ce secteur dactiviteacute d e 8

CHAPITRE 2

MATEacuteRIEL E T MEacuteTHODE S

Ce chapitr e preacutesent e l a meacutethodologie suivi e e t le s critegravere s d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacute s

lors d u projet boue s rouge s de s alumineries scorie s de s acieacuteries poussiegravere s d e fou r e t le s

cendres volantes des cimenteries

21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacute s

Des critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n on t eacutet eacute appliqueacute s pou r chacu n de s mateacuteriau x

cibleacutes Pa r critegravere s d e preacuteseacutelection o n sous-enten d tout e proprieacutet eacute physiqu e d e reacutesidu s

susceptible agrave preacutesente r de s danger s pou r l a sant eacute humain e telle s qu e de s odeur s

nauseacuteabondes deacutegagemen t d e ga z toxiques etc Le s reacutesidu s industriel s demandan t de s

proceacutedeacutes suppleacutementaire s afi n d e le s rendre non-toxique s o u ufilisable s avan t d e le s ufilise r

au laboratoir e on t eacutet eacute eacutecarteacute s d e l a preacutesent e eacutetude L a teneu r e n oxyde s meacutetallique s (CaO

MgO Si2 0 etc) l a teneu r e n meacutetau x lourd s (lixiviation) l e pH l a conductiviteacute l a

granulomeacutetrie son t le s principau x critegravere s d e seacutelectio n de s reacutesidus Huit reacutesidu s e t sous -

produits alcalin s ont eacuteteacute choisis pour reacutealiser leacutetud e su r l a seacutequestration d u CO2 deux type s

de boue s rouge s (humide s e t segraveches) trois types d e scorie s (FAEacute HF FP ) e t deu x type s d e

reacutesidus des cimenteries (poussiegraveres de four cendre s volantes)

211 Le s boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouges on t eacuteteacute foumies pa r Alcan Inc (Vaudreuil Queacutebec Canada) stockeacutee s dan s

des conteneur s hermeacutetiquemen t fermeacute s agrave 2 2 C L a couleu r roug e (Figur e 21 ) es t du e agrave l a

forte teneu r e n fe r e t so n p H eacutelev eacute es t l a conseacutequenc e d u traitemen t d e l a bauxit e agrave

lhydroxyde d e sodium (NaOH)

42

Boues rouge s humides

Boues rouge s segraveches

Figure 21 Photos des boues rouges humides et segraveches

Les boues rouges ont une granulomeacutetrie tregraves fine comprise entre 01 agrave 1000 pm une surface speacutecifique d e 1 0 agrave 4 0 m g e t un e mass e volum e trique qu i vari e d e 3 0 agrave 3 5 gcm ^ (Bonenfant et al 2006) Les boues rouges humides ont une sicciteacute de 50

Tableau 21 La composition chimique moyenne des boue s rouges Tireacute de Bonenfant (2006)

Composition en masse

Boues rouges

humides Boues rouges segraveches

AI2O3

193

19

CaO

58

77

FczOj

352

335

MgO

07

08

Na20

143

8

S1O2

53

96

43

Les oxydes preacutesenteacute s au tableau 21 font parti e des principales phases ( Hind et al 1999 Coolmg et al 2002 Cabeza et al 2003 ) comm e la portlandite (Ca (0H)2) le carbonate de sodium (Na2C03) le naal (0H)4 Na6[AlSi04]6 la cristalline dheacutematite (Fe203) la goethite (a-FeOOH) la gibbsite (Al (0H)3) la boehmite (y-AlOOH) la sodalite (Na4Al3Si30i2Cl) la anastase (Ti02) la mtile (Ti02) la katoite (Ca3Al2Si04(OH)i2) le gypse (CaS04 2H2O) et le quartz (Si02)

212 Le s scories des acieacuteries

Les scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c eacutelectrique) H F (hau t foumeau ) e t F P (fou r Poche ) on t eacutet eacute

foumies par la compagnie Mittal Canada Inc (Contrecoetu Queacutebec Canada)

Dans les usines inteacutegreacutees toutes situeacutees en Ontario des hauts fourneaux (voi r le scheacutema de production d e lacier Annex e II ) produisen t d u fe r primair e agrave parti r d e matiegravere s bmte s comme du minerai d e fer d u charbon e t de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006) Les scories sont inodore s e t ont une granulomeacutetrie fm e d e 0 agrave 5mm mais elles son t commercialiseacutee s aussi agrave une granulomeacutetrie de 5 agrave 14 mm (voir figure 22)

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP

Sont les pH eacuteleveacutes (12 agrave 13) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxydes meacutetalhques (Huijgen et al 2005) Les raisons principales de lutilisation des scories comme substrat de seacutequestration du

CO2

44

Les scorie s FO P et FP sont plus riches en calcium qu e cell e FAEacute tandis qu e le s scorie s F P

sont plu s riche s o n oxyd e daluminium Le s teneur s e n meacutetau x lourd s son t faible s pou r le s

trois types d e scorie s eacutetudieacutees Les scories d e type FO P et FA Eacute son t diffeacuterente s de s scorie s

HF (Figur e 22) Elle s son t plu s leacutegegravere s e t plu s riches e n fe r (Bonenfan t et al 2006) Le s

scories H F ayan t un e mass e volumiqu e d e 200 0 kgm ^ sont le s plu s leacutegegraveres tandi s qu e le s

scories FOP et FAEacute ont une masse volumique de 3000 kgm

Plusieurs phase s mineacuteralogique s composen t le s scorie s don t le s principale s son t l a

portlandite (Ca(0H)2 ) qu i es t geacuteneacuteralement l a phase dominante l a calcite l a magneacutesite le s

silicates e t diver s oxyde s tel s qu e de s oxyde s d e calcium d e magneacutesium d e fer d e

manganegravese e t de silicium (voi r tableau 14)Selo n Huijgen et al (2005) les conditions dan s

lesquelles le s scorie s son t geacuteneacutereacutee s deacuteterminen t le s proportion s d e ce s phase s dan s le s

scories (Huijgen et al 2005)

213 Le s poussiegraveres de four des cimenteries

Les poussiegravere s d e fou r on t eacutet eacute fourni e pa r le s cimenterie s St-Lauren t Inc (Longueuil

Queacutebec Canada) et Ciment Queacutebec Inc (St-Basil Queacutebec Canada)

Les poussiegraveres de four de cimenterie (voir figure 23) connues aussi sous le nom de laquocernen t

kiln dustraquo (CKD) sont des reacutesidus industriel s reacutecupeacutereacutes pa r les filtres eacutelectrostatiques (Doy e

et Duchesne 2003 ) lor s d e l a fabricatio n d u clinke r (voi r l e scheacutem a d e l a fabricatio n d u

ciment Annexe III) Les CKD ont une granulomeacutetri e tregrave s fine variant de 01 agrave 10 0 pm une

surface speacutecifiqu e d e 46 agrave 14 0 m g Les CKD ont une masse volumique de 480 kgm mai s

compacteacutees leur masse volumique peut atteindre 135 0 agrave 150 0 kgm^ (The Feacutedeacutera l Highway

Administration 2006) L a compositio n chimiqu e moyenn e de s CK D es t repreacutesenteacute e a u

tableau 15

45

Figure 23 Photo des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD)

Tireacute de Doye et Duchesne (2003)

Les CKD hbegraveren t tregrave s rapidemen t d e fortes concentration s e n potassium e n sulfat e e t en alcaliniteacute (Doye et Duchesne 2003) La quantiteacute doxyde de CKD deacutepend du type de four la source des matiegraveres du type de carburant utiliseacute et la maniegravere dont les CKD ont eacuteteacute reacutecupeacutereacute par le systegraveme

Lanalyse mineacuteralogiqu e de s CKD montre quelles sont composeacutees de calcite (CaC03) de dolomie (CaMg(C03)2 d u quart z (Si02) l e portlandit e (Ca(0H)2 de s sel s darkanit e (K2SO4) d e gyps e (CaS04) d e sylvit e (KCl) dhalit e (NaCl ) e t dettrengit e (Ca6(Al)2(OH)i 2(804)326 H2O + 6 H2O)

214 Le s cendres volantes

Les cendres volante s (voi r figure 24) on t eacutet eacute fournie s pa r le s cimenteries St-Lauren t Inc (Longueuil Queacutebec Canada)

46

Figure 24 Phot o des cendres volantes

Les particule s d e cendre s volante s son t l a plupar t d u temp s spheacuterique s avec un e surfac e

speacutecifique d e 25 0 agrave 60 0 m kg Les cendre s volante s d e class e C on t u n p H d e 1 2 e t un e

masse volumiqu e d e 234 0 kgm ^ (Biemack i et al 2007) L a compositio n chimiqu e de s

cendres volantes es t deacutecrite au tableau 16

Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestrer jusquagrave 2 6 kg de CO2 (Montes-Hemandez

2009)

En geacuteneacuteral le s phase s mineacuterale s preacutesentes (Biemack i et al 2007 ) dan s cendre s volante s

sont l e quartz (Si02) l a mullite (3AI2O 3 JE 2Si02) l a plagioclase (Na Ca (Si Al) 40raquo) l a

gehlenite (Ca2A l [AlSiO]) lanhydrit e (CaS04) lheacutematit e (Fe203) Fhalit e (NaCl) l a

sylvinite (KCl) et la calcite (CaC03)

47

22 Meacutethode s expeacuterimentale s

221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacute s

La compositio n chimiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s (scorie s e t boue s rouges ) a eacutet eacute eacutevalueacute e pa r

fluorescence agrave rayon X agrave laid e du n spectromegravetr e Philip s PW2400 Ell e a permis lanalys e

quantitative de s principaux composant s tels que 1 e CaO le FeO et le MgO Ces mesures ont

eacuteteacute reacutealiseacutee s e n triplicat a su r de s eacutechantillon s d e diffeacuterent s lot s de s mateacuteriau x cibleacute s e t

utiliseacutees pour lensemble de s expeacuterimentations

222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductivit eacute

Le p H e t l a conductivit eacute de s meacutelange s lixivieacute s on t eacutet eacute mesureacute s selo n le s meacutethode s

respectives normaliseacutee s 4500-H^- B e t 2510- B (APHA 1989 ) ave c l e pH-megravetr e numeacuteriqu e

PHM 250 ION Analyser ains i que le conductimegravetre numeacuteriqu e CD M Conductivit y Mete r de

la compagni e MaterLab^^ Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute on t eacutet eacute mesureacutee s pou r

chacun des mateacuteriaux cibleacutes avant et apregraves la carbonatation ains i que sur tous les eacutechantillon s

preacutelixivieacutes e t non preacutelixivieacutes filtreacutes e t non-filtreacutes L a filtration a eacuteteacute reacutealiseacute agrave laide d e filtres

Filtropur steacuterile s en aceacutetates de cellulose ayant un diamegravetre de 045 pm

223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin

Lalcaliniteacute de s mateacuteriau x a eacutet eacute mesureacute e agrave laid e d u fitreur automatiqu e TIM86 5 Titrafio n

manager e t d u logicie l Titramaste r 85V130 L e titrag e a eacutet eacute effectu eacute ave c d e lacid e

chlorhydrique (HCl ) 1 N Afi n deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestrafio n de s hui t mateacuteriau x

testeacutes le s reacuteserve s alcaline s de s matrice s on t eacutet eacute mesureacutee s dan s de s eacutechantillon s ayan t de s

granulomeacutetries industrielles Le s eacutechantillons contenaien t 1 0 g de mateacuteriaux cibleacute s e t 20 mL

deau deacuteioniseacute e e t ont eacuteteacute agiteacutes agrave 20degC et 200 rpm et titreacutes par titrage automatique ave c HCl

IN L e bu t d e lactivit eacute eacutetai t deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestratio n de s mateacuteriau x cibleacute s e n

partant de leurs pH naturel jusqu agrave pH 8 3 soi t le pH limite de formafion de s carbonates

48

224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en cuveacutee

Des essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute reacutealiseacute s ave c le s hui t reacutesidu s alcalin s cibleacutes Le s capaciteacute s

dabsorption de s mateacuteriau x choisi s on t eacutet eacute deacutetermineacutee s pa r l e barbotag e d u CO 2 (15 e n

volume CO2N2 ) e n fonctio n d e temp s donneacute s d e reacuteactio n 24 e t 4 8 heures L e choi x d u

meacutelange 1 5 e n volume CO2N 2 a eacutet eacute fai t e n tenan t compt e de s eacutemission s reacuteel s e n CO 2

quune chemin eacute dusine rejett e dan s latmosphegravere ( 8 agrave 1 5 ) Cette opeacuteration a eacuteteacute effectueacute e

dans des Erleinmeyer d e 250 mL qui contenaient 2 0 g de reacutesidu e t 200 mL deau deacuteioniseacute e agrave

20 C avec u n deacutebi t d e 5 mlmin duran t 2 4 e t 4 8 heures sou s un e agitatio n d e 20 0 rpm L e

tableau ci-dessous illustr e le s paramegravetres dexpeacuterimentation

Tableau 22 Paramegravetre s dexpeacuterimentatio n

Paramegravetres Temps

Tempeacuterature Pression

Granulomeacutetrie Volume deau distilleacute e Rapport liquidesolid e

(LS) Vitesse de rotation

Mesures 2448

Constante Atmospheacuterique

Industrielle 200 10

200

Uniteacutes Heures 20degC atm pm mL

kgkg

rpm

Le pH e t l a conductivit eacute ont eacutet eacute mesureacute s selo n le s technique s deacutecrite s preacuteceacutedemment Le s

quantiteacutes d e carbon e absorbeacutee s ont eacutet eacute mesureacutee s agrave laid e danalyseu r DC-85 A TO C d e l a

compagnie Dohrman n Divisio n C o muni dun fou r agrave combustion (800degC) dun flux conten u

doxygegravene e t du n tub e agrave catalyse contenan t d e loxyd e d e cobal t su r alumine Lanalyseu r

est eacutetalonn eacute ave c un e solutio n d e biphtalat e d e potassiu m agrave un e concentratio n e n carbon e

organique d e 200 0 mg-CL Le s concentration s e n carbon e organiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s

lixivieacutees non-lixivieacutees filtreacutees e t non-filtreacutees on t eacutet eacute mesureacutees apregrave s linjectio n d e 20-40 p L

dans le four d u TOC-megravetre

Avant linjectio n dan s l e fou r d u TOC-megravetr e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute agiteacute s ave c u n

baveau magneacutetiqu e agrave environ 50 0 trmin

49

Les concentration s e n carbon e organiqu e d e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute eacutevalueacutee s pa r l a

soustraction de s quantiteacute s d e carbon e mesureacutee s avan t e t apregrave s l a carbonatatio n d e ce s

eacutechantillons

La seacutequestratio n d u CO 2 a eacuteteacute fait e e n bouteille s d e Pyre x d e 25 0 mL Ce s dernier s eacutetaien t

ouverts agrave latmosphegravere L e CO 2 a eacuteteacute inject eacute agrave partir du n meacutelang e d e ga z de reacuteservoir e t l e

deacutebit d e ga z a eacutet eacute controcircl eacute agrave laid e du n deacutebitmegravetr e agrave flotteur e n acie r inoxydabl e d e Cole -

Pamier Instmment Co La reacutepartition uniform e d u gaz dans la boue rouge en milieu aqueux a

eacuteteacute reacutealiseacute e agrave laid e du n diffuseu r poreu x situ eacute agrave linteacuterieu r d e chaqu e fiole coniqu e (voi r

figure 2 5 et photo Annexe VIII) Les eacutechantillons ont eacuteteacute jeteacutes apregraves chaque analyse

Deux types dessais on t eacuteteacute conduits

bull essai s de barbotage preacutelixivieacute s pour lesquels le s eacutechantillons ont eacuteteacute lixivieacutes pendant 24 h

et 48h puis barbotes avec le meacutelange enrich i en CO2 pour une mecircme dureacutee

bull essai s de barbotage non preacutelixivieacutes pour lesquels leacutetape d e lixiviation a eacuteteacute supprimeacutee

Il fau t note r qu e pou r le s deu x temp s dadsorptio n d u CO 2 le s eacutechanfillon s utiliseacute s pou r l a

seacuterie de 24 heures sont diffeacuterents d e ceux utiliseacutes pour la seacuterie de 48 heures

50

Vent to atmosphegravere

Suspension of red mud or leachate

Diffuser mdash

Ecirc3

izzi nz o o o o Shaker

^ H = ^

Flowmeter

Gas mixture reacuteservoir

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee Adopteacute de Bonenfant et al (2008 )

Capaciteacute dadsorption du CO2

La capaciteacute dadsorption (Kco2 ) du C02^ par les reacutesidus alcalins a eacuteteacute deacutetermineacutee en fonction

du rapport liquide solide (LS) agrave la fois pour des essais preacutelixivieacutes et non preacutelixivieacutes

Celle-ci est donneacutee par la formule suivante

^ TOGeacuteiunJ(ppmQ - TOQireacuteppmQ) M(CCh)I MQ KC02 (g COicirclOOg de reacutesidu) = a bull

1000 (21)

ougrave M(C02) et M(C) sont respectivement les masses molaires (gmol) de CO2 et de C

Et a es t un facteur de conversion qui se calcule comme suit

a 100

ms(g) ms( 2)

( ^ ^ +200mL)000mLL) ps(glmL)

ms masse de reacutesidus utiliseacute dans lessai en g

ps masse volumique du reacutesidu alcalin en gcm^

51

225 Meacutethode s e t appareillages analytique s

Le tableau 2 3 reacutesum e le s meacutethodes e t les appareillages utiliseacute s pour le s diffeacuterentes analyse s

qui ont eacuteteacute reacutealiseacutees au cours de la preacutesente eacutetude

Tableau 23 Meacutethodes et appareillages analytique s appliqueacutee s

Type danalyse

pH

Conductiviteacute

Alcaliniteacute

Ca Na K Mg Fe

Carbone organiqu e

Meacutethodes danalys e

4500-H+-B PHM APHA 198 9

2510-B APHA 198 9

2320B APHA 198 9

3500 APHA 198 9

APHA 198 9

Appareillage

pH-megravetre 250 Ion Analyser

(MeterLabiM) Conductimegravetres numeacuteriqu e CDM Conductivity Mete r

(MeterLabiumlM) TIM865 Titration manage r + logiciel Titramaste r 8 5

V130 ICP-AES-IRIS ADVANTAGE

THERMOELECTRIQUE 2000

Analyseur DC-85 A TO C Dohrmann Divisio n Co

Apollo 9000 TOC Combustion Analyze r de

la compagnie Dohrmann Divisio n Co

CHAPITRE 3

RESULTATS ET DISCUSSION S

Les reacutesultat s obtenu s suite s au x essai s reacutealiseacute s seron t preacutesenteacute s e t discuteacute s dan s c e chapitre

Afin d e seacutelectionne r le s troi s reacutesidu s alcalin s ayan t le s meilleur s potentiel s d e seacutequestratio n

du CO2 des essais de seacutequestration d u CO2 de 24 et 48 heures ont eacutet eacute reacutealiseacutes Pour ce faire

les reacutesultats de leacutevolution d u pH de la conductiviteacute du potentie l d e seacutequestration d u CO2 et

du pouvoi r alcali n seron t preacutesenteacutes Enfin le s reacutesultat s de s essai s d e l a cineacutetiqu e d e

ladsorpfion d u CO 2 reacutealiseacute s ave c l e mateacuteria u ayan t deacutemontr eacute l e meilleu r potentie l d e

seacutequestration seron t discuteacutes

31 Evolutio n du pH et de la conductivit eacute

311 Essai s d e 4 8 heures

La figur e 3 1 illustr e l a variation d u pH des huit reacutesidu s apregrave s 48 heures d e seacutequestratio n d e

CO2 L e graphiqu e deacutemontr e clairemen t qu e tou s le s reacutesidu s on t sub i de s baisse s

remarquables d e p H apregrave s 4 8 heure s dadsorptio n d e CO2 Le s p H initiau x (voi r tablea u

31) de s troi s scorie s varien t d e 11 2 agrave 11 9 e t il s on t baisseacute s d e preacute s d e 6 uniteacute s pou r

atteindre l a valeu r d e 7 2 pou r le s scorie s S3 La figur e 3 1 deacutemontr e qui l y a tregraves pe u d e

variation d e p H entr e le s deu x valeur s extrecircme s d u p H conceman t le s deu x type s d e boue s

testeacutees En effet l a variation du pH concemant le s boues rouges humides preacutelixivieacutee s e t non

preacutelixivieacutes ne deacutepasse pas les deux uniteacutes Dans le cas des boues rouges segraveches (preacutelixivieacutes e t

non preacutelixivieacutes) la diffeacuterenc e es t moindr e soi t 1 5 uniteacutes E n revanche l a diminufio n de s

valeurs d u p H pa r rappor t agrave l a valeu r d u p H initia l es t remarquabl e du 12 6 agrave 72 Le s

poussiegraveres d e fours C l e t C2 ont obtenu le s plus fortes baisse s de pH dan s leur s formes non -

filtreacutees Toutefois seulemen t l e C 2 preacutelixivieacutee s e t non-filtr eacute a subi e un e baiss e d e p H

infeacuterieur agrave 70 soi t pregraves de 68 uniteacutes

53

Il fau t souligne r qu e le s diffeacuterence s d e p H entr e le s quatr e eacutechantillon s d e C l son t minime s

soit 0 1 unit eacute contrairemen t agrave celle s d e C 2 qu i son t di x foi s plu s grande s soi t un e uniteacute E n

revanche tous le s eacutechantillons de s cendres volantes F subis des baisse s remarquable s d e pH

variant de 66 agrave 68 uniteacutes

Ces reacutesultat s prouven t qu e l a lixiviation e n geacuteneacuteral jou e u n rocircl e minim e su r l e p H pe u

importe l e reacutesid u utiliseacute Toutefois le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s

meacutetallique tell s qu e Ca Mg Al Fe ^ selon Bonenfan t (2008) Ce son t ce s ions e t leur s

oxydes respectifs qu i assurent le pH et les conductiviteacutes eacuteleveacute s des reacutesidus cibleacutes

Tableau 31 Le s valeurs des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouge s humides (Bl )

Boues rouges segraveche s (B2)

Scories SAE (SI ) Scories FP (S2) Scories HF (S3)

CKD St-Lauren t C l CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

pH

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

115

115

115 116 118 126

-

-

48 heures

126

121

116 118 116 127 125

95

Non-filtreacute 24

heures 117

116

119 116 119 130

-

-

48 heures

126

121

119 119 117 127 127

92

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

121

120

112 114 115 128 125

88

Non-filtreacute -

124

122

115 124 117 128 126

89

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute (figur e 32) s i on compare ce s reacutesultats avec ceux d u

pH on peut constate r qui l exist e un lie u direct entr e leacutevolutio n d u pH e t leacutevolutio n d e la

conductiviteacute plu s le s valeur s d e p H augmentent plu s le s valeur s d e l a conductivit eacute

augmentent aussi Cett e relatio n peu t sexplique r pa r un e teneur plu s eacutelev eacute de s meacutetau x dan s

la solution surtou t dans les solutions de CKD

54

B1 B 2 S I 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

C2

Figure 31 Eacutevolution du pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutees ( bull ) non filtreacutes (o ) lors des essais de 48 heures

Il est coimu quen geacuteneacuteral les ions meacutetalliques en solution tels que Ca Mg Na^ forment

des eacutelectrolyte s beaucou p plu s puissant s qu e ceu x de s non-meacutetau x dougrave le s valeur s plu s

eacuteleveacutees de conductiviteacute des CKD (Cl) Toutefois s i on compare les valeurs de conductiviteacutes

initiales reacutesumeacutees au tableau 32 des scories FAEacute HF et les cendres volantes F on remarque

que contrairemen t au x autre s reacutesidus leur s valeur s d e conductivit eacute apregrave s 4 8 heure s d e

carbonatation ont augmenteacutes Ces reacutesultats corroborent ceux obtenus par Bonenfan t (2008)

Bonenfant expliqu e cet eacutecart par la preacutesence des oxydes amphotegraveres dans la solution tels que

lAl203 qu i diminuen t substanfiellemen t leur s influence s su r l e p H de s mateacuteriau x cibleacute s

comparafivement agrave ceux des oxydes fortement basique s tels que les oxydes de calcium et de

sodium

55

Tableau 3 2 Les valeurs des conductiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories SA E

(SI) Scories FP (S2) Scories HF (S3 ) CKD St-Lauren t

Cl CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

Conductiviteacute e n mS

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

58

43

05

69 11

243

-

-

48 heures

72

44

03

77 18

187

69

18

Non-filtreacute 24

heures 63

47

06

66 15

262

-

-

48 heure s

78

49

07

71 19

251

85

16

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

59

44

06

59 10

208

92

14

Non-filtreacute -

62

45

07

61 14

172

100

14

En revanche l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s daluminiu m dan s le s lixiviat s de s boue s

rouges e t des scorie s FA Eacute es t susceptibl e decirctre en partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees d e

conductiviteacute d e ce s troi s solution s selo n Bonenfan t (2008) I l es t inteacuteressan t d e constate r

encore un e foi s qu e l a preacutelixiviation comm e dan s l e cas d u pH a tregraves pe u dincidenc e su r

leacutevolution d e l a conductiviteacute E n fait i l nexist e aucun e diffeacuterenc e significafiv e d e

conductiviteacute entre le s reacutesidus preacutelixivieacutes et non-preacutelixivieacutes comme le deacutemontre l a figure 32

56

21

co18

bull^12

bullB 9 o ^ 6 O O 3

B1 8 2 81 82 8 3 C 1 C 2

Types de reacutesidus

Figure 32 Eacutevolution de la conductiviteacute des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) no n filtreacutes (bull) etnon-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull) no n filtreacutes (0) lors des essais de 48 heures

312 Essai s de 24 heures

Tel quexpliqu eacute preacuteceacutedemment le s essai s d e seacutequestratio n d u CO 2 d e 2 4 heure s on t eacutet eacute

reacutealiseacutes dans le but de deacutecouvrir sil existai t une diffeacuterence significativ e entr e les deux temps

de seacutequestratio n d u d e CO 2 eacutetudieacutes 24 e t 4 8 heures Pou r c e faire le s reacutesidu s qu i on t

obtenus le s meilleurs reacutesultat s de seacutequestration du CO2 lors des essais de 48 heures ont eacuteteacute

soumis agrave des tests de seacutequestration de 24 heures Ces reacutesidus sont le s boues rouges (humides

et segraveches) les scories (FAEacute FP HF) et les CKD St Laurent

La figure 33 illustre les reacutesultats de leacutevolution du pH apregraves 24 heures de barbotage de CO2

On remarque que les valeurs de pH des Bl B2 SI S3 et Cl son t tregraves semblables Ils varient

de 69 (Cl preacutelixivi eacute filtreacute) agrave 82 imiteacutes (SI non - preacutelixivi eacute filtreacute)

57

12 n

m lU

0

4

2

0

i I -i IM i i [ML 1

i I I Lli 1

m 1 i I m 1

i i i ji I

n 1 i Lli -] B1 8 2 8 1 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

Figure 3 3 Eacutevolutio n d u pH de s si x reacutesidu s preacutelixivieacute s filtreacutes (D) no n filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes (bull) no n filtreacutes (s ) lors des essais de 24 heures

Les scories S2 se deacutemarquent par leurs valeurs de pH eacuteleveacutees soient de 93 (preacutelixivieacute filtreacute)

agrave 100 4 (non-preacutelixivieacute non-filtreacute) Ce s reacutesultat s deacutemontren t qu e le s scorie s S 2 relacircchen t

plus difficilemen t le s ion s meacutetalliques qu e l e reste de s reacutesidus alcalins Rappelon s qu e le s

CKD (Cl ) on t obten u le s plu s forte s baisse s d e p H pa r rappor t au x valeur s avan t l a

carbonisation soi t plu s d e 6 uniteacutes Toutefois le s diffeacuterence s d e p H entr e le s eacutechantillon s

preacutelixivieacute e t non-preacutelixivi eacute son t moin s significative s soien t d e 0 1 agrave 1 uniteacute Ce s reacutesultat s

deacutemontrent encore une fois qu e la preacutelixiviation a peu dincidence sur leacutevolution du pH

Quant agrave leacutevolution d e la conductiviteacute l a figure 3 4 permet d e constater qu e le s valeurs de

conductiviteacute obtenues sont tregraves semblables avec celles obtenues lors les essais de 48 heures

car les meacutecanismes qui reacutegissen t la libeacuterafion des ions meacutetalliques sont identiques

58

30

lto25 E S 20

gt 15 o = 10

B1 62 81 8 2

Types de reacutesidus

83 CI

Figure 34 Eacutevolution de la conductiviteacute des six reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull ) non filtreacutes (3) lors des essais de 24 heures

32 Deacuteterminatio n du pouvoir alcalin

Les reacutesultats de s essai s d e titrage reacutealiseacute s avec le s hui t reacutesidu s (voi r le s reacutesultat s complet s

Armexe VI ) son t illustreacute s respectivemen t pa r le s figure s 3 5 agrave 37 Le s reacuteserve s alcaline s

calculeacutees agrave parti r d e ce s figure s son t reacutesumeacute s dan s l e tablea u 33 Ce s reacutesultat s indiquen t

clairement qu e le s quantiteacutes dacide chlorhydriqu e (acide fort ) neacutecessaire s pour atteindre le

pH 8 3 (p H d e saturatio n e n CaC0 3 dun e solutio n agrave leacutequilibr e e t agrave l a pressio n

atmospheacuterique) son t d e 8 agrave 1 1 foi s plu s eacuteleveacutee s dan s l e ca s de s scorie s dacieacuterie s

comparativement au x boues rouges de 2 agrave 27 fois plus eacuteleveacutees que les CKD et jusqu agrave 38

fois plus eacuteleveacutees que les cendres volantes Les cendres volantes ont un pouvoir alcali n tregraves

faible seulement 2 mL de HCl on suffit pou r baisser le pH initial en-dessous de 5 uniteacutes Les

CKD preacutesentent des pouvoirs tampons les plus eacuteleveacutes parmi les reacutesidus alcalins suivis par les

scories HF et FP

59

Tableau 33 Reacuteserves alcalines des huit reacutesidus

Type de reacutesidu

Boues rouges humides ( B 1 ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FAE (SI ) Scories FP (S2 ) Scories HF (S3 ) CKD (Cl ) CKD (C2 ) Cendres volantes (F )

pH

83

Reacuteserve alcaline (mole de HCIkg de reacutesidu)

038 04 31 39 43 14 16

012

En revanche le s boue s rouge s on t u n pouvoi r tampo n beaucou p plu s faibl e compar eacute au x

autres reacutesidus mentionneacutes ci-dessus mais plus eacuteleveacute que les cendres volantes Les particules

solides contribuent pou r 7 6 du pouvoir neutralisant de s boues rouges e t l a phase liquide

pour 24 constate Bonenfant et al (2008)

14 1

12

10 -

8 -

6 -

4 -

2 -

n -u 1

(

icirc-~~-icircraquo^^

1

) 1 0

bull ^

1 1 1

20 3 0 4 0

HCIlNenml

V

I

50

1

60

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FA E (bull) FP (bull) e t HF (0) en fonction du volume dacide ajouteacute

60

Figure 36 Courbes d e titrage des CKD Cl (bull ) e t C2 (bull) e n fonctio n du volume dacide ajouteacute

16-

14 A

pH

00 O

to

1 1 1

r-1

6 -

4 -

2 -n -

4P

^ ^HU

u T 1

0 1 0

Vp-

^9laquo^--f^-^^

20 3 0 4 0

H C I l N e n m l 50

Figure 37 Courbes de titrage des boues rouges segraveches (D ) et humides (bull) en fonction d u volume dacide ajouteacute

61

Ces reacutesultats indiquen t qu e les scories dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute de neutralisation plu s

eacuteleveacutee qu e tou s le s autre s reacutesidus D e plus le s scorie s H F son t le s plu s reacuteactive s ave c un e

reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en solution aqueus e

Cette eacutetap e d e la preacutesent e eacutetud e a consist eacute agrave mesure r le s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 en

solution pa r le s hui t reacutesidu s alcalins Lobjecfi f principa l d e cett e eacutetap e eacutetai t deacutevalue r l a

variation d u potentie l d e seacutequestratio n pa r le s matrice s de s reacutesidu s e t d e leur s lixiviat s

pendant 2 4 e t 4 8 heure s afi n d e seacutelectionne r le s reacutesidu s ayan t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration Cett e eacutetap e visai t eacutegalemen t agrave deacutetermine r si l exist e un e diffeacuterenc e

significative de s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s entr e le s deu x temp s d e

seacutequestration Enfin leacutetud e d e l a cineacutetiqu e d e seacutequestratio n pa r l e reacutesid u alcali n ayan t

obtenu l e meilleur rendemen t dadsorptio n d u CO2 lors les deux seacuterie s dessais a pour bu t de

mieux comprendre c e processus

331 Essai s de 4 8 heures

Les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit reacutesidus sont repreacutesenteacutes agrave la figure 38 Le CO2

injecteacute agrave deacutebi t constan t s e transform e e n phas e aqueuse c e qu i impliqu e un e baiss e d e p H

mais auss i un e adsorptio n d e CO2 Il s deacutemontren t qu e le s scorie s H F e t F P obtiennen t le s

meilleures reacutesultat s (voi r le s reacutesultats complet s Annex e IV ) dadsorpfion d u CO2 suivies pa r

les CKD d e type C l e t C2 Les de boues rouges humides (Bl ) e t segraveche s (B2 ) preacutesentent de s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 beaucoup moin s importante s mais plu s importante s qu e

les cendres volantes (F) La figure 38A indiqu e les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit

reacutesidus non-preacutelixivieacutes O n remarqu e qu e le s eacutechantillon s non-filtreacutee s (matrice s + lixiviats )

des scorie s S 2 e t S 3 obfiennen t le s meilleurs reacutesultat s dadsorpfio n d u CO 2 soien t 008 3 e t

0084 g de C02g de reacutesidu suivies par les Cl qu i preacutesente des capaciteacutes dadsorption d e 008

g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

62

Bl B2 S I 8 2 S 3 C I 0 2

Types de reacutesidus

15 07|

F

81 82 S I S 2 S 3 C I C 2

Types de reacutesidus

1214

Ll F

Figure 38 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 8 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes (D ) e t non- filtreacutes (bull ) lor s des essais de 4 8 heures

63

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s segraveche s e t humide s non-filtreacutee s offren t de s rendement s

infeacuterieurs agrave 60 compareacutes agrave ceux de s scories S 2 et S3 Les cendres volante s offre s le s plus

faibles reacutesultat s dadsorption soi t 0015 g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

Si o n compar e le s graphique s A e t B o n remarqu e qu e l a lixiviatio n a e u de s impact s

diffeacuterents su r le s hui t reacutesidu s testeacutes Le s boue s rouge s humide s e t segraveche s e t le s cendre s

volantes ont eacutet eacute plus sensibles agrave la lixiviation e n deacutemontrant de s reacutesultat s presqu e identique s

dadsorpfion d u CO2 L a figur e 48 B illustr e u n autr e fai t inteacuteressant Le s meacutelange s

(matrices+ lixiviats ) de s scorie s S 2 e t de s poussiegraveres d e fou r de s cimenterie s C 2 offren t de s

meilleurs tau x dadsorptio n d u CO 2 que le s lixiviat s seuls C e reacutesulta t peu t sexplique r pa r

tme preacutesence plus eacuteleveacutee des ions meacutetalliques dans les matrices que dans la solution

Les scorie s F P ont u n pouvoi r d e seacutequestratio n d u CO 2 qui peu t atteindr e 010 7 g de C02 g

de scorie s soi t l e tripl e d u pouvoi r de s boue s rouges C e hau t nivea u dadsorpfio n peu t

sexpliquer pa r l a teneur eacuteleveacute e en CaO jusquagrave 31 7 de Si0 2 (91) e t MgO (6 ) selo n

Huijgen et al (2005) Ce s oxyde s on t l a proprieacutet eacute d e reacuteagi r facilemen t ave c l e CO 2 e t d e

former de s carbonates stables

332 Essai s de 2 4 heure s

La figure 3 9 illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 apregraves 2 4 heure s d e carbonatatio n pa r

les si x reacutesidu s seacutelectionneacute s (voi r le s reacutesultat s complet s Armex e V) Lallur e geacuteneacuteral e de s

graphiques de la figure 39 sapparent e agrave celle de la figure 38 Comme dans l e cas des essai s

de 4 8 heures le s scorie s S2 S 3 e t le s CK D typ e C l no n - preacutelixivieacute s offren t le s meilleur s

reacutesultats dadsorptio n d u CO2 Les boues rouge s segraveche s (non-filtreacutes ) preacutesente s de s capaciteacute s

dadsorption d u CO2 20 supeacuterieures agrave celles humides e t 45 infeacuterieure s au x scorie s S3

La figure 39 A illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 par le s si x eacutechantillon s preacutelixivieacute s

pendant 2 4 heures

64

CM O O agt

O)

O)

O)

o 0)

laquo - s = ltr t

O) I -V)

laquoM O O 0)

bullo o

7 4gt

bull O

O) o o mdash lt1) -gt (A 0) 3

(A

(A 3

bull O

res

h

5 ^

4

3 18

A

29

6

5

4

3

2

1

0

B

35

65

36

81 8 2 S 1 S 2 S 3

Types de reacutesidus

Bl B 2 8 1 8 2 8 3

Types de reacutesidu s

CI

CI

Figure 3 9 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 6 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacute s (B ) filtreacutes (D ) e t non - filtreacutes (bull ) lor s de s essai s d e 24 heures

65

La preacutelixiviatio n sembl e davoi r u n impact e positi f su r ladsorptio n d u CO 2 pa r le s troi s

types de scories et les boues rouges humides non-filtreacutes

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s humide s ont augment eacute respectivemen t leu r pouvoi r

dadsorpfion d e CO 2 d e 5 2 e t d e 27 pa r rappor t au x eacutechantillon s non-preacutelixivieacutes Le s

faibles reacutesultat s dadsorption d u CO2 par les eacutechantillons preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes

deacutemontrent qu e le s carbonates s e trouvent majoritairemen t dan s le s matrices e t non dan s le s

lixiviats

La comparaison de s reacutesultats obtenus de la seacutequestration d u C02 lor s des deux seacuterie s de tests

permet d e constate r qu e le s diffeacuterence s d e gain s son t tregrave s diffeacuterentes Le s plu s grande s

diffeacuterences d e gain s son t enregistreacutee s pa r le s scories S 3 e t S 2 respectivement lor s des essai s

de 2 4 e t 4 8 heures D e plus le s scorie s S 2 obtiennen t le s plu s haut s gain s sou s leu r form e

preacutelixivieacutee contrairemen t au x scorie s S 3 qu i obtiennen t le s meilleur s reacutesultat s sou s leu r

forme non-preacutelixivieacutee D e ce fait o n peut conclur e qu e l a carbonatation peu t ecirctr e influenceacute e

par l e temps d e preacutelixiviation de s oxydes meacutetallique s s i la preacutelixiviation es t supeacuterieur e agrave 24

heures

34 Cineacutetiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP

Leacutetude de s potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 par le s hui t reacutesidu s testeacute s a releveacute qu e le s

scories F P (S2 ) offren t l e meilleu r potentie l d e seacutequestration D e c e fait i l import e don c

deacutetudier l a cineacutefique dadsorpfio n d u CO2 par ce reacutesidu alcalin afi n d e mieux comprendr e c e

processus L e choi x de s scorie s non-preacutelixivieacutee s s e justifi e pa r leur s rendement s d e

seacutequestrafion d u CO 2 qui son t plu s eacuteleveacutes par rappor t agrave celles preacutelixivieacutees Pou r c e faire le s

reacutesultats d e leacutevolutio n d u pH de conducfiviteacute e t de ladsorpfio n d u CO 2 seront preacutesenteacute s e t

analyseacutes

66

Les figures 31 0 e t 311 illustrent leacutevolutio n d u pH et de la conducfiviteacute de s scories F P non-

preacutelixivieacutees apregrave s 8 heures de carbonatation (voi r le s reacutesultats comple t agrave F Armexe VII) Huit

mesures de s valeur s d e pH e t conductiviteacute ont eacutet eacute reacutealiseacutees soi t apregrave s 0 25 5 10 20 60

120 et 480 minutes

1 12 bull

11 -

X ^ 10 -

9-

8-

7 1

^ ^ _

^ ^ ^ N gt N L

1 1

l 1 0 10 0 Temps d e barbotage a u C02 (e n min)

1

1000

Figure 31 0 Eacutevolutio n d u p H de s scorie s F P filtreacutees (bull) no n filtreacutees (D) e n fonction d u temps de barbotage au CO2

Le pH et l a conductiviteacute son t lieacute s par les mecircmes meacutecanismes soi t ceu x d e libeacuteration de s ion s

meacutetalliques d e calciu m e t d e magneacutesiu m dan s l a solufio n pa r le s particule s solide s degrave s l e

deacutebut d e l a reacuteaction Le s baisse s de s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute sexpliquen t pa r l a

reacuteaction de s ion s meacutetallique s ave c l e CO 2 qu i es t transform eacute preacutealablemen t e n acid e

carbonique e t l a formation de s carbonates Le s ions e t le s oxydes amphotegravere s reacuteagissen t pe u

dans l a solufio n e t d e c e fait il s ont pe u dimpac t su r l e p H e t l a conducfiviteacute Ces t

seulement apregrave s les dix premiegraveres minutes quon observ e une baisse significative de s valeur s

de pH et de conductiviteacute

67

Ce consta t es t e n accord ave c le s reacutesultats obtenu s pa r Hujge n et al (2006 ) e t Bonenfan t et

al (2008) Mecircm e s i ces auteur s ont travaill eacute ave c de s scorie s ayan t un e granulomeacutetri e plu s

fine (38-16 0 pm) le s preacutesent s travau x conduisen t agrave l a mecircm e conclusio n queu x le s ion s

meacutetalliques s e libegraveren t de s matrice s degrave s l e deacutebut d u processus d e carbonatatio n soi t entr e l e

deuxiegraveme e t l a dixiegravem e minute Selo n ce s auteurs l a concentratio n d e calciu m augment e

presque lineacuteairemen t agrave laugmentatio n d u temp s d e reacuteaction jusquagrave enviro n 1 0 min Apregrave s

cela l a concentratio n nivegravel e o u diminue L a sursaturatio n a e u lie u parc e qu e l e tau x d e

deacutepocirct d e carbonat e d e calciu m agrave parti r d e l a solutio n eacutetai t beaucou p plu s len t qu e l e tau x

dextraction de s ions calcium agrave partir des deacutechets de ciment (lizuk a et al 2004)

CZ5

3 -a S O

6

5

^ 4

f 3 2

1

0 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee de barbotage d u CO2 (en min) 481

Figure 31 1 Eacutevolutio n d e l a conductivit eacute de s scorie s F P non -preacutelixivieacutees filtreacutees (D ) et no n filtreacutes (bull ) e n fonctio n du temp s d e barbotage a u CO2

Le CO 2 reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates C e reacutesulta t c e confirm e auss i pa r le s figures 31 2 e t 31 3 qu i illustren t

leacutevolution d u potentiel de seacutequestration d u CO2 en fonction d u temps

68

lt3gt bull O

(SX)

C l U agt bull -

S cr

O

8

7

6

5

4

3

2

1

0 D-

1 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee d e barbotag e du CO2 (en min)

481

Figure 31 2 Eacutevolutio n d u pouvoi r d e seacutequestratio n du carbon e de s scories F P non-preacutelixivieacutee s filtreacutees (D) non-filtreacutee s (bull ) e n fonctio n du temps de barbotage au CO2

On remarqu e qu e le s quantiteacute s d e CO 2 adsorbeacutes le s plu s eacuteleveacute s son t attein t apregrave s 8 heure s

soit 7 4 g de CO2100g de scorie s F P mais cest entr e l a deuxiegraveme e t dixiegraveme minut e quo n

observe qu e l a vitess e d e seacutequestrafio n es t plu s eacuteleveacute e (figur e 313) Te l qu e expliqu eacute

preacuteceacutedemment dan s cett e eacutetude c e son t le s matrice s qu i offren t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 A l a diffeacuterenc e de s temp s d e seacutequestratio n d e 2 4 e t 4 8 heures i l

semble que le temps de huit heures est trop court pour que le s solutions filtreacutees reccediloiven t de s

quanfiteacutes suffisante s dion s meacutetallique s pour seacutequestrer l e CO2 agrave des quantiteacutes notables

69

006 bull ] u a M 00 5 -0 - p u E

I 3 E 00 4 bull Tl -v

1 C ^ ^ 9 CL 003 bull

bullJ L L

i 0 iuml 0 0 -XI 0

i Q O i = 0 oo i bull 1 0 1 o i ( A mdash icirc l l

icirc s 0 gt

1 i

^

25 5 10 2 0 6 0

Temps en min

120 48 0

Figure 31 3 L a vitess e dadsorptio n d u CO 2 e n fonctio n d u temp s par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes (n) et non filtreacutes (bull)

Synthegravese

Les capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 ont eacutet eacute eacutetudieacutees pou r hui t reacutesidu s alcalin s soi t le s boue s

rouges humide s e t segraveches le s scorie s FP FOP FAEacute le s CK D ( 2 types ) e t le s cendre s

volantes Le s essai s de carbonatation direct e e t indirecte on t eacutet eacute effectueacutes e n cuveacutee agrave un flux

gazeux d e 1 5 d e CO 2 e t 8 5 d e N 2 pendan t 4 8 heure s e t ont permi s d e tire r le s

conclusions suivantes

Les valeur s d e p H de s scorie s e t de s boue s rouge s e t de s CK D son t tregrave s semblable s soi t

leacutegegraverement au-dessu s d e 7 (preacutelixivieacutees e t non-preacutelixivieacutees) Seulemen t le s cendres volante s

ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7 En ce qui concerne l a conductiviteacute

on peu t firer le s mecircme s conclusion s qu e l a variafio n d u p H agrave lexcepfio n de s CK D qu i

obtiennent de s valeur s d e conductivit eacute quatr e foi s supeacuterieure s qu e le s autre s reacutesidus Cett e

diffeacuterence peu t ecirctr e occasionneacute e pa r un e meilleur e teneu r de s ion s meacutetallique s e n solutio n

dans le cas des CKD

70

Quant au x capaciteacute s de s reacutesidus agrave seacutequestrer l e CO2 trois reacutesidus s e sont deacutemarqueacute s lor s de s

deux seacuterie s d e test s les scorie s HF FP e t le s CKD Lor s le s essai s ce s reacutesidus on t obtenu s

les reacutesultats de seacutequestration d u CO2 suivants

bull Essai s de 24 heures

Scories HF (65 pp) gt scories FP (59 pp) gt CKD St-Lauren t (4 7 pp)

bull Essai s de 48 heures

Scories FP (107 pp) gt scories HF (84 pp) gt CKD St-Lauren t gt (79 pp)

Les tests sur le pouvoir alcalin des scories ont indiqueacute que les scories dacieacuterie possegraveden t un e

capaciteacute de neutralisation plu s eacuteleveacutee que tous les autres reacutesidus De plus les scories HF sont

les plus reacuteactives avec une reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

Enfin le s test s d e l a cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2 par le s scorie s F P ont deacutemontr eacute qu e l a

seacutequestration d u CO 2 s e reacutealis e plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegravere s minute s d e l a

reacuteaction

CHAPITRE 4

DISCUSSION GEacuteNEacuteRAL E

Le preacutesen t chapitr e a pou r objecti f dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s

obtenus dan s l e cadr e d e cett e eacutetude C e chapitr e compar e eacutegalemen t le s reacutesultat s obtenu s

lors de s deu x seacuterie s d e test s (2 4 e t 4 8 heures ) ave c ceu x obtenu s pa r dautre s eacutetude s

semblables De plus limpact enviroimementa l de ce proceacutedeacute sera analyseacute e t preacutesenteacute

41 Inteacutegratio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests

Les essai s reacutealiseacute s on t montr eacute qu e l e potentie l d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s

industriels alcalin s vari e e n fonctio n d e leur s caracteacuteristique s physico-chimique s telle s qu e

la teneu r e n ion s meacutetallique s tel s qu e Ca ^ e t Mg^ l e pH la granulomeacutetri e e t auss i de s

conditions expeacuterimentale s choisies L a tempeacuterature l a pression l e ratio L S e t l a vitesse d e

brassage jouent u n rocircle de premier plan sur les reacutesultats de seacutequestration d u CO2

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lor s des essai s d e 24 et 48 heures

Lobservation de s reacutesultat s d e p H e t d e conducfivit eacute obtenu s lor s de s deu x seacuterie s d e test s

deacutemontre qu e le s diffeacuterence s d e pH son t tregrave s semblable s pou r le s Bl B2 SI S3 et Cl E n

fait le s diffeacuterence s d e p H varien t entr e 0 2 agrave 0 8 uniteacute s (sau f le s CKD) tregrave s pe u s i o n

considegravere qu e l a diffeacuterence d e temps es t des deux foi s supeacuterieure s entr e l a deuxiegraveme seacuteri e de

tests Le s CK D manifestemen t conserven t leu r pouvoi r alcali n presqu e inchangeabl e apregrave s

24 heure s d e carbonatation Seulemen t le s scorie s F P (S2 ) on t subi e baiss e d e p H

significafive d e 2 agrave 25 uniteacutes entre les deux seacuteries dessais

72

Ces reacutesultat s deacutemontren t qu e tous ce s reacutesidus alcalin s ont de s excellente s reacuteserve s alcaline s

et quil s relacircchen t se s ions meacutetalliques tregrave s lentemen t dan s l a solution aqueuse Ce s reacutesultat s

sont semblable s agrave ceu x obtenu s pa r plusieur s chercheur s (Hujge n et al 2006 Bonenfan t

2008 Huntziger 2009)

Dans l e ca s de s boue s rouges le s reacutesultat s obtenu s son t e n accor d ave c ceu x obtenu s pa r

Bonenfant (2006) Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute son t plu s eacuteleveacutee s pou r le s boue s

rouges humide s qu e le s boue s rouge s segraveche s e t peuvent ecirctr e expliqueacutee s pa r un e plus grand e

faciliteacute d e libeacuteratio n de s ion s (cation s e t ion s hydroxyles ) de s boue s rouge s humide s

occasionneacutee pa r leu r dissolutio n preacutealabl e dan s l a soud e caustique comparativemen t au x

boues rouge s segraveche s qu i non t pa s subi t c e traitement Ce s reacutesultat s prouven t qu e l a

lixiviation en geacuteneacuteral joue un rocircle minime su r le pH peu import e le reacutesidu ufiliseacute Toutefois

selon Bonenfant (2008) le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s meacutetallique s

tels que Ca Mg Ap^ Fe Ce sont ces ions et leur s oxydes respectif s qu i assuren t l e pH

et le s conductiviteacutes eacuteleveacute s de s reacutesidus cibleacutes Les grandes quantiteacute s dhydroxyd e d e sodiu m

libeacutereacutees dan s le s lixiviat s de s boues rouge s peuven t eacutegalemen t ecirctr e responsable s de s valeur s

eacuteleveacutees de pH e t de conductiviteacute qu i ont eacuteteacute mesureacutees apregraves 24 et 48 heures de lixiviation E n

effet le s grande s quantiteacute s d e solution s dhydroxyd e d e sodiu m on t de s alcaliniteacute s e t

conductiviteacutes eacutelectriques eacuteleveacutees

Hujgen et al (2006 ) on t deacutemontr eacute qu e le s ion s meacutetalliqu e s e libegraveren t de s matrice s de s l e

deacutebut d u processu s d e carbonatatio n soi t entr e l e deuxiegravem e e t l a dixiegravem e minute L e CO 2

reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates

Les bou s rouge s humide s no n - preacutelixivieacutees filtreacutees e t no n filtreacutees s e deacutemarquen t pa r de s

valeurs de pH e t de conductivit eacute leacutegegraveremen t infeacuterieure s pa r rappor t au x boue s rouges segraveche s

et le s scories E n revanche selo n Bonenfant (2008) l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s

daluminium dan s le s lixiviat s de s boues rouge s e t des scorie s FA Eacute es t suscepfibl e decirctr e e n

partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees de conducfiviteacute d e ces trois solutions

73

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute le s valeurs obtenues lor s des deux seacuterie s de tests son t

tregraves semblables ca r le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t l a libeacuteratio n de s ion s meacutetallique s son t

semblables

Liu et al (2003 ) ont deacutemontr eacute qu e l e p H de s boue s rouge s augment e ave c l e temp s d u

stockage L e Ca^ ^ es t plu s facilemen t eacutechangeabl e dan s de s boue s fraicircche s qu e dan s le s

vieilles boues Ce s demiegravere s son t domineacutee s pa r le s eacutechange s d e Na^ Laluminiu m conten u

dans le s boue s rouge s es t preacutecipit eacute d e l a solutio n sou s form e d e dawsonit e NaAlC03(OH) 2

(Nikraz et al 2007)

Les cendre s volante s mecircm e s i elle s on t de s valeur s initiale s d e p H plu s ba s qu e le s autre s

reacutesidus soi t d e 88 6 agrave 895 deacutemontren t de s capaciteacute s d e carbonatatio n inteacuteressante s s i o n

tient compte d e leur faibl e teneu r de CaO Dailleurs selo n Soon g et al (2006) i l nest pa s

utile davoir u n p H tregraves bas car les carbonates se forment agrave un pH eacutega l ou supeacuterieur agrave 78

De ce fait on peut conclure que

bull i l nest peut-ecirctr e pas utile daugmenter l e temps dadsorption d u CO2 au-delagrave de 24

heures car les valeurs de pH et de conductiviteacutes varient tregraves peu

bull le s reacutesidus alcalins ont des meacutecanismes de carbonatation e t des pouvoirs tampons tregrave s

semblables

il existe un lien direct entre la variation du pH et de la conducfiviteacute

bull c e sont le s ions meacutetalliques tels que Ca ^ Mg Na^ qui deacuteterminent e n grande partie

leacutevolution d u pH et de la conductiviteacute

74

412 Limpac t du pouvoir alcalin e t de la cineacutetique de ladsorption du CO2 sur la seacutequestration d u CO2

Il est inteacuteressan t d e noter que l e pouvoir tampon de s reacutesidus s e manifeste agrave des intervalle s de

pH diffeacuterent s entre 1 0 agrave 8 pou r le s scories 8 agrave 6 pou r le s CK D e t 6 agrave 4 pou r le s boue s

rouges Ces reacutesultats son t en accord avec ceux obtenu s par Bonenfant et al (2008) Huijge n

et Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009) Ce s pouvoir s tampon s important s son t du s

probablement a u fai t qu e le s silicate s ont partiellemen t reacuteag i dan s ce s gamme s d e pH

(Baciocchi et al 2009)

Selon Bonenfant (2006) l a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n

oxydes meacutetalliques plus particuliegraverement de s oxydes meacutetalliques basiques tels que l e CaO et

le Mg O scories F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

Bonenfant et al (2008) Huijgen e t Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009 ) ont eacutetudi eacute le

rapport entr e l e pouvoi r alcali n e t l a lixiviatio n de s meacutetau x pa r ce s reacutesidus Le s test s d e

lixiviation meneacute s pa r Baciocch i e t Bonenfan t ont confirm eacute qu e l a quantit eacute de s ion s Ca^ ^

dans les scories es t plus basse agrave des pH gt 8 en raison de la formation d e calcite

Selon Hujge n et al (2005 ) le s scorie s agrave des pH varian t entr e 5 1 agrave 3 5 libegraveren t le s ion s d e

calcium qu i formen t de s silicate s e t des bicarbonates Quan t au x CKD leu r pouvoi r tampo n

eacuteleveacute empecircch e l a formatio n d e bicarbonates Pou r obteni r l a formatio n d e ce s demiegraveres i l

faut ajoute r davantag e dacide chlorhydriqu e e t augmenter l e temps de reacuteaction au-delagrave de 24

heures

Lorsque l e p H attein t un e valeu r infeacuterieur e agrave pK2 = 10 3 d u systegravem e carbonates Feacutequilibr e

se deacuteplac e dan s l e sen s favorisan t l a consommafion de s ion s bicarbonate s CO3 et l e deacutepocirc t

de l a calcit e (CaCOs ) jusqu agrave latteint e dun e limit e qu i deacutepen d d e l a teneu r d e Ca en

solution Selo n Bonenfant (2008) cette situatio n deacutefini t eacutegalemen t l a capacit eacute dadsorptio n

de CO2

75

Le M g s e mobilis e e n mecircm e temp s qu e l e Ca ^ mais se s composeacute s son t plu s soluble s qu e

ceux d u calcium Le s concentrafions d e Ca^ sont en moyenne 1 0 fois plu s eacuteleveacutees qu e cell e

du M g apregrave s 6 heure s d e lixiviatio n e t cett e libeacuteratio n d e cation s (C a ^ et M g ) s e fai t e n

parallegravele ave c laugmentatio n d u p H e t d e l a conductivit eacute d e l a solutio n (Bonenfan t et al

2006)

Les reacutesultat s de s deux seacuterie s de tests (24 et 48 heures) su r le s capaciteacutes dadsorptio n d u CO2

par ce s reacutesidu s ont deacutemontreacute s qui l es t possibl e d e seacutequestre r l e CO 2 agrave parti r d e reacutesidu s e t

sous-produits industriel s alcalin s (voi r tableau 41) Les matrices d e ces mateacuteriaux sembleacute s agrave

posseacuteder un e grand e capacit eacute d e libeacuteratio n de s cation s e t de s ion s hydroxyle s capable s d e

reacuteagir avec l e CO2 Le s cendres volantes on t enregistreacute le s plus faibles reacutesultat s dadsorptio n

du CO 2 (15 pp) e t ce agrave cause des faible s teneur s e n calcium e t magneacutesium ( lt de 1 0 )

Pourtant le s capaciteacutes theacuteoriques dun e tonn e de cendres volante s contenan t 4 1 de chaux

peuvent seacutequestre r 32 2 k g d e C02tonn e d e cendre s volante s (Montes-Hemande z et al

2009) Quan t au x CKD leur s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestratio n d u CO 2 dan s de s

conditions dexpeacuterimentatio n ambiante s son t d e lordr e d e 11 5 kgtonn e d e reacutesid u

(Huntzinger et al 2009)

Lors l a carbonatation de s CK D e t des cendres volante s lettringit e es t transform eacute e n calcite

en quart z e t e n gypse Aucu n reacutesid u nattein t le s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestrafio n d u

CO2 mecircm e apregrave s 4 8 heure s d e carbonatation Ce s reacutesultat s sexpliquen t pa r l a formatio n

dune couch e d e carbonate su r le s particules qu i colmat e le s pores e t de ce fait l a libeacuterafio n

des ion s meacutetallique s d e C a e t M g dan s l a solufio n es t compromis e (Bonenfan t et al 2008

Hujgen et al 2006)

76

Tableau 41 Reacuteserves alcalines et potentiel de seacutequestration des reacutesidus alcalins

Type de reacutesid u

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FA E

(SI) Scories FP

(S2) Scories HF

(S3) CKD (Cl) CKD (C2)

Cendres volantes

(F)

Seacutequestration d e CO2 en 24 heure s (gdeCO2100gde

reacutesidu alcalin ) 35

36

47

59

65

47

-

Seacutequestration d e CO2 en 48 heures (g de CO2100g de

reacutesidu alcalin ) 34

31

36

107

84

79

6

L5

Reacuteserve alcalin e (mole de HClkg de

reacutesidu)

038

04

31

39

43

14

16

012

Selon lizuka (2004 ) mecircm e s i le s calcul s thermodynamique s indiquen t qui l es t

theacuteoriquement possibl e d e convertir plu s de 67 du calcium conten u dan s le s deacutechets de

ciment en carbonate de calcium le taux de conversion pratique est largement deacutetermineacute e par

les facteur s cineacutetique s d e l a reacuteactio n e t l e degreacute d e l a carbonatatio n es t limit eacute agrave quelque s

millimegravetres deacutepaisseur sur la surface des particules

La formation de s silicate s es t un autr e facteu r qu i baiss e l a libeacuteration de s ion s meacutetallique s

dans la solution aqueuse Ces reacutesultats indiquent que les chutes de pH et de conductiviteacute sont

plus eacuteleveacutees dans la solution de scories FP en solution que celles observeacutee dan s la solution

des scories FAEacute des boues rouges humides et segraveches des CKD et des cendres volantes

77

Toutes le s autre s eacutetude s d e seacutequestratio n d u CO 2 ont utilis eacute soi t de s tempeacuterature s e t de s

pressions eacuteleveacutees soit des granulomeacutetries beaucoup plus petites soit tous ces facteurs reacuteuni s

ensemble (voir tableau 42)

Tableau 42 Reacutesumeacute des reacutesultats seacutequestration du CO2 obtenus par dautres eacutetudes

Type de reacutesidus

Boues rouges

Scories

CKD

Cendres volantes

3 ^ ^

Tem

peacutera

(e

ndegC

22

100

70 200

22

22

25

Conditions opeacuteratoire s

S ^ 0 u

A

19

30 3

A

A

30

^

Rat

io L

S (

10

2

05 04

10

12

10

C G

ranu

lom

(e

n pr

r

I

lt38

lt10 lt

01 38-160

I

I

0 _ T3 4 J V -

Vite

sse

bras

ag

ten

ron

300

1000

--

300

-

-

c

Tem

ps (

heur

es

24

05

2 2

24

816

18

CaO e n

de masse

55

317

48

41

Potentiel d e seacutequestr

theacuteorique du C02en kgkg 006^

025

016

003

Reacutesultat de

seacutequestr du C02e n

kgkg

0043

75 du total de Ca

002 013^

025

012^

003

1) Hujgen et al (2005) 2) Eloneva et al (2008) 3) Baciochi el al (2009) 4) Bonenfant et al (2008) 5) Khaitan (2003) 6) Huntzinger (2009) 7) Montez-Hemandez (2009) A=atmospherique I=industrielle

Les reacutesultats obtenus par ces eacutetudes deacutemontrent que dans les cas des scories dacieacuteries e t des

poussiegraveres d e fou r de s cimenteries loxyd e d e calciu m es t loxyd e meacutetalliqu e qu i leu r

confegravere leu r potentiel de seacutequestration du CO2

Dans le cas des boues rouges agrave part le calcium qui joue un rocircle significafif dan s le potentiel

de seacutequestration d u CO2 le sodium qui est libeacutereacute en quantiteacute preacutedominante peut eacutegalement

jouer un rocircle dans la seacutequestration du CO2 (Bonenfant et al 2006)

78

Il es t importan t d e note r qu e seule s le s scorie s F P on t doubl eacute leu r capacit eacute dadsorptio n d u

CO2 lors des essais de 48 heures par rapport aux essais de 24 heures

Selon l a litteacuterature l a taille de s particule s d e scorie s exerc e leffe t l e plu s significati f su r l a

reacuteaction plu s l a taill e de s particule s es t petite plu s l a reacuteactio n ave c l e CO 2 es t eacuteleveacutee L a

tempeacuterature e t l a ration L S eacuteleveacutee s jouent eacutegalemen t u n rocircle importan t su r l a dissolution d e

silicates (Baciocchi et al 2009)

En conclusion i l exist e u n lie n direc t entr e l e pouvoir alcali n e t la capaciteacute d e seacutequestratio n

du CO 2 pa r le s reacutesidu s alcalins Plu s l e pouvoi r alcali n es t eacuteleveacute plu s l a capacit eacute d e

seacutequestration d u CO2 par ces reacutesidus est eacuteleveacutee

42 Limpac t environnementa l d e la seacutequestration du CO2

Les reacutesidu s alcalin s eacutetudieacute s s e caracteacuterisen t pa r de s p H tregrave s eacuteleveacute s gracircc e agrave leur s teneur s

eacuteleveacutes dion s meacutetalliques Aucu n d e ce s reacutesidus n e deacutepassai t le s norme s environnementale s

traitant le s meacutetaux lourd s tels que le chrome le molybdegravene le mercure l e plomb etc

Bonenfant et al (2006) Huijge n et al (2005 ) e t Huntzinge r et al (2009 ) ont deacutemontr eacute

quaucun eacuteleacutemen t dangereu x n e se libegravere lor s de la lixivitaion de s reacutesidus alcalins carbonate s

tels que le s scories le s boues rouge s e t le s poussiegraveres d e four s d e cimenteries Le s eacuteleacutement s

les plu s lixivieacute s son t l e calcium e t l e sodium preacutesent s dan s le s lixiviat s de s boue s rouge s e t

des scories Laluminiu m es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quantiteacute s dan s ce s solufion s

(Bonenfant ea 2006)

En c e qu i concem e l e tau x d e libeacuterafio n de s eacuteleacutement s reacuteactif s de s scorie s FA Eacute d e

granulomeacutetrie 06 3 - 12 5 mm l a concentration d e Ca est e n moyenn e 1 0 fois plu s eacuteleveacute e

que cell e d u Mg ^ et attein t u n maximu m apregrave s 6 h d e lixiviatio n (Bonenfan t et al 2006)

Les autres meacutetaux eacutetudieacutes ne sont preacutesents quen petite s quantiteacutes agrave leacutetat d e trace ou absents

des lixiviats (Proctor et al 2000)

79

Quant au x cendre s volantes aucun e libeacuteratio n d e substance s toxique s meacutetallique s n a eacutet eacute

observeacutee apregraves 1 8 heures de lixiviafion selo n Montes-Hemandez et al (2009) La lixiviatio n

Cr nest pa s influenceacutee pa r le processus de la carbonatation san s doute agrave cause de la faibl e

solubiliteacute de Cr ^ (Baciocchi et al 2009) Agrave ce stade de leacutetude la carbonatation de s reacutesidus

alcalins n e repreacutesenterai t pa s d e dange r su r l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Quan t au x autre s

composeacutes dangereu x eacutemi s dans latmosphegraver e tel s que l e SO2 lesNOx le s fluomres (gazeus e

et particulaire) les dioxines etc i l nexiste pas de donneacutees significatives su r la question

43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins perspective s de lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e

Les reacutesultat s expeacuterimentau x d e l a seacutequestration mineacuteral e d u CO 2 indiquent qui l es t possibl e

dabaisser le s eacutemission s d e c e ga z pa r le s troi s industrie s concemeacutees Toutefois i l fau t

analyser ce s reacutesultat s dan s un e perspectiv e d e deacuteveloppemen t durabl e afi n d e mieu x

comprendre limpac t d e cett e technologi e su r lenvironnement leacuteconomie le s insfitution s

politiques et la socieacuteteacute

Le tablea u 4 3 es t l a suit e d u tablea u d e l a pag e deu x d u preacutesen t travai l e t i l illustr e le s

eacutemissions d u CO 2 par le s troi s industries le s rendements d e l a seacutequestratio n mineacuteral e e t le s

calculs de s reacuteductions de s eacutemission s d u CO2 si cette technologie serai t appliqueacute e agrave leacutechell e

industrielle Dan s l e tablea u 43 le s reacuteduction s calculeacutee s de s eacutemission s d u CO 2 pa r l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s alcalin s de s troi s industrie s son t asse z modeste s s i o n

considegravere qu e le s eacutemission s d e c e ga z eacutemise s pa r le s activiteacute s humaine s seacutelegraveven t agrave 3 8 G t

(GIEC 2007) Toutefois s i o n considegraver e qu e le s troi s industrie s eacutemetten t 1 6 de s

eacutemissions totale s de s acfiviteacute s industrielles le s reacuteduction s de s eacutemission s d u CO 2 proposeacute s

par cette technologie semblen t non-neacutegligeables

80

Tableau 43 Reacutesumeacute des eacutemissions par les trois industries et les baisses respectives de leurs eacutemissions suit e agrave la seacutequestration d u CO2 par leurs reacutesidus alcalin s

Type dindustrie

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Emissions duC02 (en Gt)

015

17

18

Quantiteacutes d e reacutesidus

alcalins (en Mt)

90

350-420

480

Pouvoir de seacutequestration mineacuteral e des reacutesidus industriel s alcalins ( t de C02t de

reacutesidu)

0032

0073

0016

Reacuteduction de s eacutemissions d e

CO2 (en Gt)

00003

0026-003

008

Limplantation d e cett e technologi e agrave leacutechell e industriell e demand e un e eacutetud e eacuteconomiqu e

approfondie Pou r c e faire i l fau t tou t dabor d deacutetermine r le s paramegravetres optimum s d e cett e

technologie tel s que l a dureacutee d e l a seacutequestration l a pression e t la granulomeacutetri e agrave utiliser I l

faut entr e autres teni r compt e d e lintervall e d e production de s quantiteacutes d u typ e d e

transport (contin u o u discontinu ) e t d u temp s d e seacutejou r dan s le s usine s de s reacutesidu s alcalin s

produits pa r le s troi s industries L e choi x d e ce s paramegravetre s influencer a directemen t l e

rendement d e l a seacutequestratio n d u CO 2 Or d e no s jours limplantatio n dun e nouvell e

technologie n e deacutepen d pa s seulemen t d e so n efficacit eacute eacuteconomique Plusieur s dautre s

aspects rentren t e n lign e d e compte E n fait i l fau t utilise r un e approch e systeacutemiqu e (4R -

VD Reacuteduire Reacuteutiliser Reacuteparer Reacutecupeacuterer Valoriser Disposer ) s i o n veu t teni r compt e

de toute s le s interacfion s e t le s impact s quun e tell e deacutecisio n peu t engendrer L a figur e 4 1

illustre le s interaction s entr e le s quatr e pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e pa r rappor t au x

reacuteductions des eacutemissions du CO2 par les trois industries eacutetudieacutees

La figure 4 1 montr e qu e l e deacuteveloppemen t durabl e e n geacuteneacutera l deacutepen d d e l a quantit eacute e t su r

tout d e l a qualit eacute de s interaction s entr e le s quatr e piliers D e c e fait limplantatio n d e l a

technologie d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 n e deacutepen d pa s qu e d e lefficacit eacute

eacuteconomique mais aussi des lois eacutemises par les institutions politiques

81

^ ^ ^ ^ a ^ J S S Eacute agrave ^ ^ ^

SOCIEacuteT Eacute ^ bull participation agrave la W

pris e des deacutecisions

X^^jpraquo^

ENVIRO gt

^ EacuteCONOMI E bull croissance bull efficacit eacute bull stabiliteacute bull valorisation

DEacuteVELOPPEMENT DURABLE

JNEMENT bull biodiversiteacute

bull ressources naturelles bull pollution

J INSTn rUTIONS bull lois bull regraveglements

bull infiastructure

p

1 II

Figure 41 Deacuteveloppement durable et seacutequestration du CO2

Dune maniegraver e plus simple on peut dire que les institutions politiques on t le pouvoir e t la responsabihteacute dexiger par les entreprises de limiter leurs eacutemissions du CO2 voir agrave supprimer ces demiegraveres agrave la source Mecircme si le processus de la seacutequestration mineacuteral e du CO2 est un pheacutenomegravene nature l exothermique i l faudrai t ufilise r dautre s source s deacutenergi e afi n d e lacceacuteleacuterer et par voie de conseacutequence augmenter le rendement de la seacutequesfi-ation du CO2 I l est preacutefeacuterable de remplacer les combustibles fossiles par des eacutenergies moins polluantes telles que leacutenergie nucleacuteaire et leacutenergie eacutelecfrique etou solaire

La socieacuteteacute peut jouer son rocircle de piher en demandant aux pouvoh-s politiques deacutemettre des lois qui exigent aux entreprises de respecter lenvironnement e t dameacuteliorer l a qualiteacute de vie de la socieacuteteacute Dans le mecircme ordre dideacutees l a socieacuteteacute peut exercer un e pression important e sur les entreprises en utilisant leur pouvoir dachat comme moyen de pression

82

Les reacutesultat s obtenu s lor s d e cett e eacutetud e ont deacutemontr eacute qu e limpac t su r lenvironnemen t es t

positif su r tou t a u nivea u d e l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Dautre s eacutetude s son t neacutecessaire s

pour eacutetudie r leffe t de s autre s composant s gazeu x su r lenvironnemen t e t l a sant eacute humaine

Le fai t dutilise r le s reacutesidus e t les sous-produit s industriel s alcalin s afi n d e seacutequestre r l e CO2

et l a revalorisation d e ces derniers dans plusieurs nouveaux domaine s pourrai t provoque r de s

changements neacutegatif s a u nivau x d e leacuteconomi e (changemen t d e prix augmentatio n d e l a

concurrence entr e le s entreprises ) e t d e l a socieacutet eacute (changemen t d e l a qualit eacute d e vie) D e c e

fait i l import e qu e tou s le s acteur s repreacutesentan t le s quatre pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e

travaillent e n eacutetroit e collaboratio n pou r qu e cett e technologi e soi t viabl e e t e n tota l respec t

avec lenvironnement

CONCLUSIONS

La preacutesente eacutetude avai t pour objecti f d e deacuteterminer le s reacutesidus et le s sous-produits industriel s

alcalins offrant le s meilleurs potenfiels d e seacutequestration d u CO2

Pour c e faire troi s type s d e scories (HF FP FAEacute) de s acieacuteries deux type s d e boues rouge s

(humides e t segraveches ) de s aluminerie s e t deu x type s d e reacutesidu s de s cimenterie s (CK D e t

cendres volantes ) ont eacutet eacute testeacute s e n cuveacutee Afi n d e mieu x eacutevalue r leur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 des seacuterie s d e test s d e 2 4 e t 4 8 heure s on t eacutet eacute reacutealiseacutes Le s condition s

opeacuteratoires eacutetaien t le s suivantes tempeacuterature = 20-22degC pression atmospheacuterique ratio SL =

10 kgkg vitesse de brassage = 200 rpm granulomeacutetrie industrielle eau deacutemineacuteraliseacutee

Les reacutesultat s obtenu s lor s le s essai s d e 2 4 heures on t deacutemontr eacute qu e troi s reacutesidu s alcalin s s e

sont deacutemarqueacutes pa r leurs hauts potentiels de seacutequestration d u CO2

bull le s scories HF 65 kg de C02t de scories

bull le s scories FP 59 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours de cimenteries (CKD) 47 kg de C02t de CKD

En revanche le s reacutesultat s obtenu s lor s le s essais d e 48 heure s ont deacutemontr eacute qu e le s mecircme s

reacutesidus alcalin s permettaien t dobtiermen t d e meilleur s reacutesultat s d e seacutequestratio n d u CO2

mais cette fois ci ce sont le s scories FP qui se trouvent en tecircte

bull le s scories FP 107 kg de C02t de scories

bull le s scories HF 84 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours d e cimenteries (CKD) 79 kg de C02t de CKD

84

Ces reacutesultat s sexpliquen t pa r de s teneur s plu s eacuteleveacutee s doxyde s meacutetallique s tel s qu e le s

CaO MgO AI2O3 Cr203 Ti02 FeO Mn O Si02 dan s ce s troi s reacutesidu s pa r rappor t au x

autres reacutesidu s testeacutes Ce s oxyde s e t leur s hydroxyde s respecfif s reacuteagissen t ave c l e CO 2

dissout dan s lea u e t formen t de s bicarbonate s thermodynamiquemen t stables

Theacuteoriquement l a teneu r eacuteleveacute e e n ion s meacutetallique s s e tradui t pa r u n potentie l d e

seacutequestration d e CO 2 eacuteleveacute Toutefois l a diffeacuterenc e d e reacutesultat s d e seacutequestratio n entr e le s

scories lor s de s deu x essai s a deacutemontreacute qu e mecircm e s i le s meacutecanisme s d e carbonatatio n son t

semblables pour tous le s types de reacutesidus alcalins l a nature e t l a mod e de fabricatio n d e ces

derniers influencen t sensiblemen t leur s potentiel s d e seacutequestration C e consta t es t valabl e

aussi bie n pou r le s reacutesidu s preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes Dailleurs le s test s su r l a

carbonatation de s reacutesidu s filtreacutes (preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes ) on t indiqu eacute qu e le s reacutesidu s

alcalins libegraveren t facilemen t leur s ion s meacutetallique s dan s l a solufio n aqueus e e t qu e le s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 de ce s derniegravere s son t inteacuteressantes Toutefois c e son t le s

reacutesidus non-preacutelixivieacute s e t non-filtreacute s qu i on t enregistreacute s le s meilleur s reacutesultat s d e

seacutequestration

Les autres objectif s d e ce travai l consistaien t agrave eacutetudier leacutevolutio n d e pH de l a conductiviteacute

et du pouvoir alcalin de s reacutesidus testeacutes

Premiegraverement le s valeurs de pH des scories des boues rouges e t des CKD obtenues apregraves l a

carbonatation son t tregrave s semblable s soi t leacutegegraveremen t au-dessu s d e 7 Seulemen t le s cendre s

volantes ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7

Deuxiegravemement le s test s su r l e pouvoi r alcali n de s scorie s ont indiqu eacute qu e le s scorie s

dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute d e neutralisation plu s eacuteleveacutee qu e tous le s autres reacutesidus D e

plus le s scories H F son t le s plus reacuteactives avec une reacuteserve alcalin e de 43 moles de HClk g

de scories L a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n oxyde s

meacutetalliques plu s particuliegraveremen t de s oxyde s meacutetallique s basique s tel s qu e l e Ca O e t l e

MgO scorie s F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

85

Troisiegravemement le s tests de la cineacutetique dadsorption d u CO2 par le s scories FP ont deacutemontr eacute

que l a seacutequestratio n d u CO 2 se reacutealise plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegraveres minute s d e la

reacuteacfion C e reacutesulta t sexpliqu e pa r l e fai t qu e l a formation dun e couch e d e carbonate su r l a

surface de s particule s de s reacutesidu s empecircch e l a libeacuteratio n dan s l a solufio n aqueus e de s ion s

meacutetalliques ayan t pou r conseacutequence l a baisse du taux de carbonatation

Enfin laugmentatio n pa r deux d e la dureacutee de carbonatation (d e 24 agrave 48 heures) ne se tradui t

pas par des doublement s de s potentiels d e seacutequestrafion d u CO 2 par le s reacutesidus alcalin s pou r

les raisons mentionneacutes ci-dessus

Perspectives

Cette eacutetud e sinscri t dan s loptiqu e d e deacuteveloppe r u n proceacuted eacute simpl e e t eacuteconomiqu e d e

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s industriel s alcalins D e c e fait

plusieurs perspective s son t identifieacutee s suite au x reacutesultat s obtenu s pa r cett e eacutetude E n voic i

quelques unes

bull eacutelargi r leacutetud e su r la seacutequestrafion d u CO2 avec dautres reacutesidu s industriel s tels les boues

de deacutesencrage de s papeteries le s reacutesidus d e constmctions e t d e deacutemolitions le s deacutechet s

municipaux le s deacutechet s d e lindustri e de s plastiques le s deacutechet s de s hocircpitau x etc

Plusieurs eacutetude s indiquen t qu e ces reacutesidus son t riche s e n oxyde s meacutetallique s e t peuven t

ecirctre utiliseacutes eacuteventuellement agrave la seacutequestration du CO2

bull puisqu e le s source s dea u douce s son t e n diminutio n constant e a u nivea u planeacutetaire i l

serait inteacuteressan t agrave envisage r l a reacutealisatio n d e cett e mecircm e eacutetud e ave c d e lea u d e mer

Cette perspectiv e pren d un e importanc e particuliegraver e s i o n considegraver e qu e plusieur s pay s

de Moye n Orient o ugrave son t deacutej agrave installeacutee s plusieur s aluminerie s e t cimenteries ont tregrave s

peu de sources deau douce

86

bull reacutealise r de s essai s pilotes e n colonnes afi n d e veacuterifie r l e transfer t d e ce s reacutesultat s dan s

des conditions expeacuterimentales semblables agrave celles industrielles

bull effectue r un e eacutetude eacuteconomique afin de savoir si ce proceacutedeacute est eacuteconomiquement viable

bull effectue r un e eacutetud e d e cycl e d e vi e afi n d e deacuteterminer entr e autres limpac t

environnemental de ce proceacutedeacute

ANNEXES

ANNEXE I

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LALUMINIUM

Bauxite ^

CaO bull

NaOH bull

bull

Raw Material s

1 Digestion

Liquor Heatin g

Liquor Surge

T Evaporation

Removal

1

Steam

Liquor Flashing

Heating

N Impunties

lt

Fuel ^

Steam

Sand Seacuteparation

1 Fuial residue

Cooling

i

Preacutecipitation

seedT ^ Classification

1 Washing

1 Calcination

^

-^^^

SandResidue Wa-shing

JL Solids Liquo r

Solids Disposa i

^ Wate r

^ Alumin a

Figure All Proceacuted eacute Bayer Tireacute de Hind ea (1999)

ANNEXE II

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LACIER

AnninmeacuteratJon

J ^=2=vBB Minefo i d e fe r Chofbon

Haut-Fourneau

o Eacutebauche de formes solide s (demi-produi t ) pa r moulag e de lacie r liquide

Acier liquide mi s

^lanuoncey statio n datfinage

Machine de couleacutee

continue

e Transformation de s eacutebauches e n produits finis par laminage

okerie

Eacutelaboration d e lacie r liquide agrave part ir d e minerai de fer

AciefS plats

Train de laminage

agrave chau d

obinojx

Produit fin i

Figure A21 Proceacutedeacute de fabrication de lacier Tireacute de Arcelor Meacutediterraneacutee

tli(ipwwwarcelormediteiTanee coindecouvertefabricationschemahtm)

X

Figure 3 6 Courbe s de titrage des CKD Cl e t C2 en foncfio n du volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 3 7 Courbe s de titrage des boues rouges segraveches et humides en foncfion d u volume dacide ajout eacute 6 0

Figure 38 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 8 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (A) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 48 heures 6 2

Figure 39 Variatio n de ladsorption d u CO2 par les 6 reacutesidus non-preacutelixivieacutes (C) et preacutelixivieacutes (D) filtreacutes et non- filtreacutes lors des essais de 24 heures 6 4

Figure 310 Eacutevolufio n d u pH des scories FP filtreacutees e t non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 6

Figure 311 Eacutevolutio n de la conductiviteacute des scories FP filtreacutees et non filtreacutes en fonction d u temps de barbotag e au CO2 6 7

Figure 312 Eacutevolutio n du pouvoir de seacutequestration d u carbone de scories FP filtreacutees et non filtreacutees en fonction d u temps de barbotage au CO2 6 8

Figure 313 Vitess e dadsorption d u CO2 en foncfion d u temps par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes et non filtreacutes 6 9

Figure 41 Deacuteveloppemen t durabl e et la seacutequestration d u CO2 8 1

LISTE DE S ABREacuteVIATIONS SIGLES ET ACRONYME S

AIE

AMPERE

CKD

EacuteTS

FAEacute

FHWA

FP

Agence internationale d e leacutenergi e

Commission pou r lAnalyse de s Modi Redeacuteploiement de s Eacutenergies

Cernent kiln dus t

Ecole de technologie supeacuterieur e

Four agrave arc eacutelectriqu e

The Feacutedeacuteral Highway Administratio n

Four Poch e

GES Ga z agrave effet d e serre

GIEC Group e dexpert s intergouvemementau x su r leacutevolution d u climat

HF Hau t fournea u

ICP-AES Inductivel y Couple d Plasma-Atomi c Emissio n Spectrometr y

MEA Mon o eacutethylamin e

PSA Pressur e Swin g Adsorptio n

STEPPE Statio n Expeacuterimental e des Proceacutedeacutes Pilotes en Environnemen t

TSA Therma l Swin g Adsorptio n

LISTE DES SYMBOLES ET UNITEacuteS DE MESURES

m

kg Mt

Gt

t

degC

Pa

atm

S

min

ppm

gmol

L

Ka

Ma

kJ

pH

rpm

trmin

IN

megravetre

kilogramme

Million de tonnes

Milliard d e tonnes

tonne

degreacute Celsiu s

pascal

atmosphegravere

Siemens

minute

parties par million par volume

grammes par mol

Litre

milliers danneacutees

millions danneacutees

kilo joules

potentiel hydrogegraven e

rotations par minute

tours par minute

1 X Normale

INTRODUCTION

Probleacutematique impact de s activiteacutes industrielle s

Lactiviteacute industriell e mondial e augment e san s cess e anneacute e apregrave s anneacutee L e bie n ecirctr e de s

millions d e personne s partou t dan s l e mond e e n deacutepend Toutefois lindustri e n a pa s creacute eacute

seulement d e l a richesse ell e a engendr eacute auss i plusieur s problegraveme s environnementaux U n

des problegraveme s environnementau x es t leacutemissio n de s ga z agrave effe t d e serr e (GES) I l exist e

plusieurs GES L e dioxyd e d e carbon e (CO2) l e meacutethan e (CH4) l e protoxyd e dazot e o u

loxyde nitreu x (N2O) lozon e (O3) le s chlorofluorocarbone s (CFC) le s hydrocarbure s

halogegravenes (HFC PFC) lhexafluomr e d e soufr e (SFOcirc ) son t le s principau x GE S (GIEC

2007)

Ces gaz don t l e dioxyd e d e carbon e (CO2) jouent u n rocircl e majeu r dan s l a reacutegulatio n d e l a

tempeacuterature terrestre ca r il s laissen t passe r le s radiafion s solaires mai s absorben t certaine s

radiations infrarouge s (chaleur ) eacutemise s pa r l a surfac e chaud e d e l a Terr e c e qu i fa h

augmenter l a tempeacuteratur e d e latmosphegravere L e dioxyd e d e carbone avec un e dureacute e d e vi e

exceacutedant 12 0 an s e t un e contributio n pou r enviro n 5 5 d u reacutechauffemen t planeacutetaire s e

trouve e n tecirct e de s ga z agrave effe t d e serr e (Coolin g et al 2006) Entr e 197 0 e t 2004 le s rejet s

annuels d e CO2 l e principa l ga z agrave effe t d e serr e anthropique son t passeacute s d e 2 1 agrave 3 8

gigatonnes (Gt) soi t un e augmentatio n denviro n 8 0 Ce s rejet s repreacutesentaien t 7 7 de s

eacutemissions totale s d e GE S anthropique s e n 200 4 (GIEC 2007) L e Group e dexpert s

intergouvemementaux su r leacutevolution d u climat (GIEC 2007) estime que l a teneur moyenn e

en CO 2 dan s latmosphegraver e a augment eacute plu s d e 30 depui s l e deacutebu t d e legraver e industrielle

passant d e 28 0 ppm v agrave 37 9 ppmv D e plus lAgenc e intemational e d e leacutenergi e (AIE )

constate qu e le s eacutemission s d e dioxyd e d e carbon e lieacutee s au x activiteacute s humaine s devraien t

atteindre 4 3 G t pa r a n dic i 2030 soi t un e augmentatio n d e 6 0 (Gielen 2008) Ce s

augmentations pourraien t provoque r l a hausse de l a tempeacuterature d e l a surface d e la Terre e n

moyenne entr e 14deg C a u minimu m e t 4deg C a u maximu m su r l a peacuteriod e d e 199 0 agrave 210 0

(GEIC 2007)

Selon Environnemen t Canad a (2007) ce s augmentation s d e tempeacuterature s peuven t ecirctr e agrave

lorigine de s fonte s de s glaces d e laugmentatio n de s catastrophe s naturelle s e t d e l a

disparition d e plusieurs espegraveces animales et veacutegeacutetales

Contexte eacuteconomico-politiqu e

Les activiteacute s de s alumineries de s acieacuterie s e t de s cimenterie s produisen t chaqu e anneacute e de s

millions d e tonne s d e reacutesidu s alcalin s e t eacutemetten t dan s latmosphegraver e de s quantiteacute s

consideacuterables d e CO 2 L e tablea u ci-dessou s lillustr e le s eacutemission s d u CO 2 par le s troi s

industries

Type dindustri e

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Eacutemissions du CO2 (en Gt)

015

L7

18

Quantiteacutes de reacutesidus alcalins (en Mt)

90

350-420

480 (30 MT de CKD + 450MT de cendres

volantes de tout genre )

Sources

Institut Intemafional d e

laluminium (2008) Kumar eacutetal (2006 )

Miclos (2000) Gielen (2008)

Eloneva (2008) Konsta-Gdoutos et Shah (2003) Kumar et al

(2005)

Illustration de s eacutemissions d e CO2 et les quantiteacutes des reacutesidus alcalins produit s au niveau mondia l pa r les trois industries

Les eacutemission s d e CO 2 augmentent danneacute e e n anneacute e malgr eacute le s effort s de s entreprise s agrave le s

reacuteduire Pourtant l e protocole du Kyoto (1997) a fixeacute des objectifs d e reacuteduction d e GES pour

tous le s pay s signataires L e protocol e d u Kyot o a fixeacute a u Canad a agrave reacuteduir e d e 6 se s

eacutemissions d e GE S entr e 200 8 e t 201 2 pa r rappor t agrave lanneacute e 199 0 (Environnemen t Canada

2007)

Les quinz e pay s signataire s d e lUnio n Europeacuteenn e on t deacutej agrave attein t lobjecfi f d e 8

reacuteduction d e GES fixeacute pa r Kyoto (AEacuteE 2009) Des pays tels que la France LAllemagne l a

Gregravece l a Suegraved e l e Royaume Un i ont mecircme deacutejagrave attein t u n niveau infeacuterieu r agrave leur objectif d e

Kyoto Le s projection s reacutealiseacutee s pa r lAgenc e Europeacuteenn e pou r lEnvironnemen t (AEacuteE )

deacutemontrent qu e le s politique s climatique s e n vigueu r agrave lheur e actuell e permettron t d e fair e

une reacuteductio n suppleacutementair e d e 3 5 dic i 201 2 gracircc e agrave lacha t d e creacutedit s issu s d e projet s

de reacuteductio n de s eacutemission s meneacute s dan s le s pays tier s (AEacuteE 2009) L e Canad a e t le s Eacutetat s

Unis au contraire ont augmenteacute plus du double leurs eacutemissions de GES

Lameacutelioration d e lefficacit eacute leacutenergeacutetiqu e e t lutilisafio n d e source s alternative s deacutenergi e

pourraient reacuteduir e le s eacutemissions d e CO2 mais ces mesures seron t insuffisante s pou r atteindr e

les objectifs d e Kyoto ca r l a demande mondial e e n matiegravere premiegraver e augment e agrave un rythm e

soutenu Le s besoin s e n acie r e t e n aluminiu m connaicirctron t un e croissanc e d e 3 0 e t 60

par deacutecennie e t lInde estimen t Kuma r et al (2006) Kharoune (2006) ce qui rend neacutecessair e

la recherche d e nouvelle s technologie s d e seacutequestration d u CO2 De plus l a Chine e t lInd e

connaicirctront de s croissance s d e 8 0 agrave 100 pa r deacutecenni e dan s le s mecircme s domaines

Lindustrie d e lacier d e la Chine rejette 5 0 des eacutemissions mondiales du CO2 Dailleurs il

est agrave noter qu e le s eacutemissions d u CO2 par lindustri e d e production d e laluminiu m eacutetaien t d e

96 Mt en 199 0 au niveau mondia l e t elles ont eacuteteacute reacuteduites agrave moins de 25 Mt de CO2 en 2007

une reacuteductio n d e 7 4 alor s qu e l a productio n daluminiu m a doubl eacute pendan t l a mecircm e

peacuteriode d e 19 5 agrave 38 M t (GEIC 2006) Entre 199 0 et 2002 le secteur canadie n d u ciment a

ameacutelioreacute l e rendemen t d e se s four s d e 1 2 e t diminueacute se s eacutemission s d e GE S pa r tonne d e

produits cimentaire s d e 71 En chiffres absolus l a production total e nett e deacutemission s d e

CO2 a augmenteacute d e 23 de 199 0 agrave 2004 Toutefois l a production d e ciment a augmenteacute de

25 a u cour s d e cett e peacuteriode c e qu i expliqu e e n grand e parti e laccroissemen t de s

eacutemissions (Environnemen t Canada 2007) Dan s le s anneacutee s 1950 l a productio n mondial e

dacier eacutetai t denviro n 20 0 millio n d e tormes meacutetriques E n 2006 l e chiffr e seacutelevai t agrave 124 0

Mt dacier

Le Japo n fai t un e bonn e figure dan s l e cadr e d e reacuteduction s d e GES So n industri e dacie r a

reacuteduit d e 6 s a consommatio n deacutenergi e e n 200 5 pa r rappor t a u nivea u d e 199 0 (GEIC

2006) Le s entreprise s eacutemettrice s d e CO 2 doiven t fair e preuv e d e plu s dinnovation s e t d e

recherches technologique s dan s c e sens Louvertur e d e l a bours e d e carbon e depui s ma i

2008 agrave Montreacutea l leu r perme t deacutechange r leur s creacutedit s deacutemissio n d e GE S e t d e s e voi r

reacutecompenseacutees pour leurs efforts

Technique d e reacuteduction de s eacutemissions d e CO2 proposeacutee

Plusieurs proceacutedeacute s son t utiliseacute s pou r limite r le s eacutemission s atmospheacuterique s d e CO 2 qu i

agissent principalemen t su r l a captur e e t l a seacutequestrafio n d e c e gaz Alor s qu e le s proceacutedeacute s

membranaires e t dabsorption son t utiliseacutes pour l e captage d u CO2 le stockage e n reacuteservoir s

geacuteologiques o u miniers e n aquifegravere s salin s o u encor e pa r enfouissemen t oceacuteaniqu e son t

utiliseacutes pour l a seacutequestration (Bonenfan t et al 2006)

Lutilisation de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s issu s de s activiteacute s industrielle s telle s qu e

les alumineries le s acieacuterie s e t le s cimenterie s offren t d e nouvelle s possibihteacute s s e

seacutequestrafion d u CO2 Cett e technologi e es t baseacute e su r u n pheacutenomegraven e chimiqu e simpl e la

formation d e carbonate s stable s suite agrave labsorptio n d u CO 2 par de s composeacute s alcalin s tel s

que le s oxydes de calcium (CaO ) e t de magneacutesium (MgO) Lideacutee dutilise r le s reacutesidus e t les

sous-produits alcalin s afin d e seacutequestrer l e CO2 a eacuteteacute lanceacutee pour l a premiegravere foi s par Seifrit z

(1990) et a eacuteteacute eacutetudieacute en en profondeur pa r Lackner (1995)

La reacuteductio n de s eacutemission s d e CO 2 agrave l a sourc e sinscri t dan s l e cadr e du n processu s d e

gestion durabl e de s matiegravere s reacutesiduelle s e t preacutesent e u n inteacuterecirc t eacuteconomiqu e manifeste Agrave cet

effet l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuteral e e n milieu x aqueu x preacutesent e un e

alternative tregrave s inteacuteressant e (Huijge n et al 200 5 Bonenfan t et al 2006) 1 1 sagit du n

processus nature l menan t agrave l a formatio n de s carbonates produit s thermodynamiquemen t

stables et sans effet neacutefast e su r lenvironnement (Boenfan t et al 2006)

Les mateacuteriau x employeacute s dan s ce s eacutetude s son t de s sou s produit s e t reacutesidu s industriel s agrave

pouvoir alcali n tel s qu e le s scorie s de s acieacuteries le s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s

cendres volante s e t poussiegravere s de s four s de s cimenteries Cett e technologi e pren d un e

importance particuliegraver e s i o n parl e e n terme s d e quantiteacute s de s reacutesidu s produit s pa r ce s troi s

industries (voi r tableau 11 page 6) et qui peuvent ecirctr e utiliseacutes afin d e seacutequestrer l e CO2

En fait le s technologie s existante s d e seacutequestratio n d u CO2 agrave l a diffeacuterenc e d e l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s industriel s alcalins preacutesenten t de s coucirct s eacuteleveacute s d e 5 0 agrave

100 $ par tonn e d e CO 2 seacutequestreacute (Bonenfan t et al 2006 Eloneva 2008) Ces coucirct s eacuteleveacute s

empecircchent leu r application agrave grande eacutechelle

Objectifs d e leacutetud e

Le bu t d u preacutesen t travai l consist e agrave deacuteterminer expeacuterimentalemen t le s meilleurs pouvoirs d e

seacutequestration d u CO 2 pa r le s reacutesidu s e t le s sous-produit s industriel s alcalin s dan s de s

conditions ambiante s dutilisatio n tempeacuterature t = 20degC temps T= 2 4 et 48 heures pression

atmospheacuterique ambiante granulomeacutetrie industrielle)

De cet objectif deacutecoulen t le s sous-objectifs speacutecifique s suivant s

bull deacutetermine r le s critegraveres dutilisation de s mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r leffe t d u pH de la conducfiviteacute e t du pouvoir alcalin des reacutesidus en milieux

aqueux su r la capaciteacute de seacutequestration d u CO2 par les mateacuteriaux cibleacutes

bull eacutetudie r F effet d e la preacutelixiviation de s reacutesidus sur leurs capaciteacutes de seacutequestratio n

du CO2

Pour c e faire de s essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute meneacute s su r troi s type s d e scorie s (HF FP FAEacute)

deux type s d e boue s rouge s (humide s e t segraveches) deu x type s d e reacutesidu s d e cimenterie s

(poussiegraveres de fours e t cendres volantes)

Le preacutesent meacutemoire es t organiseacute comme sui t

Le Chapitr e 1 preacutesent e le s notion s fondamentale s d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO2

Apregraves avoi r list eacute le s plu s grand s eacutemetteur s de s ga z agrave effet s d e serr e nou s feron s l a lumiegraver e

sur le s caracteacuteristique s chimique s d u CO 2 e t le s technologie s existante s d e l a seacutequestratio n

mineacuterale d u CO 2 par le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalins L e Chapitre 2 aborde l a

meacutethodologie de caracteacuterisation de s reacutesidus alcalins Dans cette partie nous nous pencheron t

sur le s critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacutes l a faccedilo n don t le s

paramegravetres e t le s condition s dexpeacuterimentation s son t eacutetabli s e t su r l a meacutethod e danalys e

choisie L e Chapitr e 3 preacutesent e le s reacutesultat s obtenu s lor s de s essais L e Chapitr e 4 a pou r

objectif dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s obtenu s dan s l e cadr e d e cett e

eacutetude Enfin un e conclusion complegravete l e meacutemoire

CHAPITRE 1

REVUE DE LA LITTEacuteRATURE

11 Probleacutematiqu e du CO2

Les activiteacute s humaine s eacutemetten t de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e GE S don t l e CO 2 L a deacuteforestation e t lindustrie de leacutenergie sont les principaux responsables (voir figure 11) Les rejets mondiaux en 2007 suite agrave la deacuteforestafion son t denviron 8 4 Gt de CO2 sur une totale de 38 Gt de CO2 eacutemis dans latmosphegravere La Terre absorbait environ 1 1 Gt de CO2 en 2007 On retrouve un suppleacutement dans latmosphegravere de 27 Gt selon le GIEC (2007)

Les eacutetude s qu i traiten t l e reacutechauffemen t globa l d ucirc au x eacutemission s d e CO 2 pa r lactivit eacute humaine sont tregraves nombreuses Leffet d e serre est un pheacutenomegravene normal et neacutecessaire agrave la vie su r terre C e pheacutenomegraven e s e produi t pa r laccumulatio n de s ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere 1 1 perme t d e mainteni r un e tempeacuterature moyerm e agrave la surface d e l a terre de +18degC (GIEC 2001) San s leffe t d e serr e l a tempeacuterature moyenn e d e l a terre serai t d e -15degC

Deacutef 0 r estatio n et suite s

Proceacutedeacutes industriels

2sltyo ^

r 7 Bacirctiments

reacutesidentiels e t comnterciaux

9ltyo

Industr ies d e leacutenergie

27lty o

) ~ Transpor t

1 7

Figure 11 Reacutepartition par activiteacute des eacutemissions de CO2 dans le monde en 2004

Tireacute de GIEC (2007)

Pour mieu x comprendr e l a probleacutematiqu e d u reacutechauffemen t planeacutetaire i l import e d e bie n

connaicirctre le s caracteacuteristique s chimique s e t l e cycl e d u CO2 Le s page s qu i suiven t s e

proposent d e faire l a lumiegravere sur le sujet

111 L a chimi e du CO 2

Le dioxyd e d e carbon e a eacutet eacute identifi eacute pou r l a premiegraver e foi s dan s le s anneacutee s 175 0 pa r l e

physicien e t chimist e eacutecossai s Josep h Blac k (Villiers 2009) A tempeacuteratur e ambiant e (20 -

25C) l e dioxyd e d e carbon e es t u n ga z san s couleu r n i odeur qu i es t faiblemen t acid e e t

inflammable I l es t preacutesen t dan s latmosphegraver e dan s un e proportio n approximativemen t eacutegal e

agrave 00375 en volume soi t 375 ppmv (Bourque 2009)

La formul e moleacuteculair e d u dioxyd e d e carbon e es t l e CO2 Cett e moleacutecul e lineacuteair e es t

triatomique composeacute e du n atom e d e carbon e qu i es t reli eacute pa r doubl e liaiso n agrave deux atome s

doxygegravene 0=C=0 Le s atomes doxygegravenes dan s cett e formul e son t seacutepareacute s agrave des angles de

180 deg et son t lieacute s agrave latom e d e carbon e pa r de s liaison s covalente s qu i l a ren d no n polair e

selon Sienk o (1965) Dissou t dan s leau i l form e d e lacid e carboniqu e qu i peu t interagi r

avec de s composeacute s alcalin s tel s le s oxyde s meacutetallique s d e calciu m e t d e magneacutesiu m e t le s

zeacuteolites (Sienko 1965 Auroux et Gervasini 1990)

CO2 + H2 O - ^ H2CO 3 (11 )

Dans leau d e maniegravere reacuteversible lacid e carboniqu e reacuteagi t ave c lea u pou r forme r l e catio n

hydronium HsO^ et lion bicarbonate HCO suivant l a reacuteaction suivant e

H2CO3 + H2 O - ^ HCOs + HsO ^ (12 )

Il peu t seulemen t ecirctr e solid e agrave une tempeacuteratur e infeacuterieur e agrave -78degC L e dioxyd e d e carbon e

liquide existe principalement quan d i l est dissout dans leau

Le dioxyd e d e carbon e es t seulemen t solubl e dan s lea u lorsqu e la pressio n dinjectio n es t

maintenue Les proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2 sont deacutecrites au Tableau 11

Tableaull Le s proprieacuteteacutes physico-chimiques d u CO2

Tireacute de Goj et al (2002) Tardat-Hemy e t Beaudry (1984 )

Proprieacuteteacute Masse molair e

Graviteacute speacutecifiqu e agrave 21C Densiteacute critiqu e

Concentration dan s lai r Stabiliteacute Liquide Solide

Constante dHenry d e solubilit eacute Solubiliteacute dans leau agrave agrave 20 degC

Valeur 4401

153 agrave21 468

3703 10 Eleveacutee

Pression lt 4158 Tempeacuterature

29815 09

Uniteacute gmol

-kgm ppm

-kPa

lt -78 degC mol kg bar

volvol

Ces proprieacuteteacutes permetten t a u CO2 de capter le s rayons infr a rouge s provenan t d e la Terre de

lemmagasiner e t passe r agrave u n nivea u deacutenergi e supeacuterieur Lexceacuteden t deacutenergi e es t libeacuter eacute

apregraves dans latmosphegravere causan t ains i leffe t d e serre (GIEC 1990)

112 Cycl e du carbon e

Le carbone es t un eacuteleacutement essenfie l agrave la vie Le carbone sui t u n certain itineacuterair e su r la terre

qui es t appeleacute cycl e du carbone L e cycle du carbone se compose en deux parties le cycle du

carbone organiqu e e t celui d u carbon e inorganique Cett e seacuteparatio n (Bourque 2009 ) es t

artificielle car en reacutealiteacute ces deux cycles se reacutealisent en mecircme temps

Le cycle du carbone es t baseacute sur le dioxyde de carbone (CO2) qui peut ecirctre foumi agrave lair sou s

forme d e ga z e t agrave lea u sou s form e dissoute Le s plante s terrestre s utilisen t l e dioxyd e d e

carbone d e latmosphegraver e pou r creacutee r leur s propre s source s deacutenergi e e t pou r assure r leu r

croissance

10

Lors le processus naturel appeleacute l a photosynthegravese le s plantes libegraveren t de loxygegravene essentie l

agrave l a vie animale Ces t gracircc e agrave l a chlorophyll e qu e le s plantes e t certaine s bacteacuterie s peuven t

effectuer la photosynthegravese

La reacuteaction totale de la photosynthegravese est

6CO2 + 6H2O + Eacutenergie solaire -gt COcircH^O Ocirc + 6O2 (13 )

Les animau x qu i consommen t loxygegraven e libeacuter eacute pa r le s plante s sappellen t de s

consommateurs Ce s dernier s relacircchen t l e dioxyd e d e carbon e dan s latmosphegraver e duran t l e

processus d e l a respirafion L a respiratio n es t linvers e d e la photosynthegravese Agrave parti r d e

loxygegravene libr e O2 elle transforme tout e mafiegravere organiqu e en CO2 selon leacutequatio n chimiqu e

suivante

C6H12O6 + 6 O2 gt 6 CO2 + 6 H2O (14 )

La deacutecompositio n aeacuterobi e e t l a fermentatio n permetten t au x microorganisme s d e libeacutere r l e

CO2 dans latmosphegravere Toutefois l e carbone peu t auss i ecirctr e stock eacute sou s forme d e biomass e

dans le s racine s de s arbre s e t dautre s matiegravere s organique s duran t de s anneacutees Lorsqu e le s

couches d e seacutediment s compressen t cett e matiegravere de s combustible s fossile s seron t formeacutes

apregraves plusieur s siegravecles De s proceacutedeacute s geacuteologique s agrave long term e pourron t expose r l e carbon e

de ce s combustible s agrave lai r apregrave s un e longu e peacuteriode mai s habituellemen t l e carbon e de s

combustibles fossile s es t relacircch eacute lor s d e proceacuted eacute d e combustio n reacutealis eacute pa r lhomm e

(Bourque 2009) Bie n qu e l a combustio n de s combustible s fossile s ajout e d u dioxyd e d e

carbone agrave lair certai n dentr e eu x son t auss i relacircch eacute lor s d e proceacutedeacute s naturels te l qu e le s

eacuteruptions volcaniques Dan s leacutecosystegravem e aquatique l e dioxyde d e carbon e peu t ecirctr e stock eacute

dans le s roche s e t le s seacutediments I l prendra u n lon g temp s avan t qu e l e dioxyd e d e carbon e

soit relacircch eacute pa r l a deacutesagreacutegatio n de s roche s o u de s processu s geacuteologique s qu i apporten t le s

seacutediments agrave la surface d e leau (Bourque 2009)

11

Le dioxyd e d e carbon e stock eacute dan s lea u ser a preacutesen t agrave l a foi s comm e ion s carbonate s o u

bicarbonates Ce s ions fomient un e partie importante des tampons naturel s qui empecircche lea u

de deveni r tro p acid e o u tro p basique Lorsqu e l e solei l chauff e leau le s ion s carbonate s e t

bicarbonates retourneron t dan s latmosphegravere sou s forme d e dioxyde de carbone (Falkowsk i et

al 1998 Huntzinger 2009)

En 2003 Yamasak i estimai t agrave 1 4 G t l a quantiteacute d e carbone captur eacute d e latmosphegraver e pa r le s

systegravemes terrestre s agrave laid e d e l a photosynthegravese Selo n ce t auteur loceacutea n emmagasin e plu s

de carbon e qu e l a veacutegeacutetafio n terrestre soi t 3 8 000 Gt L e phytoplancto n emmagasin e 5 0 agrave

100 G t d e carbon e qu i soi t un e quantit eacute beaucou p plu s important e qu e cell e emmagasineacute e

par la veacutegeacutetation terrestre

Les figure s 1 2 e t 1 3 montren t qu e l e gran d reacuteservoi r d e carbon e es t constitu eacute

principalement pa r le s roche s seacutedimentaires Loceacutea n repreacutesent e auss i u n autr e grand

reacuteservoir surtou t agrave de s profondeur s supeacuterieure s agrave 10 0 m L e seacutejou r d u carbon e dan s le s

reacuteservoirs deacutepend du type de reacuteservoir ougrave il se trouve

Le seacutejou r d u CO 2 est d e quatr e an s dan s latmosphegravere d e 1 1 ans dan s l a biosphegravere d e 38 5

ans dan s lhydrosphegraver e superficiell e (oceacutean d e 0 agrave 10 0 m) d e plu s d e 10 0 K a (millier s

danneacutees) dan s loceacutean profon d e t de quelques 200 Ma (millions danneacutees) dan s la lithosphegraver e

(Bourque 2009) Le cycl e d u carbone es t composeacute d e plusieurs sous-cycle s qu i duren t d e l a

deacutecennie (l e recyclag e d u CO 2 pa r le s plantes ) au x centaine s d e million s danneacutee s (l e

recyclage d u carbon e organiqu e pa r lintermeacutediair e de s roche s seacutedimentaire s o u de s

hydrocarbures pa r exemple)

12

C y c l e y c o u r t gt v

C y c l e 1 o n g

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C Y C L E O U C A R B O N E O R G A N I Q U E

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S O L S T E R R E S T R E S e l

S e O I M E M T S M A R I M S

l e o o 1 S e d 1 m e n 1 a 1 p o n

A l t e r a t l o n O O 5

( e t e n f o u i s s e m e m

R O C H E S S Eacute D I M E N T A I R E S i n c l u a n t k ^ r o g ^ n e s p eacute t r o l e s c h a r b o n s

1 O O O O O O O

bull V o i o u - s C n Ccediljs ^ g g a i 3 T - raquo r gt t s d t c a t o o ^ s o - t o n K u m o K a s t i n p o l C a r i ^ ^ l O ^ D P O O Icirc V C O M

)

N

gt a 1 1

Figure 12 L e cycle du carbone organique Tireacute de Bourque (2009)

Figure 13 L e cycle du carbone inorganique Tireacute de Bourque (2009)

13

12 Technologie s d e captage et de seacutequestration du CO2

121 Technologie s d e captage du CO2

Afin d e contre r le s effet s neacutefaste s d u reacutechauffemen t climatiqu e plusieurs technologie s d e

captage e t de seacutequestration d u CO2 on t eacuteteacute deacuteveloppeacutees ce s derniegraveres anneacutees L a majoriteacute d e

ces technologie s n e son t pa s encor e implanteacute e agrave leacutechell e industrielle ca r leur s faible s

efficaciteacutes e t leur s coijt s eacuteconomique s eacuteleveacute s ont empecirccheacute s leu r implantatio n (Herzo g et al

1997 Herzog 2001 Yang et al 2008) Dan s cett e partie nou s deacutecrieron s briegravevemen t le s

technologies d e captag e d u CO 2 et nou s nou s attarderon s plu s e n deacutetai l su r le s technologie s

de seacutequestration d u C02par des mateacuteriaux alcalins

Proceacutedeacutes dadsorption pa r les amineacutes

Les technologie s baseacutee s su r labsorptio n d u CO 2 par le s amineacute s son t le s plu s freacutequemmen t

ufiliseacutees dan s le s industrie s peacutetroliegraveres dextractio n d u ga z nature l e t d e l a productio n

dammoniaque (Lia o et al 2002 Ra o et al 2002) L a mon o eacutethylamin e (MEA ) pa r

exemple reacuteagi e ave c l e CO 2 e t form e l e carbamat e d e MEA O n utilis e l a solutio n d e ce t

composeacute afin dextrair e d u CO2 tregraves pur (Stewart e t Hessami 2005)

Ces technologie s offren t de s rendement s d e captag e d u CO 2 varian t d e 7 5 agrave 9 0 e t de s

grades d e puret eacute d u CO 2 supeacuterieur s agrave 9 9 Malgr eacute de s rendement s satisfaisants ce s

technologies ont de s inconveacutenient s majeur s le s coiit s dinvesfissemen t e t dexploitatio n

sont eacuteleveacutes lufilisatio n dinhibiteur s d e corrosio n e t doxydafio n e t leur s rendement s

deacutependent de s condifion s dutilisafio n (Jo u et al 1995) L a consommatio n deacutenergi e es t

eacutegalement tregrave s eacuteleveacutee (Fauth et al 2005)

Proceacutedeacutes dadsorptio n pa r les zeacuteolites e t les charbons actif s

Les mateacuteriaux tel s que le s zeacuteolites e t les charbons actif s ont de s surfaces speacutecifique s eacuteleveacutee s

(gt 150 0 m^g ) e t adsorben t seacutelectivemen t diffeacuterent s ga z e n fonctio n d e leu r superficie l a

taille des pores et les volumes de pores (Rege et Yang 2001)

14

Ce processu s repos e su r la neutralisatio n du n ga z acid e for t (CO2 ) pa r un e bas e faibl e

(absorbant) Il s opegraverent agrave des cycles dites de pression PSA (Pressure-Swing-Adsorption) o u agrave

des cycles thermiques TSA (Thermal-Swing-Adsorption)

Ce typ e dadsorpfio n peu t atteindr e u n rendemen t denlegravevemen t d u CO 2 denviro n 9 2

Toutefois le s zeacuteolithe s n e son t pa s efficace s pou r capte r l e CO 2 eacutemi s pa r le s centrale s agrave

charbon car la consommation deacutenergi e es t tregraves eacuteleveacutee (Maroto-Valer 2005)

Proceacutedeacutes membranaire s

Ces technologie s utilisen t de s membrane s constitueacutee s du n polymegraver e deacutepos eacute su r u n suppor t

microporeux o u meacutetalliqu e o u du n film liquid e absorban t immobilis eacute su r u n suppor t d e

polymegravere (Fero n et al 1992 Herzog et a1997 Herzog 2001) L e CO2 est mis en contac t

avec l a membran e e t l e polymegraver e o u l e film liquid e qu i facilit e so n transpor t agrave traver s l a

membrane a u deacutetrimen t de s autre s polluants Ce s proceacutedeacute s offren t plusieur s avantage s pa r

rapport au x autre s proceacutedeacute s pa r leur s simpliciteacute s e t leur s stabiliteacutes Toutefois ce s

technologies preacutesenten t d e seacuterieu x deacutesavantage s don t de s coucirct s dutilisatio n eacuteleveacutes de s

rendements d e captag e d u CO 2 infeacuterieur s agrave 8 0 un e faibl e seacutelectiviteacute e n plu s d e n e

pouvoir traiter que des effluents ayan t de faibles concentration s en CO2 (Yang et al 2008)

122 Technologie s d e seacutequestration d u CO 2

Laugmentation constant e de s activiteacute s industrielle s de s acieacuteries de s cimenterie s e t de s

alumineries a pour conseacutequenc e no n seulemen t laccroissemen t de s eacutemission s d u CO 2 mais

aussi laccumulatio n d e millions de toimes de reacutesidus alcalins partout dan s l e monde Le deacutef i

pour ce s entreprise s e t pou r l e mond e d e l a recherch e es t d e taill e utilise r ce s reacutesidu s

industriels afi n d e limite r (seacutequestrer ) un e parti e d u CO 2 eacutemi s dan s latmosphegravere E n fait

cest depui s le s quinz e demiegravere s anneacutee s qu e l a recherch e essay e agrave reacutepondr e agrave cett e

probleacutemafique

15

Les effort s le s plus consistant s reposen t su r l e deacuteveloppement dun e technologi e utilisan t le s

scories de s acieacuterie s e t le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s comm e matrice s afi n d e

seacutequestrer l e CO 2 (Hujge n e t al 2005 Kharoune 2006) Quan t agrave lutilisatio n de s boue s

rouges de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e cimenterie s son t dan s leur s

premiegraveres phases dessais

Les technologie s d e seacutequestratio n d u CO 2 o n peu t le s classifie r e n quatr e cateacutegorie s l a

seacutequestration oceacuteanique l a seacutequestratio n biologiques l a seacutequestratio n geacuteologiqu e e t l a

seacutequestration mineacuterale s des mateacuteriaux alcalins Il importe de mentionner qu e la deacutefinition d e

technologie es t peut-ecirctr e inexacte ca r l e pheacutenomegraven e d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r de s

matiegraveres alcaline s es t u n pheacutenomegraven e naturel Toute s ce s laquotechnologies raquo permetten t l a

seacutequestration d u CO2 agrave tregraves long s termes (plusieur s millier s agrave plusieurs million s danneacutees ) agrave

lexception d e l a seacutequestration d u CO2 par l a biomasse de s veacutegeacutetaux qu i n e l e seacutequestre qu e

pour une cinquantaine danneacute e (Santos 2006)

La seacutequestration oceacuteaniqu e

Les oceacuteans ont u n potentie l d e seacutequestration d u CO2 tregraves eacuteleveacute plus de 100 0 Gt (AMPERE

2006) mai s l a dureacute e d e reacutetentio n d u CO 2 est beaucou p plu s court e qu e le s autre s type s d e

seacutequestration L e CO2 injecteacute agrave 1500 m de profondeur libegraver e 1 8 de la quantiteacute seacutequestr eacute du

CO2 apregraves 200 ans de stockage (Hanish 1999) Ceci sexpliqu e pa r l e fai t qu e le CO2 dissout

dans lea u s e transforme e n acid e carboniqu e H2CO 3 qui baiss e l e p H d e lea u marine De s

ions bicarbonates HCO3 et des ion s carbonates COs^ sont libeacutereacute s dans lea u qu i agrave leu r tou r

vont reacuteagi r ave c le s ions meacutetallique s qu i s e trouvent dans lea u pou r former de s sel s tels que

la calcit e CaCO s (carbonat e d e calcium ) e t l a dolomit e CaMg(C03)2 L a formatio n d u

carbonate d e calciu m CaCO j produi t deu x pheacutenomegravenes l e premie r es t celu i d e

laugmentation d e la concentration e n acide carbonique qu i peut auss i seacutecrir e CO 2 + HO et

par voi e d e conseacutequence d e cell e d u CO 2 et l e deuxiegravem e es t celu i d e l a reacuteductio n d e l a

concentration e n ions bicarbonates ce qui va provoquer une baisse du pH

C02(g) + CaC03(s) + H2O -^ Ca-(aq ) + 2 HCO3 (aq) (15 )

16

Les concentration s eacuteleveacutee s d e CO 2 suites agrave l a productio n d e CaCO s provoquen t l a creacuteatio n

dun gradien t entr e loceacutea n e t latmosphegravere qu i favoris e un e diffusio n d u CO 2 de loceacutea n ver s

latmosphegravere (Bourque 2009)

Un autr e inconveacutenien t d e cett e meacutethod e es t l a distanc e su r laquell e l e CO 2 reacutecupeacuter eacute de s

usines doi t ecirctr e transporteacute pou r atteindre loceacutean L e coiagravet de cette meacutethod e d e stockage a eacuteteacute

estimeacute entre 1 8 et 12 8 $ par tonne de CO2 seacutequestreacute (AMPERE 2006)

La seacutequestration geacuteologiqu e

Le stockag e geacuteologiqu e d u CO 2 preacutesente un e autr e alternativ e inteacuteressant e pou r limite r le s

eacutemissions d e ga z dan s latmosphegravere LOues t canadie n pa r so n relie f e t se s caracteacuterisfique s

geacuteologiques sembl e lendroi t ideacuteal car les reacuteservoirs geacuteologique s peuvent recevoi r toute s le s

eacutemissions de CO2 qui seront produites au Canada dans les prochaines anneacutees

Toutefois plusieur s chercheur s sinquiegraveten t d e limpact d e ce gaz stockeacute agrave des pressions tregrave s

eacuteleveacutees su r le s paroi s rocheuse s (Reeve 200 0 His 2003 Thoma s e t Kerr 2005 Montes -

Hemandez 2009) L a dissolutio n d u CO 2 peu t cause r l a formatio n de s carbonates de s

oxydes meacutetallique s e t de s hydroxyde s qu i agrave longues terme s peuven t affecte r l a solidit eacute de s

reacuteservoirs (Montes-Hemande z 2009) L a seacutequestrafio n geacuteologiqu e d u CO 2 s e deacuteroul e e n

trois eacutetape s l e captage l e transpor t e t linjectio n d u gaz L e captag e es t leacutetap e l a plu s

coucircteuse du processus (GIEC 2005)

De plus plus des deu x tier s du coucirc t du captage e t du stockage d u CO2 provenant de s ga z de

combustion y sont accapareacute s pa r sa seacuteparation e t so n traitement Ce s coucircts eacuteleveacutes preacutesenten t

(40 agrave 7 0 $ ustonne d e CO2 ) l e principal obstacl e agrave l a commercialisatio n de s technologie s

de stockage du CO2 au Canada (Reeve 2000)

17

Stockage dans les gisements de gaz ou de peacutetrole

Cette technologie es t en cours de deacuteveloppement Le s gisements de gaz et de peacutetrole peuven t

servir d e reacuteservoir s naturel s d u CO2 Ce s reacuteservoir s offren t de s potentiel s d e seacutequestratio n

supeacuterieurs agrave 18 0 Gt de CO2 (Reeve 2000)

De nombreuse s expeacuterimentation s son t e n cour s a u Japon au x Eacutetats-Uni s e t e n Europe L e

CO2 capt eacute peu t ecirctr e inject eacute e t emprisonn eacute dan s de s structure s geacuteologique s telle s qu e de s

veines d e charbo n inexploitables de s gisement s eacutepuiseacute s d e ga z o u d e peacutetrol e o u de s roche s

poreuses Un e foi s aboutie cett e technologi e permettrai t d e reacuteduir e massivemen t le s

eacutemissions d e c e ga z agrave effe t d e serr e dan s latmosphegravere U n aspec t inteacuteressan t d e cett e

technologie es t le transport direc t du CO2 des usines vers les sites de stockage

Les grand s eacutemetteur s d e CO 2 tel s qu e le s alumineries le s acieacuteries le s cimenterie s e t le s

raffineries d e peacutetrol e peuven t utilise r facilemen t cett e technologi e (Montes-Hemandez

2009)

Stockage dans le s formations houillegravere s

Une autr e possibilit eacute d e seacutequestrafio n d u CO 2 es t linjecfio n dan s le s formafion s houillegravere s

(Mastalerz et al 2004) Le meacutethane (CH4) a la proprieacuteteacute de saccrocher au x paroi s rocheuse s

mais l e CO2 une foi s injecteacute deacuteplac e l e meacutethan e pou r prendr e s a place Cett e technologi e

preacutesente u n avantage consideacuterable l a vente du meacutethane ains i produi t peu t aide r agrave compenser

le coucirc t d e l a seacutequestratio n d u CO2 Deacutependan t d u typ e d e charbo n utilis eacute le s eacutetude s d e

laboratoire indiquen t quentr e deu x e t di x moleacutecule s d e CO 2 son t absorbeacutee s pou r chaqu e

moleacutecule d e meacutethan e libeacuter eacute (Stanto n et al 2001 Pa n e t Connell 2009) Linconveacutenien t

majeur d e cett e technologi e es t l a faible porosit eacute d e l a surface d u charbo n qu i s e tradui t pa r

un mauvais contac t du CO2 avec lensemble de la surface d u charbon

18

Stockage dans le s aquifegraveres salin s

Les reacuteserves planeacutetaires en eau saline deacutepassent largemen t celle s du peacutetrole e t de gaz naturel

Leurs potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 sont consideacuterables plu s 700 0 milliard s d e tonne s

de CO2 (Yang 2008)

Les aquifegraveres son t de s formation s geacuteologique s constitueacutes d e roches permeacuteable s contenan t d e

leau mobiliseacute e quelle s son t capable s d e restitue r naturellemen t (Herzo g et al 1997

Herzog 2001) Une telle technologie es t deacutejagrave utiliseacute e en Norvegravege o ugrave l a plate-forme offshor e

de ga z nature l d e Sleipne r inject e u n millio n d e tonne s d e CO 2 par anneacute e agrave 100 0 megravetr e d e

profondeur dan s la mer du Nord (Santos 2005)

Stockage dans la biomass e

Tel qu e expliqu eacute agrave l a sectio n 11 2 lor s d u processus d e l a photosynthegravese le s plantes verte s

absorbent d u CO 2 de latmosphegraver e afi n d e l e converti r e n glucos e e t e n dautre s substance s

indispensable agrave leu r survie Lor s d e l a respirafio n cellulair e l e glucos e es t laquobmleacute raquo pou r

produire d e leacutenergi e qu i ser t agrave mainteni r le s foncfion s vitale s de s veacutegeacutetau x (Campagna

1996) Les forecircts e t les algues marines sont les principaux reacuteservoir s vert s du CO2

Les forecirct s

Les arbre s duran t leu r croissance absorben t e t stocken t l e CO 2 de lai r jusquagrave c e qu e leu r

bois soi t brucircl eacute o u deacutecompos eacute naturellement Le s forecirct s contiennen t 8 0 d e l a biomass e

continentale (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s fonctionnen t donc duran t u n certai n temp s

comme de s puit s d e CO 2 e t contribuen t agrave reacuteduir e leffe t d e serre Un e forecirc t es t consideacutereacute e

comme pui s d e carbon e quan d ell e absorb e e t stock e l e CO 2 d e maniegraver e durabl e dan s l a

biomasse faisan t d e sort e qu e l a teneu r e n CO 2 d e latmosphegraver e diminue L a biomass e

aeacuterienne de s jeunes forecirct s agrave croissance rapid e fixe plus de gaz carbonique quell e nen rejett e

(Campagna 1996) Toutefois le s arbres mures des forecircts seacutequestren t tregrave s peu de CO2 Apregraves

une peacuteriode de 50 ans la forecirct es t consideacutereacutee mature

19

Ce nest pa s l e taux de fixation d u carbone qu i es t deacuteterminant mai s l e temps pendant leque l

il es t stock eacute dan s l a biomass e (Fischli n et al 2006) Le s forecirct s e t le s autre s type s d e

veacutegeacutetation peuven t capte r e t transforme r entr e 2 0 e t 30 de s eacutemission s causeacutee s pa r la

combustion deacutenergie s fossiles e t cett e valeu r pourrai t encor e ecirctr e augmenteacute e pa r de s

reboisements Cependant o n admet que tous les puits de CO2 du monde seron t satureacute s dici agrave

2050 Pa r ailleurs le s puit s actuel s pourraien t auss i deveni r de s source s d e CO 2 s i

latmosphegravere devai t s e reacutechauffer Fischli n et al (2006 ) considegraver e que n ca s d e

reacutechauffement climatiqu e selo n le s modegraveles preacutevisionnels actuels le s peacuteriodes de seacutecheress e

(entraicircnant u n risqu e acc m dincendi e e t u n affaiblissemen t de s arbres) voir e le s tempecirctes

pourraient s e muhiplie r globalemen t e t localement dougrave entr e autres un e possibl e

augmentation de s attaque s pa r de s insectes Tou s ce s facteur s pourraien t fair e mouri r le s

arbres qui agrave leur tour une fois deacutecomposeacutes libeacutereront du CO2 dans latmosphegravere

Algues marine s

Les algue s marine s agrave l a surfac e de s oceacutean s jouen t u n rocircl e importan t dan s leacutecosystegravem e

marin Le s micros-algue s utilisen t le s rayon s d u solei l pou r leu r croissanc e eacutetan t donn eacute

quelles son t source s deacutenergi e e t permetten t d e transforme r l e CO 2 e n composant s

organiques (Herzo g et al 1997 Herzog 2001) Elle s repreacutesenten t l a base nutrifionnell e d e

la vi e marin e e t terrest e car elle s produisen t plu s d e 9 0 d e lactivit eacute photosyntheacutetiqu e

repreacutesentant pa r l e fai t mecircm e l a premiegravere sourc e doxygegravene su r la Terre Les expeacuteriences ont

deacutemontreacute qu e le s rendement s d e l a seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s algue s marines l e

zooplancton e t les bacteacuteries ont quadmpleacute suite agrave la fertilisation de s algues en ajoutant 800k g

de fe r su r un e surfac e d e 4 9 k m dan s loceacutea n Atlantiqu e Su d mai s ell e peu t repreacutesente r

certains dangers comme l e deacuteseacutequilibre de la flore marine (Herzog 2001)

La manipulatio n geacuteneacutetiqu e es t un e autr e voi e qu i permettr a au x algue s agrave augmente r leu r

pouvoir de seacutequestration d u CO2

20

Cette voie a eacuteteacute envisageacutee pour creacuteer des algues reacutesistantes agrave un environnement pauvr e en fe r

et ains i augmente r l a prolifeacuteratio n de s algue s marines mai s de s plante s marine s pouvan t

prolifeacuterer abondammen t dan s u n milie u carenc e e n fe r pourraien t induir e de s reacuteaction s e n

chaicircnes impreacutevisible s dan s le s eacutecosystegravemes marin s (Herzog 2001) Le s eacutetudes portant su r l a

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s son t beaucou p moin s

nombreuses

13 Seacutequestratio n d u CO2 par des mateacuteriaux alcalin s

Puisque l a seacutequestratio n d e CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s alcalin s es t lobjecti f

principal d e l a preacutesent e eacutetude l a revu e deacutetailleacute e d e l a litteacuteratur e su r l e suje t es t preacutesenteacute e

dans cette section

Plusieurs recherche s (Lackne r et al 199 5 Stolarof f et al 200 5 Huijge n et al 2005 -

2006 Soong et al 200 6 Bonenfant et al 200 8 Montes-Hemandez et al 2008-2009 ) ont

proposeacute l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 comme un e altemativ e afi n reacuteduir e le s eacutemission s

de CO2 dans latmosphegravere e n ufilisant le s reacutesidus alcalins tels que les deacutechets municipaux le s

cendres volante s de s fours d e l a saumure le s deacutechet s d e beacuteto n e t d e ciment le s scorie s

dacier e t les boues de deacutesencrage des papeteries

131 Seacutequestratio n mineacuteral e des mateacuteriaux alcalins les fondement s

Lideacutee d e la seacutequestration mineacuteral e du CO2 a eacuteteacute lanceacutee par Seifritz e n 199 0 et a eacuteteacute eacutetudieacute en

en profondeur pa r Lackne r dan s les deacutebuts des anneacutees 90 Cette technologi e es t baseacutee su r un

pheacutenomegravene chimiqu e simpl e la formation d e carbonates stable s suit e agrave ladsorption d u CO2

par de s composeacute s alcalin s tel s qu e le s oxyde s d e calciu m (CaO ) e t d e magneacutesiu m (MgO )

(Lackner 1995) Les efforts le s plus consistants son t poseacutes su r linvention dun e technologi e

utilisant le s scorie s de s acieacuteries le s poussiegravere s d e fou r d e cimenterie s e t le s mineacuterau x

alcalins tels que lolivine l a serpenfine l e wollostonite comm e matrice s afi n d e seacutequestrer l e

CO2

21

Quant agrave lutilisatio n de s boue s rouge s de s aluminerie s e t le s cendre s volante s de s four s d e

cimenteries son t dan s leur s premiegravere s phase s dessais E n fait i l exist e deu x type s d e

seacutequestration mineacuterale du CO2 ex-situ et in-situ

La seacutequestration ex-situ

Cette technologie es t appeleacutee ex-situ car on utilise les mineacuteraux alcalin s qui se trouvent dan s

la nature tel s que la serpentine lolivine l e wallostonite l e talc et c pou r l a seacutequestratio n d u

CO2 Linteacuterecirc t dutilise r le s mineacuteraux e t le s reacutesidus industriel s alcalin s pou r l a seacutequestratio n

du CO 2 consiste dan s l e fai t qu e c e processus es t exothermiqu e e t qui l perme t l a formatio n

de carbonate s stable s (Lackner 199 5 Khoo e t Tan 2006 ) gracircc e agrave leur s teneur s eacuteleveacutee s e n

oxydes de magneacutesium (MgO ) et de calcium (CaO ) (Proctor et al 2000 ) comme l e deacutemontre

le tableau 12

La serpenfin e e t lolivin e ont eacutet eacute identifieacutee s pa r plusieur s (Beara t et al 2006 Kho o e t Tan

2006 Checircne al 2006 Huijge n et al 200 6 Krevor e t Lackner 200 9 Prigiobbe et al

2009) comme les mineacuteraux le s plus prometteurs agrave utiliser pour l a seacutequestration d u CO2 gracircce

agrave leurs pouvoirs alcalins et les quantiteacutes eacuteleveacutees quon trouve dans l a nature

Ces mineacuterau x doiven t ecirctr e transporteacute s pregrave s de s usine s eacutemettrice s d e CO 2 et broyeacute s avan t

decirctre utiliseacute s pour l a seacutequestration d u CO2 Le concept es t baseacute su r l e pheacutenomegravene nature l d e

lalteacuteration de s mineacuterau x alcalin s pa r l e CO 2 dan s leque l le s silicate s d e calciu m o u d e

magneacutesium son t transformeacute s e n carbonates L a carbonatatio n mineacuteral e engloban t tou s le s

mineacuteraux alcalin s es t preacutesenteacutee par les reacuteactions ci-dessous (Kho o et Tan 2006)

(Ca Mg)Si03(s) + C02(g) -gt (Ca Mg)C03(s) + Si02(s) + 90 kJmole (16 )

La reacuteactio n 1 6 deacutemontr e l e potentie l d e transforme r naturellemen t de s mineacuterau x riche s e n

silicates de magneacutesium e t de calcium en carbonates e t en silice

22

Tableau 12 La teneur en MgO et CaO des mineacuteraux alcalins

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Mateacuteriaux (mineacuterau x

alcalins)

Peridotite Dunit e (olivine )

Hazburgite

Lhezhorlite

Serpentine

Gabro

Basait

Talc

Wallastonite

Teneur en Mg O

masse

495

454

281

400

100

62

440

-

Teneur en CaO

masse

03

07

73

0

130

94

-

350

De tout e eacutevidence l a capacit eacute d e seacutequestre r l e CO 2 pou r le s reacutesidu s alcalin s deacutepen d

directement de la proportion des oxydes meacutetalliques de calcium et de magneacutesium (CaO et de

MgO) e t leur s hydroxyde s respectif s Ca(0H) 2 e t Mg(0H 2 contenue s dan s l a matric e de s

deacutechets (Montes-Hemandez et al 2009)

Dans de s condition s ideacuteale s e n suivan t l a reacuteacfio n 16 un e tonn e d e serpentin e peu t

seacutequestrer enviro n une demi-tonne de CO2 et une tonne de lolivine peu t seacutequestrer enviro n

deux fiers dune tonn e d e CO 2 (Khoo e t Tan 2006) L a reacuteaction es t exothermiqu e e t ell e

libegravere 90 kJmole de CO2 Le s eacutetudes deacutemontrent que le processus de carbonatation aqueuse

suit deu x eacutetapes a ) l a dissolutio n de s cafion s e n solutio n suiv i pa r b ) l a nucleacuteatio n e t l a

croissance des preacutecipiteacutes de carbonate (Park et Fan 2004 Maroto-Valer et al 200 5 Krevor

et Lackner 2009)L a raiso n principal e d e lutilisatio n d e ce s mineacuterau x es t labondanc e d e

ces derniers dans la nature

23

Les quanfiteacutes de serpentine en particulier son t largement disponibles dans le monde entier de te l poin t quo n peu t seacutequestre r tou t l e CO 2 qui peu t ecirctr e geacuteneacuter eacute agrave parti r d e toute s le s reacuteserves planeacutetaires en charbon Leur faible coucirct combineacute avec le caractegravere exothermique du processus d e carbonatation (reacuteacfio n 16 ) son t le s deu x principaux argument s qu i peuven t justifier l e deacuteveloppement d e ce proceacutedeacute au niveau industrie l (voi r figur e 14) Malgr eacute le s avantages deacutecrit s ci-dessus l a seacutequestratio n d u CO2 par l a carbonatatio n mineacuteral e es t un processus qu i est limiteacutee par l a lenteur de la reacuteaction de carbonatation e t notamment d e la lenteur d u taux d e dissolution de s silicate s dans des conditions faiblement acide s (Chen et al 2008)

^bulliltNr- -gtv v

Serpentine

r-^BoMWraquo iuml ^ Olivine

Pipeline

Vision 21 Power Plant bullwr

ww-

mdashp

1

te Minerai Carbonation Plant

AfSOk^KP^

^agnesItB amp Sillca Constructio n Mateacuteriel Industiial Reagents Mine Reacuteclamation

Figure 14 L a seacutequestration du CO2 par carbonatation mineacuterale Tireacute de Goldberg (2001 )

Le renforcement d e la vitesse de la dissolution a eacuteteacute identifieacute comm e lune des principales opportiiniteacutes pour la reacuteduction des coucircts directs de ce processus (Krevor et Lackner 2009) Les coucircts dutilisation d e ces mineacuteraux sont faibles mais les coucircts de transports eacuteleveacutes Ils peuvent donc limiter leur utilisation en grande eacutechelle pour la seacutequesti-ation du CO2 La consommation deacutenergi e associeacute e a u broyage de s mineacuteraux repreacutesenten t 7 5 du coucirct total de leacutenergie demandeacutee de tout le processus de seacutequestration du CO2

24

Ces coucirct s peuvent augmente r jusqu agrave 90 s i on vise agrave obtenir un e granulomeacutetri e d e moin s

de 75 mm (Krevo r e t Lackner 2009) De plus les mineacuteraux alcalin s ne se comportent pa s de

la mecircm e faccedilo n lor s l e processu s d e l a carbonatafion Le s serpentine s reacuteagissen t plu s

facilement tandi s qu e l a peridotit e es t l a plu s difficil e agrave carbonater Pou r avoi r de s

rendements satisfaisant s (4 0 agrave 8 0 ) d e carbonatation i l fau t augmente r l a tempeacuterature au -

dessus d e 150deg C et ajoute r de s solutions tampons telle s qu e l e chlorure d e sodium (NaCI ) et

bicarbonate d e sodiu m (NaHCOs ) o u ajoute r de s quantiteacute s tregrave s eacuteleveacutee s d e acid e

chlorhydrique (HCl ) afi n dacceacuteleacutere r l a reacuteactio n d e formatio n de s carbonate s (Che n et al

2008)

La seacutequestration in-situ

Lutilisation de s reacutesidu s e t de s sous-produit s alcalin s issu s d e lactivit eacute industriell e de s

alumineries des acieacuteries e t des cimenteries est une autre altemative d e seacutequestration d u CO2

Ces mateacuteriau x alcalin s (boue s rouges scories poussiegravere s d e fou r e t cendre s volantes ) son t

produits pa r ce s usine s e t gracircc e agrave leur haute teneur e n Mg O e t CaO il s peuvent ecirctr e utiliseacute s

sur place (in-situ) pou r seacutequestrer l e CO2 eacutevitant ainsi le s coucircts de transport

Les boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouge s son t de s reacutesidus industriel s issu s du processus dextractio n daluminiu m agrave

partir d e l a bauxit e (proceacuted eacute Bayer) Ce s reacutesidu s (Doy e e t Duchesne 2003 ) on t u n p H

supeacuterieur agrave 1 2 et sont produit s agrave un taux de 2 tt daluminium commercialis eacute (Vacho n et al

1994) Le s boue s rouge s son t stockeacutee s soi t a u fon d de s oceacutean s (France Allemagne) soi t

preacutes des usines comme au Canada (Vachon et al 1994)

La production de s boues rouges en 2006 ses t chiffreacutee agrave 90 Mt dan s l e monde dont 3 Mt au

Canada e t o n preacutevoi t un e augmentatio n d e productio n d e 6 0 pa r deacutecenni e (Kharoun e et

al 2006) Le s grande s aluminerie s peuven t e n geacuteneacutere r jusqu agrave 67 5 00 0 tonne s pa r anneacute e

(Doye et Duchesne 2003)

25

Le tablea u 1 3 deacutemontr e qu e le s boue s rouge s on t un e teneu r eacuteleveacute e doxyd e d e calciu m

(CaO) et elles peuvent donc ecirctre ufiliseacutees afi n d e seacutequestrer l e CO2

Tableau 1 3 L a composition chimiqu e moyenne des boue s rouge s

Tireacute de Cabeza e t al (2003)

Composition en masse

AI2O3

10-20

CaO

2-8

FejOj

30-60

NazO

2-10

SiOz

3-50

TiOj

trace-10

Les scories des acieacuterie s

Lindustrie canadienn e d e lacieacuterag e constitu e l e secteu r l e plu s importan t d e l a meacutetallurgi e

du pay s (Mikhai l e t Aota 2006) Dix-sep t acieacuterie s exploiten t 2 1 usine s dan s hui t province s

canadiennes Dan s le s usine s inteacutegreacutees toute s situeacutee s e n Ontario de s haut s foumeau x

produisent d u fe r primair e agrave partir d e matiegraveres brute s comm e d u minera i d e fer d u charbo n

et de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006)

Les quatr e cateacutegorie s de s scorie s (Kharoun e et al 2006 ) deacutesigneacutee s selo n leu r proceacuted eacute d e

fabrication son t le s scorie s FO P (fou r agrave oxygegraven e pur) le s scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c

eacutelectrique) le s scorie s H F (hau t foumeau ) e t le s scorie s F P (fou r poche) Lutilisatio n de s

scories dan s l e bu t d e seacutequestre r l e CO 2 es t important e s i o n considegraver e qui l s e produi t

actuellement 1 4 Mt a u Canada 2 1 M t au x Eacutetat s Uni s e t 35 0 M t d e scorie s dan s l e mond e

dont 19 0 M t d e typ e H F (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e tonn e dacie r produit 02 8 agrave 1

tonne CO2 sont eacutemis dans latmosphegravere

Ce son t le s pH eacuteleveacute s (1 2 agrave 13 ) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxyde s meacutetallique s (Huijge n et

al 2005 ) le s raisons principale s d e lutilisatio n de s scories comm e substra t d e seacutequestratio n

du CO2 comme l e deacutemontre l e tableau 14

26

Tableau 1 4 La composition chimiqu e moyenne de s scorie s

Tireacute de Bonenfant et al (2006 )

Composants (Vo en masse )

CaO Si02

A1203 MgO FeO MnO

Types de scorie s

FAEacute 30-40 10-20 lt10 lt10

15-35 lt10

FOP 42-52 9-13 05-3

1-8 15-35 3-10

FP 48-52 8-10 15-25 8-10 2-4 lt4

HF 39-42 33-39 9-13 6-9

0-01 01-05

Les scories FOP et FP sont plus riches en calcium qu e celle FAEacute tandis que les scories FP

sont plus riches on oxyde daluminium Le s teneurs en meacutetaux lourd s sont faibles pou r les

trois types de scories eacutetudieacutees

Les poussiegraveres de four des cimenterie s

Les poussiegravere s d e fou r d e cimenterie connue s auss i sou s l e no m d e laquo ceacutemen t kil n dus t raquo

(CKD) son t de s reacutesidu s industriel s reacutecupeacutereacute s pa r le s filtres eacutelectrostatique s lor s d e l a

fabrication d u clinke r (Doy e e t Duchesne 2003) Geacuteneacuteralement 1-1 5 tonne s d e calcair e e t

de 0 5 tonne s d e charbo n son t utiliseacute s pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e clinker L a

consommation deacutenergi e pou r l a fabricatio n dun e tonn e d e cimen t seacutelegravev e agrave 4000 M J dont

pregraves de 80 est dorigine thermiqu e e t le reste de leacutenergie eacutelectrique E n outre 08-1 tonn e

de CO 2 est eacutemis e dan s latmosphegraver e pa r tonn e d e clinke r produit e (Kuma r et al 2006) L a

production mondial e des CKD seacutelegraveve agrave 30 millions de tonnes Une tregraves faible proportio n (15

) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x dan s le s industrie s agricole s e t d e l a

construction (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003)

Il fau t note r qu e jusque agrave l a fin des anneacutees 9 0 pregraves d e 4 millions d e CK D s e retrouvaient e n

tas ou dans des eacutetangs agrave cocircteacute des usines en Ameacuterique du Nord (Doy e e t Duchesne 2003) De

nos jours presqu e toute s le s CK D son t recycle s dan s l e processu s d e fabricatio n d u cimen t

(Huntzinger 2009)

27

Le tableau 1 5 deacutemontr e qu e le s CK D son t rich e e n oxyde s d e calcium Elle s possegraveden t u n

potentiel ne t d e neutralisatio n tregrave s eacutelev eacute (42 6 k g CaC03t) u n p H d e 126 un e reacuteserv e

importante e n sulfate s (10 3 SO4 ) ains i qu e de s concentration s e n meacutetau x lourd s plu s o u

moins importantes de lordre d e ppm tels que Cr Pb et Zn (Doye e t Duchesne 2003)

Tableau 1 5 La composifion chimiqu e moyenne des CK D

Tireacute de Corish et Coleman (1995)

Composition en mass e

Poussiegraveres d e four (CKD )

AI2O3

3-6

CaO

38-50

FczO

1-4

MgO

0-2

NaO

0-2

SiOj

11-16

Les cendres volante s

Les cendres volante s repreacutesenten t de s reacutesidus tregraves fins issus entre autre s de la combustion d u

charbon pulveacuteris eacute e t pouss eacute dan s l a chambr e d e combustio n du n fou r pa r de s ga z

deacutechappement Le s cendre s volante s son t classifieacutee s selo n leur s teneur s e n Ca O e t d u typ e

du charbon brucircl eacute (voi r tableau 16) e n deux classes F et C (Biemacki et al 2007)

Les cendres volantes de classe F confiennent moin s de 1 0 de CaO et sont utiliseacutees pou r la

fertilisation de s sols Le s cendres volante s d e classe C contiennent plu s d e 1 0 de CaO e t

elles son t plu s communeacutemen t utiliseacutee s pou r l a fabricatio n d u beacuteto n (Montes-Hernande z et

al 2009)

La production de s cendres volantes seacutelevait agrave 4800000 tonnes a travers l e Canada en 2001

dont 450000 tonnes on t eacuteteacute utiliseacutees pour la fabrication d u ciment (Bouzouba a e t Foumier

2003)

28

Tableau 1 6 La composition chimiqu e des cendres volante s

Tireacute de Soong et al (2006 )

Composition masse

Sulfur

0-002

C

0-15

AI2O3

59-187

CaO

18-29

Fe203

5-85

K2O

03-24

MgO

14-64

NazO

06-55

Si02

14-516

En Europe e t selo n le s anneacutees de 2 agrave 3 Mt de cendres volantes su r une production total e d e

43 M t son t utiliseacutee s dan s l a constructio n d e route s soi t u n tau x dutilisatio n globa l dan s c e

secteur dactiviteacute d e 8

On enregistre actuellemen t 7 Mt en Australie 70 8 M t (Konsta-Gdouto s e t Shah 2003 ) au x

Eacutetats Unis de s centaine s de s meacutegatonne s e n Chin e e t 10 0 M t dan s de s deacutecharge s e n Inde s

(Kumar et al 2005) Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestre r jusquagrave 2 6 kg de CO2

(Montes-Hemandez ea 2009)

Il exist e deu x type s d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s industriel s alcalin s l a

carbonatation direct e e t la carbonatation indirect e des oxydes meacutetalliques

A) L a carbonatation direct e

Ce proceacuted eacute perme t dinjecte r d u CO 2 gazeu x directemen t su r de s reacutesidu s alcalin s agrave leacuteta t

solides L e CO2 reacuteagit ave c le s oxydes meacutetalliques d e CaO e t MgO et formes de s carbonate s

stables selon les eacutequations suivante s (Lackner et al 1995)

CaO + CO2 -^ CaC0 3 + 17 9 kJmole

MgO + CO2 -gt MgC0 3 + 11 8 kJmole

(17)

(18)

Pour c e typ e d e seacutequestratio n le s quantiteacute s d e Ca O e t d e Mg O neacutecessaire s pou r lie r l e CO2

produit par la combustion dun e tonn e de carbone son t respectivement d e 47 et 34 tonnes

29

B) Carbonatatio n de s oxydes meacutetalliques en milieux aqueu x acide s

La seacutequestratio n indirect e d u CO2 soit l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s

alcalins e n milieu x aqueu x basiques es t l a meacutethod e l a plu s eacutetudieacutee Mecircm e s i leacutetud e de s

meacutecanismes qu i reacutegissen t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s n e fai t pa s parti e de s

objectifs d e ce meacutemoire i l importe de deacutecrire briegravevement le s principaux meacutecanisme s afi n d e

mieux comprendr e c e processus Dun e faccedilo n plu s deacutetailleacutee l a carbonatatio n s e deacuteroule e n

cinq eacutetapes 1) La diffusion d u Ca sur la surface de s particules de l a scorie 2) l a dissolutio n

du C a dan s l a solution 3 ) l a dissolufio n d u CO2 4 ) l a conversio n d u CO 2 dissou t e n ion s

bicarbonate e t 5) la preacutecipitation du CaC03 (Huijgen et al 2005)

Le CO 2 reacuteagi t ave c d e lea u e t form e d e lacid e carboniqu e (H2CO3 ) selo n le s eacutequation s

suivantes (lizuka et al 2004 )

CO2 + H2O ^ H2CO 3 (19 )

H2CO3 ^ H ^ + HCO3 (110 )

H C 0 3 ^ H ^ + C03^ (111 )

Le CaO peut eacutegalemen t reacuteagi r avec lea u pou r produire des cations calcium selo n l a reacuteaction

suivante (Huijgen e t Comans 2003)

CaO + H2O ^ Ca^ ^ + 2 OH (111 )

Tous le s produit s de s reacuteaction s 1 9 agrave 11 2 peuven t reacuteagi r ave c l e CO 2 pou r forme r de s

carbonates L a reacuteactio n entr e ce s oxydes l e CO 2 e t lea u a pou r reacutesulta t l a formatio n de s

monocarbonates e t bicarbonates (Bonenfan t et al1006 Soon g et al 2006)

Hujgen et al (2006 ) on t deacutetermin eacute le s meacutecanisme s reacuteacfionnel s d e Ca-carbonatatio n

(modegravele geacuteothermique ) comm e sui t

Ca(0H)2 + CO 2 - ^ CaC0 3 + H2 O (113 ) portlandite calcit e

30

Ca6(Al)2(OH)2(S04)326 H2O + 6H2O -gt 6CaC03 + 2A1^^ +3S04^- + 32H2O (114 ) ettringite calcit e

Ca-silicate (CSH) + CO2 CaC0 3 (calcite) +Si02 (partiel ) (L15 )

Reacuteactions 1 9 agrave 11 1 repreacutesenten t l a dissociatio n d e l a dissolutio n CO 2 dan s leau le s

reacuteactions d e 11 2 et 11 3 repreacutesentent lextracfio n de s ions calciu m de s reacutesidu s alcalins Le s

reacuteactions 11 4 e t 11 5 repreacutesentent l a preacutecipitation d u carbonate d e calcium

Le meacutecanisme reacuteactionne l d u CO2 avec le MgO en milieu aqueux es t semblable agrave celui de

CaO (Femacircndezera 1999)

C02(g) + H20(l) ^ C02(aq ) (L16 )

MgO(s) + H20(l) - Mg(0H)2(s ) (117 )

C02(aq)--C02(i) (118 )

CO2 + Mg(0H)2(s) + (n-1 ) H20(aq) ^ MgC0 3 nH20(s) (119 )

MgC03 nH20(s) + CO2 ^ Mg^ ^ (i)+ 2 HCO^Xi) + (n-1) H2O (120 )

Mg^^i) + 2 HC03- (i) -^ M g q ) + 2 HCO^(aq) (1-21 )

ougrave le C02(i) le Mg^(i) et le HCO(i) son t les produits formeacutes eto u adsorbeacutes agrave linterface

La reacuteaction 12 0 ougrave l e carbonate d e magneacutesium form eacute agrave la surfac e de s particules reacuteagi t ave c

le CO2 pour forme r d u bicarbonate d e magneacutesium repreacutesent e leacutetap e l a plus importante d e ce

meacutecanisme

Toutefois lorsqu e l a concentration d e Mg O e n solutio n excegraved e 05 5 gL l a preacutecipitation d u

carbonate de magneacutesium peu t devenir l a reacuteaction dominante (Evan s et St-Clair 1949)

Les reacuteaction s 1 9 agrave 12 1 deacutemontren t qu e c e processu s s e produi t spontaneacutement san s

neacutecessiter de la chaleur

31

Dun poin t d e vu e thermodynamique l e maximu m d e conversio n d e calciu m conten u dan s

les reacutesidu s alcalin s deacutepen d d e deu x facteurs l a solubilit eacute de s ion s d u calciu m dan s l e

processus dextractio n e t d e l a solubilit eacute de s ion s calciu m dan s l a preacutecipitation L e produi t

net d e l a productio n d e CaC03 deacutepen d d e l a diffeacuterenc e d e solubilit eacute entr e l e processu s

dextraction e t celui de la preacutecipitation (lizuk a et al 2004)

132 Leffe t de s variables sur la carbonatatio n

Plusieurs variable s affecten t l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s de s reacutesidu s e t sous -

produits alcalins Nombreux chercheur s ont eacutetudieacute leffe t de s variable s su r l e processus de la

carbonatation (Stolarof f e al 2003 Druckenmille r e t Maroto-Valera 2005 Maroto-Valer a

et al 2005 Stolarof f e r al 2003 Hujge n et al 2003-2006 Bonenfan t 2008) Leffe t de s

variables su r l a carbonatatio n de s oxyde s meacutetallique s basique s e n solutio n peu t ecirctr e seacutepar eacute

en deux cateacutegories

Variables affectan t l a solubiliteacute du C02dans lea u

Le pH la tempeacuterature e t la saliniteacute de leau ains i que la pression partielle du CO2 ont un effe t

direct su r l a solubiliteacute du CO2 dans leau Plu s le pH est basique plus l a solubiliteacute du CO2 est

eacuteleveacutee L a solubilit eacute d u CO 2 se fai t selo n l a lo i dHenr y pou r de s pression s supeacuterieure s agrave 5

atm (Vas Bhat 2000)

[C02]aq=KHpC02= 0032 pC02 (122 )

KH es t l e coefficien t d e solubilit eacute o u constant e dHem y d u CO 2 qu i es t deacutependant e d e l a

tempeacuterature e t de la saliniteacute et pC02 est la pression partielle du CO2

32

Lapproche d e Setcheno w qu i illustr e linfluenc e de s sel s su r l a solubilit eacute d u CO 2 peu t

sappliquer agrave diffeacuterents sel s mineacuterales comme sui t

X = xO exp(-Acirc) (123 )

ougrave X e t xO sont le s fracfions molaire s d u gaz acide dans lea u pur e e t dans l a solution saline

K es t la constante de Setchenow e t I est la force ioniqu e du sel

Variables affectan t directemen t l a carbonatation de s oxydes meacutetallique s basique s en solution

La granulomeacutetri e de s particules l a concentratio n (rati o solideliquide ) doxyd e meacutetalliqu e

dans l a solution l e temps la tempeacuterature d e reacuteaction l a pression partiell e e t le deacutebit du CO2

ainsi qu e l a vitesse d e brassag e d e l a solutio n son t le s variables qu i influencen t directemen t

la carbonatation de s oxydes meacutetalliques basiques en solution

Il fau t note r qu e l a vitess e d e brassag e nes t pa s influenceacute e e t ninfluenc e pa s le s autre s

variables lors le processus de carbonatation

Granulomeacutetrie de s particule s

La granulomeacutetri e de s particule s joue u n rocircl e tregrave s importan t su r l a carbonatatio n de s oxyde s

meacutetalliques Le s eacutetude s d e Hujge n et al (2006) Bonenfan t et al (2008) Baciocch i et al

(2009) on t deacutemontreacute s qu e le s quantiteacutes de s carbonate s e t des silicate s d e magneacutesium eacutetaien t

plus eacuteleveacute s agrave de s granulomeacutetrie s d e scorie s e t d e wallastonit e lt 38pm L a conversio n d u

CaO d e scorie s dacieacuterie s e n carbonate s pass e d e 2 4 agrave 74 lorsqu e l a granulomeacutetri e de s

particules diminu e d e lt 2 mm agrave lt 38 pm Reacuteduire la granulomeacutetrie pa r deux peu t augmente r

la conversion d e 32 agrave 62 (Hujgen 2005)

Vitesse de brassage

La conversio n d e CO 2 e n carbonate s nes t pa s influenceacute e pa r l a vitess e d e brassag e gt 50 0

rpm (Hujge n et al 2006 ) mais peu t empecircche r l a preacutecipitatio n d u Mg O (Femacircnde z et al

1999) E n revanche baisse r l a vitess e d e brassag e d e 50 0 agrave 10 0 rp m reacutesult e e n un e

diminution marqueacute e de la conversion de CO2 en carbonates (Hujge n et al 2006)

33

Ratio solideliquide (LS )

Plus l a solution es t dilueacutee plus l a conversion d u CO2 en carbonates es t eacuteleveacutee (Hujgen et al

2006 Bonenfan t et al 2008) Autremen t dh plu s l e rafi o L S es t eacutelev eacute plus l e degr eacute d e

carbonatation es t eacuteleveacutee Toutefois leffe t d e c e paramegravetr e su r l a carbonatatio n deacutepen d de s

autres paramegravetre s tel s qu e l a tempeacuteratur e e t l a pressio n d e lexpeacuterimentatio n (Baciocch i et

al 2009)

La tempeacuterature e t la pression du CO

Ces deu x variable s son t tregrave s lieacutee s lun e agrave lautre L a tempeacuteratur e peu t avoi r de s effet s

contradictoires su r l a carbonatation Agrave haute tempeacuterature l a lixiviatio n d u C a d e l a matric e

peut ecirctr e tregraves rapide mais l a solubiliteacute d u CO2 dans l a solution peu t diminue r (Hujge n et al

2005) Agrave un e pressio n d e 2 0 bar s d e CO 2 l a carbonatafio n augment e s i l a tempeacuteratur e n e

deacutepasse pa s le s 15O C e t attein t so n maximu m agrave 200C L a conversio n diminu e abruptemen t

au-dessus d e 200C C e reacutesulta t es t d ucirc au x effet s contradictoire s d e l a tempeacuteratur e

laugmentation d e l a tempeacuterature augment e l a vitesse de reacuteaction e t l e transfert d e masse de s

ions d e calciu m (lixiviation ) mais d e lautr e coteacute ell e provoqu e l a baiss e de s ion s

bicarbonate dan s lea u (Montes-Hemande z et al 2009) L a formatio n de s carbonate s es t

plus eacuteleveacutee aux basses pressions et agrave de hautes tempeacuteratures (Och s et al 1998)

133 Cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2

La cineacutetique dadsorptio n d u CO 2 deacutepend comm e o n vien t d e voir d e plusieur s paramegravetres

La vitesse d e reacuteaction deacutepen d grandemen t d e la tempeacuterature e t de l a pression (Huijge n et al

2006) Alor s qu e l a premiegraver e eacutetap e es t rapid e e t caracteacuteriseacute e pa r la formatio n d e CaCO j e n

quantiteacute relativement importante l a seconde eacutetape est plus lente (Gmpta e t Fan 2002)

En effet l e CaC0 3 form eacute preacutealablemen t dan s l a premiegraver e eacutetape constitu e un e barriegraver e qu i

gecircne la reacuteactio n d u Ca O disponibl e ave c l e CO 2 D e c e fait ladsorptio n d u CO 2 se trouv e

limiteacutee

34

Par conseacutequent l e pheacutenomegravene d e diffusion de s composants chimique s agrave travers l a couche d e

CaC03 form eacute constitu e u n paramegravetr e cl eacute qu i gouvern e l a cineacutetiqu e d e l a second e eacutetape L e

processus de lixiviation influenc e don c le degreacute de carbonatation L e transfert d e masse dans

les pores d u solid e es t difficil e agrave eacutevaluer selo n Ochsenkuhn-Petroloulo u et al (2002) car i l

est impossibl e d e deacutefini r l a form e de s canau x empmnteacute s pa r l a mafiegravere O n peu t toutefois

selon ce s auteurs obteni r un e esfimatio n approximativ e d u transfer t de s particule s dan s l a

solution agrave laide d e leacutequation suivant e

Dnidt=kA(Cs-c)b (124 )

ou

A est Faire de linterface solide-liquid e

b est leacutepaisseur d u film entourant le s particules

c est la concentration (mv ) du soluteacute

t est le temps

Cs est la concentration d e la solution satureacutee en contacte avec les particules

m est l a masse des particules transfeacutereacutees dan s le temps t

k es t le coefficient d e diffusion

Lair d e linterfac e solide-liquid e es t proportionne l au x nombre s de s particule s solide s dan s

la solution e t l e ratio L S es t l a fraction d e lair e speacutecifiqu e de s particule s d u reacutesid u alcali n

qui participent dan s l e processus de lixiviafion (Ochsenkuhn-Petroloulo u et al 2002) Ainsi

la taille de s pore s d e Ca O e t leu r distributio n deviennen t de s facteur s important s quan t agrave l a

conversion d e Ca O e n CaC03 A ce propos des performance s d e conversio n d e 7 0 e t 8 2

ont eacutet eacute reacutealiseacutees pa r Bhati a an d Perlmutte r (1983 ) e t Mess et al (1999 ) respecfivement pou r

des granulomeacutetries de 81-173pm et 15-2 0 pm

35

Pour exprime r d e faccedilo n apparent e l a cineacutetiqu e d e cett e conversio n d e Ca O e n CaC03 u n

modegravele matheacutematique a eacuteteacute proposeacute par Lee (2004)

X = k b t(b+t) e t dXdt - k (1-XXu)^ (125 )

ougrave X e t X u son t l a conversio n e t l a conversio n ultim e d e CaO k es t un e constant e d e l a

vitesse de cineacutetique b est le temp s neacutecessaire atteindre Xu2 e t t est l e temps

Pour deacutecrir e l a vhess e d e conversio n d e Mg O e n MgC03 u n modegravel e matheacutematiqu e a eacutet eacute

proposeacute par Femacircndez et al (1999 )

kt= l-(l-XMgO)^ ^ (126 )

ougrave XMgO repreacutesente l a conversion d e MgO k est une constante de la vitesse d e cineacutetique

t est le temps

Lors de ces reacuteactions l e CO2 sattache chimiquemen t agrave l a surface de s oxydes meacutetalliques d e

MgO CaO Ti0 2 pou r forme r de s unidentate s dan s l e ca s d e Ca O (Aurou x e t Gervasini

1990) e t d e unidentates (u n seu l atom e es t donneur deacutelectrons ) e t bidentate s (deu x atome s

sont des donneurs deacutelectrons) dan s le cas de MgO et de Ti02 (Udovic e t Dumestic 1984)

Laluminium es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quanfiteacute s dan s le s solution s de s boue s rouges

mais i l form e beaucou p moin s d e carbonate s compareacute s au x Ca O e t MgO Coolin g et al

(2002) ont deacutemontr eacute qu e l a soude caustiqu e e t l e TCA-6 ( 3 Ca(0H)2 2 A1(0H)3) adsorben t

respectivement 29 0 e t 469 du CO2 adsorbeacute par le s boues rouges L e Si02 ne forment pa s

de carbonates mecircm e si l adsorb e un e bonne quantit eacute d e CO 2 (Ueno e t Bennet t 1978 Bal et

al 2001) E n revanche le s bicarbonates s e formen t suit e agrave ladsorption d u CO 2 sur les site s

acides fort s de s oxyde s selo n u n meacutecanism e d u typ e Langmuir-Hinshellwood Ce s

meacutecanismes impliquen t lisotherm e d e Langmuir (cas I et III)

36

Cette isotherm e peu t ecirctr e deacutecrite en termes de taux d e reacuteaction agrave la surface d e ladsorban t O

(Erzeng 2006)

0 = nombre de sites dadsorption occupeacute s (L27 ) nombre de sites dadsorpfion disponible s

O = 0 ~ l

Ce meacutecanism e (Langmuir-Hinshellwood ) sappliqu e dan s l e ca s d e ladsorpfio n d e deu x

reacuteactifs su r une surface san s dissociation

A(g) + B(g) ^ A(ads ) + B(ads) -^ Produi t (128 )

La vitesse de cette reacuteaction est donneacutee par

ri = k [A] [B] = k copyAO B (129 )

Lisotherme d e Langmuir sapplique comm e sui t

copyA = BOAPA +BOAPA+BOBPB (130 )

copyB=BOBPB1+BOAP)+BOBP5 (131 )

ougrave B est le coefficient dadsorptio n ( A et B) et PA et PB le s pressions partielles de A et B

La vitesse deacuteriveacutee de lisotherme d e Langmuir cas III sillustr e comm e sui t

r = kBoABoB^sl +BOAPA + BOBPB (132 )

De no s jours aucun e eacutetud e n a eacutelucid eacute complegravetemen t le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t

ladsorption d u CO 2 en milieu x aqueu x de s oxyde s meacutetallique s basique s preacutesent s dan s le s

scories dacieacuterie s (Bonenfant 2008) U n nombr e importan t d e variable s peu t ralenti r o u

acceacuteleacuterer l a vitesse de la reacuteaction de ladsorption d u CO2

37

Plusieurs meacutethode s on t eacutet eacute examineacutee s jusqu agrave preacutesen t pa r le s chercheur s y compri s

laugmentation d e la surfac e de s particule s d e roch e pa r pulveacuterisation lutilisatio n d e

catalyseurs d e reacuteactio n tel s qu e lacid e chlorhydrique lacid e aceacutetiqu e o u hydroxyd e d e

lithium de s solution s tampon s telle s qu e bicarbonat e d e sodiu m e t l e carbonat e d e fe r

(Krevor e t Lackner 2009 ) e t des tempeacuteratures e t de s pressions eacuteleveacutee s o ugrave l e CO2 est en eacuteta t

supercritique (lizuk a et al 2004) Prigiobb e et al (2009 ) on t remarqu eacute qu e le s sel s

inorganiques tels que NaCl NaHCOs et KHCO3 ont ameacutelioreacute l a carbonatafion de s silicates

Ils ont concl u qu e l a variation d u pH peu t influence r l a dissolution d u CO 2 dans l a solufion

En revanche l a variafio n de s tau x d e HCl d e LiO H o u d e l a salinit eacute a produi t u n

changement dan s l a valeu r d u p H c e qu i agrave so n tou r condui t agrave un changemen t d u tau x d e l a

dissolution d u CO 2 mais i l n y avai t pa s d e preuve s du n effe t direc t e t indeacutependan t d e ce s

paramegravetres su r le taux de dissolution d u CO2

La variatio n d e p H n a pa s l a mecircm e influenc e su r toute s le s matrice s alcalines Lolivin e

semble decirctre l e mineacuteral alcali n l e plus influenceacute pa r l a variation d u pH s i on parle en termes

de dissolutio n d u CO2 I l n y a pa s deffe t dinhibitio n su r l a dissolutio n d u CO 2 agrave u n p H

supeacuterieur agrave 5 Ce constat es t important car agrave ces valeurs de pH e t agrave des tempeacuteratures d e 25 agrave

150 C le s preacutecipitations d e carbonates son t les plus eacuteleveacutees (Prigiobbe et al 2009) Lorsque

le pH de ce systegraveme es t presque neutre la dissolution d u CO2 est lente e t donc la dissolutio n

des mineacuteraux dans ces conditions es t moindre (Krevor e t Lackner 2009)

Liu et al (2005 ) ont deacutevelopp eacute un e meacutethode biomeacutetrique dan s laquell e lenzym e anhydras e

carbonique jou e l e rocircl e d e catalyseu r biologique Le s reacutesultat s obtenu s on t deacutemontr eacute qu e

lenzyme a acceacuteleacutereacute l a carbonatation de s oxydes meacutetalliques dans le milieu aqueux

En conclusion plusieur s paramegravetre s influence s l a cineacutefiqu e dadsorptio n d u CO 2 e t l a

formation de s carbonates C e son t donc laugmentatio n d e l a tempeacuterature d u rappor t LS

du temps de reacuteaction e t de l a pression partiell e d u CO2 les principaux facteur s qu i favorisen t

la conversion d u Ca en carbonates

38

134 Valorisatio n de s reacutesidus et des sous-produits alcalin s

Les boues rouge s des aluminerie s

La production de s boues rouges en 2006 sest chiffreacutee agrave 90 millions de tonnes dans le monde

dont troi s million s d e tonnes au Canada e t on preacutevoit un e augmentatio n d e production d e 6 0

par deacutecennie (Kumar et al 2006)

Le stockag e de s boue s rouge s repreacutesent e no n seulemen t u n problegravem e eacuteconomique agrave caus e

des coucirct s d e preacuteparatio n e t d e maintenanc e de s sites mai s auss i u n problegravem e

environnemental d ucirc agrave leur nature caustique

Les boues rouges son t ufiliseacutees dan s les domaines de (Sglavo et al 2000 Gupta et al 2001

Brunori et al 2005 Li et al 2006 )

constmction de s routes agrave cause de leur soliditeacute et de leur durabiliteacute

production d u ciment agrave cause de leur reacutesistance au gel et leur bas prix

fertilisation de s sols gracircce agrave leur teneur eacuteleveacutee en potassium e t en phosphate

extraction des oxydes de fer de scandium de plomb et de titan

fabrication d e ceacuteramique

neutralisation de s eaux des mines et des sites contamineacutes

Les scories des acieacuterie s

Lutilisation de s scorie s dans l e but de seacutequestrer l e CO2 est important e s i on considegravere qui l

se produi t actuellemen t 1 4 million s d e tonne s a u Canada 2 1 million s d e tonne s au x Eacutetat s

Unis e t 35 0 million s d e tonnes de scorie s dans l e monde (Procto r et al 2000) Pou r chaqu e

tonne dacie r produit 02 8 agrave 1 tonne CO 2 son t eacutemi s dan s latmosphegravere Le s scorie s son t

utiliseacutees dan s plusieurs domaine s de leacuteconomie Le s principales ufilisation s de s scories son t

dans l e domain e d e l a constructio n (bitume ) e t comm e mateacuteriau x d e rembla i (Kharoune

2006) Des technique s reacutecente s permetten t l a reacutecupeacuteratio n d u phosphor e de s eau x useacutee s

(Soulard 2001)

39

Les scorie s d e typ e F P (Fou r Poche ) son t certifi eacute pou r u n usag e comm e amendemen t

calcique de s sol s (Procto r et al 2000) Dautre s utilisation s connue s de s scorie s son t dan s

les domaine s d e neutralisatio n de s eau x d e drainag e de s mines contr e leacuterosio n de s sols

comme mateacuterie l d e drainag e e t dadsorptio n de s meacutetau x lourds Mecircm e s i plusieur s

utilisations de s scorie s son t reacutepertorieacutees actuellemen t plusieur s dizaine s d e million s d e

tonnes de scories se trouvent accumuleacutee s su r des terrains partout dans l e monde

Les poussiegraveres de four des cimenteries (CKD )

La production mondial e de s CKD seacutelegravev e agrave 30 millions d e tonnes (Konsta-Gdouto s e t Shah

2003) Un e tregrave s faibl e proportio n (1 5 ) d e CK D es t utiliseacute e comm e substitu t agrave l a chau x

dans le s industrie s agricole s e t d e l a construction Un e bonn e parti e (jusqu agrave 6 7 ) es t

reacuteutiliseacutee dan s le s fours d e production d u ciment e t le reste des CKD s e retrouvent e n pile ou

dans de s eacutetangs agrave proximiteacute de s usines On esfime agrave quatre million s d e tonnes d e poussiegravere s

accumuleacutees en Ameacuterique du Nord (Van Hoss et Padovani 2003)

Gracircce agrave leu r teneu r eacuteleveacute e e n calciu m e t potassiu m le s CK D son t tregrave s utiliseacutee s dan s l a

fertilisation de s sol s e t l a stabilisafio n de s eau x useacutee s e t de s boue s de s station s deacutepuration

Les CK D son t eacutegalemen t ufiliseacutee s avec succegrave s comm e remplissan t bitumineu x dan s l e

pavage e t l a toitur e dasphalte E n outre le s CK D e t le s cendre s volante s carbonate s

(utiliseacutees pour la seacutequestration du CO2) sont riches en carbonate d e calcium (CaC03 ) et de ce

fait elle s peuven t ecirctr e reacuteutiliseacutee s comm e mafiegravere s premiegravere s dan s l a fabricatio n d u ciment

Dans c e cas l e processu s d e carbonatatio n peu t ecirctr e consideacuter eacute comm e u n processu s d e

recyclage du ciment (lizuka et al 2004)

Les cendres volantes de s cimenterie s

Aux Eacutetat s Unies 708 millions de tonnes de cendres volante s d e tout genr e ont eacuteteacute produite s

en 2004 Preacutes de 40 de ces reacutesidus son t utiliseacutes comme additi f de ciment (Biemack i et al

2007) dan s de s bloc s d e maccedilonnerie comm e mateacuterie l e n alliage s leacutegers comm e matiegravere s

dagreacutegation fluides dan s l a chausseacuteeconstruction d e piste et comm e granule s de toiture

40

La plu s grand e applicafio n de s cendre s volante s es t dan s l e ciment bie n que d e nouvelle s

ufilisations creacuteatrice s pou r le s cendre s volante s soien t activemen t chercheacutee s (Konsta -

Gdoutos et Shah 2003 Kim 2004)

Pour l a peacuteriod e 200 3 agrave 2005 les centrales alimenteacutee s a u charbo n a u Canad a on t produi t e n

moyenne 45 2 M t de cendres volante s pa r anneacutee (Panagapko 2005) Dans lensemble 2 8

des cendre s volante s ont eacutet eacute reacuteutiliseacutes L e gyps e syntheacutetiqu e entr e dan s l a fabricatio n d e

panneaux d e placoplacirctre e t est utiliseacute agrave titre dadditif agrave ciment (Panagapko 2005) En Inde la

production d e cendre s volante s es t supeacuterieur e agrave 11 0 millions d e tonne s pa r a n e t seulemen t

20-25 de ces reacutesidus sont utiliseacutes agrave la fabrication d u ciment (Kumar et al 2005)

Reacutecemment Soon g et al (2006 ) on t propos eacute lutilisatio n de s cendre s volante s e t de s

solutions d e saumur e afi n d e seacutequestre r l e CO 2 pa r carbonatatio n mineacuterale E n Europ e e t

selon le s anneacutees de 2 agrave 3 millions d e tonnes d e cendres volantes su r un e productio n total e

de 43 millions son t utiliseacutees en constructions d e routes soi t un taux dutilisatio n globa l dan s

ce secteur dactiviteacute d e 8

CHAPITRE 2

MATEacuteRIEL E T MEacuteTHODE S

Ce chapitr e preacutesent e l a meacutethodologie suivi e e t le s critegravere s d e seacutelectio n de s mateacuteriau x cibleacute s

lors d u projet boue s rouge s de s alumineries scorie s de s acieacuteries poussiegravere s d e fou r e t le s

cendres volantes des cimenteries

21 Descriptio n de s reacutesidus et sous produits alcalins cibleacute s

Des critegravere s d e preacuteseacutelectio n e t d e seacutelectio n on t eacutet eacute appliqueacute s pou r chacu n de s mateacuteriau x

cibleacutes Pa r critegravere s d e preacuteseacutelection o n sous-enten d tout e proprieacutet eacute physiqu e d e reacutesidu s

susceptible agrave preacutesente r de s danger s pou r l a sant eacute humain e telle s qu e de s odeur s

nauseacuteabondes deacutegagemen t d e ga z toxiques etc Le s reacutesidu s industriel s demandan t de s

proceacutedeacutes suppleacutementaire s afi n d e le s rendre non-toxique s o u ufilisable s avan t d e le s ufilise r

au laboratoir e on t eacutet eacute eacutecarteacute s d e l a preacutesent e eacutetude L a teneu r e n oxyde s meacutetallique s (CaO

MgO Si2 0 etc) l a teneu r e n meacutetau x lourd s (lixiviation) l e pH l a conductiviteacute l a

granulomeacutetrie son t le s principau x critegravere s d e seacutelectio n de s reacutesidus Huit reacutesidu s e t sous -

produits alcalin s ont eacuteteacute choisis pour reacutealiser leacutetud e su r l a seacutequestration d u CO2 deux type s

de boue s rouge s (humide s e t segraveches) trois types d e scorie s (FAEacute HF FP ) e t deu x type s d e

reacutesidus des cimenteries (poussiegraveres de four cendre s volantes)

211 Le s boues rouge s des aluminerie s

Les boues rouges on t eacuteteacute foumies pa r Alcan Inc (Vaudreuil Queacutebec Canada) stockeacutee s dan s

des conteneur s hermeacutetiquemen t fermeacute s agrave 2 2 C L a couleu r roug e (Figur e 21 ) es t du e agrave l a

forte teneu r e n fe r e t so n p H eacutelev eacute es t l a conseacutequenc e d u traitemen t d e l a bauxit e agrave

lhydroxyde d e sodium (NaOH)

42

Boues rouge s humides

Boues rouge s segraveches

Figure 21 Photos des boues rouges humides et segraveches

Les boues rouges ont une granulomeacutetrie tregraves fine comprise entre 01 agrave 1000 pm une surface speacutecifique d e 1 0 agrave 4 0 m g e t un e mass e volum e trique qu i vari e d e 3 0 agrave 3 5 gcm ^ (Bonenfant et al 2006) Les boues rouges humides ont une sicciteacute de 50

Tableau 21 La composition chimique moyenne des boue s rouges Tireacute de Bonenfant (2006)

Composition en masse

Boues rouges

humides Boues rouges segraveches

AI2O3

193

19

CaO

58

77

FczOj

352

335

MgO

07

08

Na20

143

8

S1O2

53

96

43

Les oxydes preacutesenteacute s au tableau 21 font parti e des principales phases ( Hind et al 1999 Coolmg et al 2002 Cabeza et al 2003 ) comm e la portlandite (Ca (0H)2) le carbonate de sodium (Na2C03) le naal (0H)4 Na6[AlSi04]6 la cristalline dheacutematite (Fe203) la goethite (a-FeOOH) la gibbsite (Al (0H)3) la boehmite (y-AlOOH) la sodalite (Na4Al3Si30i2Cl) la anastase (Ti02) la mtile (Ti02) la katoite (Ca3Al2Si04(OH)i2) le gypse (CaS04 2H2O) et le quartz (Si02)

212 Le s scories des acieacuteries

Les scorie s FA Eacute (fou r agrave ar c eacutelectrique) H F (hau t foumeau ) e t F P (fou r Poche ) on t eacutet eacute

foumies par la compagnie Mittal Canada Inc (Contrecoetu Queacutebec Canada)

Dans les usines inteacutegreacutees toutes situeacutees en Ontario des hauts fourneaux (voi r le scheacutema de production d e lacier Annex e II ) produisen t d u fe r primair e agrave parti r d e matiegravere s bmte s comme du minerai d e fer d u charbon e t de la chaux (Mikhai l e t Aota 2006) Les scories sont inodore s e t ont une granulomeacutetrie fm e d e 0 agrave 5mm mais elles son t commercialiseacutee s aussi agrave une granulomeacutetrie de 5 agrave 14 mm (voir figure 22)

Figure 22 Photo s des scories FAEacute HF et FP

Sont les pH eacuteleveacutes (12 agrave 13) et de leurs teneurs eacuteleveacutes en oxydes meacutetalhques (Huijgen et al 2005) Les raisons principales de lutilisation des scories comme substrat de seacutequestration du

CO2

44

Les scorie s FO P et FP sont plus riches en calcium qu e cell e FAEacute tandis qu e le s scorie s F P

sont plu s riche s o n oxyd e daluminium Le s teneur s e n meacutetau x lourd s son t faible s pou r le s

trois types d e scorie s eacutetudieacutees Les scories d e type FO P et FA Eacute son t diffeacuterente s de s scorie s

HF (Figur e 22) Elle s son t plu s leacutegegravere s e t plu s riches e n fe r (Bonenfan t et al 2006) Le s

scories H F ayan t un e mass e volumiqu e d e 200 0 kgm ^ sont le s plu s leacutegegraveres tandi s qu e le s

scories FOP et FAEacute ont une masse volumique de 3000 kgm

Plusieurs phase s mineacuteralogique s composen t le s scorie s don t le s principale s son t l a

portlandite (Ca(0H)2 ) qu i es t geacuteneacuteralement l a phase dominante l a calcite l a magneacutesite le s

silicates e t diver s oxyde s tel s qu e de s oxyde s d e calcium d e magneacutesium d e fer d e

manganegravese e t de silicium (voi r tableau 14)Selo n Huijgen et al (2005) les conditions dan s

lesquelles le s scorie s son t geacuteneacutereacutee s deacuteterminen t le s proportion s d e ce s phase s dan s le s

scories (Huijgen et al 2005)

213 Le s poussiegraveres de four des cimenteries

Les poussiegravere s d e fou r on t eacutet eacute fourni e pa r le s cimenterie s St-Lauren t Inc (Longueuil

Queacutebec Canada) et Ciment Queacutebec Inc (St-Basil Queacutebec Canada)

Les poussiegraveres de four de cimenterie (voir figure 23) connues aussi sous le nom de laquocernen t

kiln dustraquo (CKD) sont des reacutesidus industriel s reacutecupeacutereacutes pa r les filtres eacutelectrostatiques (Doy e

et Duchesne 2003 ) lor s d e l a fabricatio n d u clinke r (voi r l e scheacutem a d e l a fabricatio n d u

ciment Annexe III) Les CKD ont une granulomeacutetri e tregrave s fine variant de 01 agrave 10 0 pm une

surface speacutecifiqu e d e 46 agrave 14 0 m g Les CKD ont une masse volumique de 480 kgm mai s

compacteacutees leur masse volumique peut atteindre 135 0 agrave 150 0 kgm^ (The Feacutedeacutera l Highway

Administration 2006) L a compositio n chimiqu e moyenn e de s CK D es t repreacutesenteacute e a u

tableau 15

45

Figure 23 Photo des poussiegraveres de four de cimenterie (CKD)

Tireacute de Doye et Duchesne (2003)

Les CKD hbegraveren t tregrave s rapidemen t d e fortes concentration s e n potassium e n sulfat e e t en alcaliniteacute (Doye et Duchesne 2003) La quantiteacute doxyde de CKD deacutepend du type de four la source des matiegraveres du type de carburant utiliseacute et la maniegravere dont les CKD ont eacuteteacute reacutecupeacutereacute par le systegraveme

Lanalyse mineacuteralogiqu e de s CKD montre quelles sont composeacutees de calcite (CaC03) de dolomie (CaMg(C03)2 d u quart z (Si02) l e portlandit e (Ca(0H)2 de s sel s darkanit e (K2SO4) d e gyps e (CaS04) d e sylvit e (KCl) dhalit e (NaCl ) e t dettrengit e (Ca6(Al)2(OH)i 2(804)326 H2O + 6 H2O)

214 Le s cendres volantes

Les cendres volante s (voi r figure 24) on t eacutet eacute fournie s pa r le s cimenteries St-Lauren t Inc (Longueuil Queacutebec Canada)

46

Figure 24 Phot o des cendres volantes

Les particule s d e cendre s volante s son t l a plupar t d u temp s spheacuterique s avec un e surfac e

speacutecifique d e 25 0 agrave 60 0 m kg Les cendre s volante s d e class e C on t u n p H d e 1 2 e t un e

masse volumiqu e d e 234 0 kgm ^ (Biemack i et al 2007) L a compositio n chimiqu e de s

cendres volantes es t deacutecrite au tableau 16

Une tonne de cendres volantes pourrait seacutequestrer jusquagrave 2 6 kg de CO2 (Montes-Hemandez

2009)

En geacuteneacuteral le s phase s mineacuterale s preacutesentes (Biemack i et al 2007 ) dan s cendre s volante s

sont l e quartz (Si02) l a mullite (3AI2O 3 JE 2Si02) l a plagioclase (Na Ca (Si Al) 40raquo) l a

gehlenite (Ca2A l [AlSiO]) lanhydrit e (CaS04) lheacutematit e (Fe203) Fhalit e (NaCl) l a

sylvinite (KCl) et la calcite (CaC03)

47

22 Meacutethode s expeacuterimentale s

221 Caracteacuterisatio n de s mateacuteriau x cibleacute s

La compositio n chimiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s (scorie s e t boue s rouges ) a eacutet eacute eacutevalueacute e pa r

fluorescence agrave rayon X agrave laid e du n spectromegravetr e Philip s PW2400 Ell e a permis lanalys e

quantitative de s principaux composant s tels que 1 e CaO le FeO et le MgO Ces mesures ont

eacuteteacute reacutealiseacutee s e n triplicat a su r de s eacutechantillon s d e diffeacuterent s lot s de s mateacuteriau x cibleacute s e t

utiliseacutees pour lensemble de s expeacuterimentations

222 Deacuteterminatio n d u pH et de la conductivit eacute

Le p H e t l a conductivit eacute de s meacutelange s lixivieacute s on t eacutet eacute mesureacute s selo n le s meacutethode s

respectives normaliseacutee s 4500-H^- B e t 2510- B (APHA 1989 ) ave c l e pH-megravetr e numeacuteriqu e

PHM 250 ION Analyser ains i que le conductimegravetre numeacuteriqu e CD M Conductivit y Mete r de

la compagni e MaterLab^^ Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute on t eacutet eacute mesureacutee s pou r

chacun des mateacuteriaux cibleacutes avant et apregraves la carbonatation ains i que sur tous les eacutechantillon s

preacutelixivieacutes e t non preacutelixivieacutes filtreacutes e t non-filtreacutes L a filtration a eacuteteacute reacutealiseacute agrave laide d e filtres

Filtropur steacuterile s en aceacutetates de cellulose ayant un diamegravetre de 045 pm

223 Deacuteterminatio n d u pouvoir alcalin

Lalcaliniteacute de s mateacuteriau x a eacutet eacute mesureacute e agrave laid e d u fitreur automatiqu e TIM86 5 Titrafio n

manager e t d u logicie l Titramaste r 85V130 L e titrag e a eacutet eacute effectu eacute ave c d e lacid e

chlorhydrique (HCl ) 1 N Afi n deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestrafio n de s hui t mateacuteriau x

testeacutes le s reacuteserve s alcaline s de s matrice s on t eacutet eacute mesureacutee s dan s de s eacutechantillon s ayan t de s

granulomeacutetries industrielles Le s eacutechantillons contenaien t 1 0 g de mateacuteriaux cibleacute s e t 20 mL

deau deacuteioniseacute e e t ont eacuteteacute agiteacutes agrave 20degC et 200 rpm et titreacutes par titrage automatique ave c HCl

IN L e bu t d e lactivit eacute eacutetai t deacutevalue r l e potentie l d e seacutequestratio n de s mateacuteriau x cibleacute s e n

partant de leurs pH naturel jusqu agrave pH 8 3 soi t le pH limite de formafion de s carbonates

48

224 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en cuveacutee

Des essai s e n cuveacute e on t eacutet eacute reacutealiseacute s ave c le s hui t reacutesidu s alcalin s cibleacutes Le s capaciteacute s

dabsorption de s mateacuteriau x choisi s on t eacutet eacute deacutetermineacutee s pa r l e barbotag e d u CO 2 (15 e n

volume CO2N2 ) e n fonctio n d e temp s donneacute s d e reacuteactio n 24 e t 4 8 heures L e choi x d u

meacutelange 1 5 e n volume CO2N 2 a eacutet eacute fai t e n tenan t compt e de s eacutemission s reacuteel s e n CO 2

quune chemin eacute dusine rejett e dan s latmosphegravere ( 8 agrave 1 5 ) Cette opeacuteration a eacuteteacute effectueacute e

dans des Erleinmeyer d e 250 mL qui contenaient 2 0 g de reacutesidu e t 200 mL deau deacuteioniseacute e agrave

20 C avec u n deacutebi t d e 5 mlmin duran t 2 4 e t 4 8 heures sou s un e agitatio n d e 20 0 rpm L e

tableau ci-dessous illustr e le s paramegravetres dexpeacuterimentation

Tableau 22 Paramegravetre s dexpeacuterimentatio n

Paramegravetres Temps

Tempeacuterature Pression

Granulomeacutetrie Volume deau distilleacute e Rapport liquidesolid e

(LS) Vitesse de rotation

Mesures 2448

Constante Atmospheacuterique

Industrielle 200 10

200

Uniteacutes Heures 20degC atm pm mL

kgkg

rpm

Le pH e t l a conductivit eacute ont eacutet eacute mesureacute s selo n le s technique s deacutecrite s preacuteceacutedemment Le s

quantiteacutes d e carbon e absorbeacutee s ont eacutet eacute mesureacutee s agrave laid e danalyseu r DC-85 A TO C d e l a

compagnie Dohrman n Divisio n C o muni dun fou r agrave combustion (800degC) dun flux conten u

doxygegravene e t du n tub e agrave catalyse contenan t d e loxyd e d e cobal t su r alumine Lanalyseu r

est eacutetalonn eacute ave c un e solutio n d e biphtalat e d e potassiu m agrave un e concentratio n e n carbon e

organique d e 200 0 mg-CL Le s concentration s e n carbon e organiqu e de s mateacuteriau x cibleacute s

lixivieacutees non-lixivieacutees filtreacutees e t non-filtreacutees on t eacutet eacute mesureacutees apregrave s linjectio n d e 20-40 p L

dans le four d u TOC-megravetre

Avant linjectio n dan s l e fou r d u TOC-megravetr e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute agiteacute s ave c u n

baveau magneacutetiqu e agrave environ 50 0 trmin

49

Les concentration s e n carbon e organiqu e d e tou s le s eacutechantillon s on t eacutet eacute eacutevalueacutee s pa r l a

soustraction de s quantiteacute s d e carbon e mesureacutee s avan t e t apregrave s l a carbonatatio n d e ce s

eacutechantillons

La seacutequestratio n d u CO 2 a eacuteteacute fait e e n bouteille s d e Pyre x d e 25 0 mL Ce s dernier s eacutetaien t

ouverts agrave latmosphegravere L e CO 2 a eacuteteacute inject eacute agrave partir du n meacutelang e d e ga z de reacuteservoir e t l e

deacutebit d e ga z a eacutet eacute controcircl eacute agrave laid e du n deacutebitmegravetr e agrave flotteur e n acie r inoxydabl e d e Cole -

Pamier Instmment Co La reacutepartition uniform e d u gaz dans la boue rouge en milieu aqueux a

eacuteteacute reacutealiseacute e agrave laid e du n diffuseu r poreu x situ eacute agrave linteacuterieu r d e chaqu e fiole coniqu e (voi r

figure 2 5 et photo Annexe VIII) Les eacutechantillons ont eacuteteacute jeteacutes apregraves chaque analyse

Deux types dessais on t eacuteteacute conduits

bull essai s de barbotage preacutelixivieacute s pour lesquels le s eacutechantillons ont eacuteteacute lixivieacutes pendant 24 h

et 48h puis barbotes avec le meacutelange enrich i en CO2 pour une mecircme dureacutee

bull essai s de barbotage non preacutelixivieacutes pour lesquels leacutetape d e lixiviation a eacuteteacute supprimeacutee

Il fau t note r qu e pou r le s deu x temp s dadsorptio n d u CO 2 le s eacutechanfillon s utiliseacute s pou r l a

seacuterie de 24 heures sont diffeacuterents d e ceux utiliseacutes pour la seacuterie de 48 heures

50

Vent to atmosphegravere

Suspension of red mud or leachate

Diffuser mdash

Ecirc3

izzi nz o o o o Shaker

^ H = ^

Flowmeter

Gas mixture reacuteservoir

Figure 25 Scheacutem a du barbotage du CO2 en cuveacutee Adopteacute de Bonenfant et al (2008 )

Capaciteacute dadsorption du CO2

La capaciteacute dadsorption (Kco2 ) du C02^ par les reacutesidus alcalins a eacuteteacute deacutetermineacutee en fonction

du rapport liquide solide (LS) agrave la fois pour des essais preacutelixivieacutes et non preacutelixivieacutes

Celle-ci est donneacutee par la formule suivante

^ TOGeacuteiunJ(ppmQ - TOQireacuteppmQ) M(CCh)I MQ KC02 (g COicirclOOg de reacutesidu) = a bull

1000 (21)

ougrave M(C02) et M(C) sont respectivement les masses molaires (gmol) de CO2 et de C

Et a es t un facteur de conversion qui se calcule comme suit

a 100

ms(g) ms( 2)

( ^ ^ +200mL)000mLL) ps(glmL)

ms masse de reacutesidus utiliseacute dans lessai en g

ps masse volumique du reacutesidu alcalin en gcm^

51

225 Meacutethode s e t appareillages analytique s

Le tableau 2 3 reacutesum e le s meacutethodes e t les appareillages utiliseacute s pour le s diffeacuterentes analyse s

qui ont eacuteteacute reacutealiseacutees au cours de la preacutesente eacutetude

Tableau 23 Meacutethodes et appareillages analytique s appliqueacutee s

Type danalyse

pH

Conductiviteacute

Alcaliniteacute

Ca Na K Mg Fe

Carbone organiqu e

Meacutethodes danalys e

4500-H+-B PHM APHA 198 9

2510-B APHA 198 9

2320B APHA 198 9

3500 APHA 198 9

APHA 198 9

Appareillage

pH-megravetre 250 Ion Analyser

(MeterLabiM) Conductimegravetres numeacuteriqu e CDM Conductivity Mete r

(MeterLabiumlM) TIM865 Titration manage r + logiciel Titramaste r 8 5

V130 ICP-AES-IRIS ADVANTAGE

THERMOELECTRIQUE 2000

Analyseur DC-85 A TO C Dohrmann Divisio n Co

Apollo 9000 TOC Combustion Analyze r de

la compagnie Dohrmann Divisio n Co

CHAPITRE 3

RESULTATS ET DISCUSSION S

Les reacutesultat s obtenu s suite s au x essai s reacutealiseacute s seron t preacutesenteacute s e t discuteacute s dan s c e chapitre

Afin d e seacutelectionne r le s troi s reacutesidu s alcalin s ayan t le s meilleur s potentiel s d e seacutequestratio n

du CO2 des essais de seacutequestration d u CO2 de 24 et 48 heures ont eacutet eacute reacutealiseacutes Pour ce faire

les reacutesultats de leacutevolution d u pH de la conductiviteacute du potentie l d e seacutequestration d u CO2 et

du pouvoi r alcali n seron t preacutesenteacutes Enfin le s reacutesultat s de s essai s d e l a cineacutetiqu e d e

ladsorpfion d u CO 2 reacutealiseacute s ave c l e mateacuteria u ayan t deacutemontr eacute l e meilleu r potentie l d e

seacutequestration seron t discuteacutes

31 Evolutio n du pH et de la conductivit eacute

311 Essai s d e 4 8 heures

La figur e 3 1 illustr e l a variation d u pH des huit reacutesidu s apregrave s 48 heures d e seacutequestratio n d e

CO2 L e graphiqu e deacutemontr e clairemen t qu e tou s le s reacutesidu s on t sub i de s baisse s

remarquables d e p H apregrave s 4 8 heure s dadsorptio n d e CO2 Le s p H initiau x (voi r tablea u

31) de s troi s scorie s varien t d e 11 2 agrave 11 9 e t il s on t baisseacute s d e preacute s d e 6 uniteacute s pou r

atteindre l a valeu r d e 7 2 pou r le s scorie s S3 La figur e 3 1 deacutemontr e qui l y a tregraves pe u d e

variation d e p H entr e le s deu x valeur s extrecircme s d u p H conceman t le s deu x type s d e boue s

testeacutees En effet l a variation du pH concemant le s boues rouges humides preacutelixivieacutee s e t non

preacutelixivieacutes ne deacutepasse pas les deux uniteacutes Dans le cas des boues rouges segraveches (preacutelixivieacutes e t

non preacutelixivieacutes) la diffeacuterenc e es t moindr e soi t 1 5 uniteacutes E n revanche l a diminufio n de s

valeurs d u p H pa r rappor t agrave l a valeu r d u p H initia l es t remarquabl e du 12 6 agrave 72 Le s

poussiegraveres d e fours C l e t C2 ont obtenu le s plus fortes baisse s de pH dan s leur s formes non -

filtreacutees Toutefois seulemen t l e C 2 preacutelixivieacutee s e t non-filtr eacute a subi e un e baiss e d e p H

infeacuterieur agrave 70 soi t pregraves de 68 uniteacutes

53

Il fau t souligne r qu e le s diffeacuterence s d e p H entr e le s quatr e eacutechantillon s d e C l son t minime s

soit 0 1 unit eacute contrairemen t agrave celle s d e C 2 qu i son t di x foi s plu s grande s soi t un e uniteacute E n

revanche tous le s eacutechantillons de s cendres volantes F subis des baisse s remarquable s d e pH

variant de 66 agrave 68 uniteacutes

Ces reacutesultat s prouven t qu e l a lixiviation e n geacuteneacuteral jou e u n rocircl e minim e su r l e p H pe u

importe l e reacutesid u utiliseacute Toutefois le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s

meacutetallique tell s qu e Ca Mg Al Fe ^ selon Bonenfan t (2008) Ce son t ce s ions e t leur s

oxydes respectifs qu i assurent le pH et les conductiviteacutes eacuteleveacute s des reacutesidus cibleacutes

Tableau 31 Le s valeurs des pH initiaux des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouge s humides (Bl )

Boues rouges segraveche s (B2)

Scories SAE (SI ) Scories FP (S2) Scories HF (S3)

CKD St-Lauren t C l CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

pH

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

115

115

115 116 118 126

-

-

48 heures

126

121

116 118 116 127 125

95

Non-filtreacute 24

heures 117

116

119 116 119 130

-

-

48 heures

126

121

119 119 117 127 127

92

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

121

120

112 114 115 128 125

88

Non-filtreacute -

124

122

115 124 117 128 126

89

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute (figur e 32) s i on compare ce s reacutesultats avec ceux d u

pH on peut constate r qui l exist e un lie u direct entr e leacutevolutio n d u pH e t leacutevolutio n d e la

conductiviteacute plu s le s valeur s d e p H augmentent plu s le s valeur s d e l a conductivit eacute

augmentent aussi Cett e relatio n peu t sexplique r pa r un e teneur plu s eacutelev eacute de s meacutetau x dan s

la solution surtou t dans les solutions de CKD

54

B1 B 2 S I 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

C2

Figure 31 Eacutevolution du pH des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutees ( bull ) non filtreacutes (o ) lors des essais de 48 heures

Il est coimu quen geacuteneacuteral les ions meacutetalliques en solution tels que Ca Mg Na^ forment

des eacutelectrolyte s beaucou p plu s puissant s qu e ceu x de s non-meacutetau x dougrave le s valeur s plu s

eacuteleveacutees de conductiviteacute des CKD (Cl) Toutefois s i on compare les valeurs de conductiviteacutes

initiales reacutesumeacutees au tableau 32 des scories FAEacute HF et les cendres volantes F on remarque

que contrairemen t au x autre s reacutesidus leur s valeur s d e conductivit eacute apregrave s 4 8 heure s d e

carbonatation ont augmenteacutes Ces reacutesultats corroborent ceux obtenus par Bonenfan t (2008)

Bonenfant expliqu e cet eacutecart par la preacutesence des oxydes amphotegraveres dans la solution tels que

lAl203 qu i diminuen t substanfiellemen t leur s influence s su r l e p H de s mateacuteriau x cibleacute s

comparafivement agrave ceux des oxydes fortement basique s tels que les oxydes de calcium et de

sodium

55

Tableau 3 2 Les valeurs des conductiviteacutes initiale s des huit mateacuteriaux testeacute s

Types d e

reacutesidus

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories SA E

(SI) Scories FP (S2) Scories HF (S3 ) CKD St-Lauren t

Cl CKD Cimen t Queacutebec (C2 )

Cendres volantes (F )

Conductiviteacute e n mS

Preacutelixivieacute Filtreacute

24 heures

58

43

05

69 11

243

-

-

48 heures

72

44

03

77 18

187

69

18

Non-filtreacute 24

heures 63

47

06

66 15

262

-

-

48 heure s

78

49

07

71 19

251

85

16

Non-preacutelixivieacute Filtreacute

-

59

44

06

59 10

208

92

14

Non-filtreacute -

62

45

07

61 14

172

100

14

En revanche l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s daluminiu m dan s le s lixiviat s de s boue s

rouges e t des scorie s FA Eacute es t susceptibl e decirctre en partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees d e

conductiviteacute d e ce s troi s solution s selo n Bonenfan t (2008) I l es t inteacuteressan t d e constate r

encore un e foi s qu e l a preacutelixiviation comm e dan s l e cas d u pH a tregraves pe u dincidenc e su r

leacutevolution d e l a conductiviteacute E n fait i l nexist e aucun e diffeacuterenc e significafiv e d e

conductiviteacute entre le s reacutesidus preacutelixivieacutes et non-preacutelixivieacutes comme le deacutemontre l a figure 32

56

21

co18

bull^12

bullB 9 o ^ 6 O O 3

B1 8 2 81 82 8 3 C 1 C 2

Types de reacutesidus

Figure 32 Eacutevolution de la conductiviteacute des huit reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) no n filtreacutes (bull) etnon-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull) no n filtreacutes (0) lors des essais de 48 heures

312 Essai s de 24 heures

Tel quexpliqu eacute preacuteceacutedemment le s essai s d e seacutequestratio n d u CO 2 d e 2 4 heure s on t eacutet eacute

reacutealiseacutes dans le but de deacutecouvrir sil existai t une diffeacuterence significativ e entr e les deux temps

de seacutequestratio n d u d e CO 2 eacutetudieacutes 24 e t 4 8 heures Pou r c e faire le s reacutesidu s qu i on t

obtenus le s meilleurs reacutesultat s de seacutequestration du CO2 lors des essais de 48 heures ont eacuteteacute

soumis agrave des tests de seacutequestration de 24 heures Ces reacutesidus sont le s boues rouges (humides

et segraveches) les scories (FAEacute FP HF) et les CKD St Laurent

La figure 33 illustre les reacutesultats de leacutevolution du pH apregraves 24 heures de barbotage de CO2

On remarque que les valeurs de pH des Bl B2 SI S3 et Cl son t tregraves semblables Ils varient

de 69 (Cl preacutelixivi eacute filtreacute) agrave 82 imiteacutes (SI non - preacutelixivi eacute filtreacute)

57

12 n

m lU

0

4

2

0

i I -i IM i i [ML 1

i I I Lli 1

m 1 i I m 1

i i i ji I

n 1 i Lli -] B1 8 2 8 1 8 2 8 3 C I

Types de reacutesidus

Figure 3 3 Eacutevolutio n d u pH de s si x reacutesidu s preacutelixivieacute s filtreacutes (D) no n filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes (bull) no n filtreacutes (s ) lors des essais de 24 heures

Les scories S2 se deacutemarquent par leurs valeurs de pH eacuteleveacutees soient de 93 (preacutelixivieacute filtreacute)

agrave 100 4 (non-preacutelixivieacute non-filtreacute) Ce s reacutesultat s deacutemontren t qu e le s scorie s S 2 relacircchen t

plus difficilemen t le s ion s meacutetalliques qu e l e reste de s reacutesidus alcalins Rappelon s qu e le s

CKD (Cl ) on t obten u le s plu s forte s baisse s d e p H pa r rappor t au x valeur s avan t l a

carbonisation soi t plu s d e 6 uniteacutes Toutefois le s diffeacuterence s d e p H entr e le s eacutechantillon s

preacutelixivieacute e t non-preacutelixivi eacute son t moin s significative s soien t d e 0 1 agrave 1 uniteacute Ce s reacutesultat s

deacutemontrent encore une fois qu e la preacutelixiviation a peu dincidence sur leacutevolution du pH

Quant agrave leacutevolution d e la conductiviteacute l a figure 3 4 permet d e constater qu e le s valeurs de

conductiviteacute obtenues sont tregraves semblables avec celles obtenues lors les essais de 48 heures

car les meacutecanismes qui reacutegissen t la libeacuterafion des ions meacutetalliques sont identiques

58

30

lto25 E S 20

gt 15 o = 10

B1 62 81 8 2

Types de reacutesidus

83 CI

Figure 34 Eacutevolution de la conductiviteacute des six reacutesidus preacutelixivieacutes filtreacutes (n) non filtreacutes (bull) e t non-preacutelixivieacute s filtreacutes (bull ) non filtreacutes (3) lors des essais de 24 heures

32 Deacuteterminatio n du pouvoir alcalin

Les reacutesultats de s essai s d e titrage reacutealiseacute s avec le s hui t reacutesidu s (voi r le s reacutesultat s complet s

Armexe VI ) son t illustreacute s respectivemen t pa r le s figure s 3 5 agrave 37 Le s reacuteserve s alcaline s

calculeacutees agrave parti r d e ce s figure s son t reacutesumeacute s dan s l e tablea u 33 Ce s reacutesultat s indiquen t

clairement qu e le s quantiteacutes dacide chlorhydriqu e (acide fort ) neacutecessaire s pour atteindre le

pH 8 3 (p H d e saturatio n e n CaC0 3 dun e solutio n agrave leacutequilibr e e t agrave l a pressio n

atmospheacuterique) son t d e 8 agrave 1 1 foi s plu s eacuteleveacutee s dan s l e ca s de s scorie s dacieacuterie s

comparativement au x boues rouges de 2 agrave 27 fois plus eacuteleveacutees que les CKD et jusqu agrave 38

fois plus eacuteleveacutees que les cendres volantes Les cendres volantes ont un pouvoir alcali n tregraves

faible seulement 2 mL de HCl on suffit pou r baisser le pH initial en-dessous de 5 uniteacutes Les

CKD preacutesentent des pouvoirs tampons les plus eacuteleveacutes parmi les reacutesidus alcalins suivis par les

scories HF et FP

59

Tableau 33 Reacuteserves alcalines des huit reacutesidus

Type de reacutesidu

Boues rouges humides ( B 1 ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FAE (SI ) Scories FP (S2 ) Scories HF (S3 ) CKD (Cl ) CKD (C2 ) Cendres volantes (F )

pH

83

Reacuteserve alcaline (mole de HCIkg de reacutesidu)

038 04 31 39 43 14 16

012

En revanche le s boue s rouge s on t u n pouvoi r tampo n beaucou p plu s faibl e compar eacute au x

autres reacutesidus mentionneacutes ci-dessus mais plus eacuteleveacute que les cendres volantes Les particules

solides contribuent pou r 7 6 du pouvoir neutralisant de s boues rouges e t l a phase liquide

pour 24 constate Bonenfant et al (2008)

14 1

12

10 -

8 -

6 -

4 -

2 -

n -u 1

(

icirc-~~-icircraquo^^

1

) 1 0

bull ^

1 1 1

20 3 0 4 0

HCIlNenml

V

I

50

1

60

Figure 35 Courbe s de titrage des scories FA E (bull) FP (bull) e t HF (0) en fonction du volume dacide ajouteacute

60

Figure 36 Courbes d e titrage des CKD Cl (bull ) e t C2 (bull) e n fonctio n du volume dacide ajouteacute

16-

14 A

pH

00 O

to

1 1 1

r-1

6 -

4 -

2 -n -

4P

^ ^HU

u T 1

0 1 0

Vp-

^9laquo^--f^-^^

20 3 0 4 0

H C I l N e n m l 50

Figure 37 Courbes de titrage des boues rouges segraveches (D ) et humides (bull) en fonction d u volume dacide ajouteacute

61

Ces reacutesultats indiquen t qu e les scories dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute de neutralisation plu s

eacuteleveacutee qu e tou s le s autre s reacutesidus D e plus le s scorie s H F son t le s plu s reacuteactive s ave c un e

reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

33 Deacuteterminatio n d e la capaciteacute dadsorption e t de seacutequestration d u CO2 en solution aqueus e

Cette eacutetap e d e la preacutesent e eacutetud e a consist eacute agrave mesure r le s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 en

solution pa r le s hui t reacutesidu s alcalins Lobjecfi f principa l d e cett e eacutetap e eacutetai t deacutevalue r l a

variation d u potentie l d e seacutequestratio n pa r le s matrice s de s reacutesidu s e t d e leur s lixiviat s

pendant 2 4 e t 4 8 heure s afi n d e seacutelectionne r le s reacutesidu s ayan t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration Cett e eacutetap e visai t eacutegalemen t agrave deacutetermine r si l exist e un e diffeacuterenc e

significative de s capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s entr e le s deu x temp s d e

seacutequestration Enfin leacutetud e d e l a cineacutetiqu e d e seacutequestratio n pa r l e reacutesid u alcali n ayan t

obtenu l e meilleur rendemen t dadsorptio n d u CO2 lors les deux seacuterie s dessais a pour bu t de

mieux comprendre c e processus

331 Essai s de 4 8 heures

Les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit reacutesidus sont repreacutesenteacutes agrave la figure 38 Le CO2

injecteacute agrave deacutebi t constan t s e transform e e n phas e aqueuse c e qu i impliqu e un e baiss e d e p H

mais auss i un e adsorptio n d e CO2 Il s deacutemontren t qu e le s scorie s H F e t F P obtiennen t le s

meilleures reacutesultat s (voi r le s reacutesultats complet s Annex e IV ) dadsorpfion d u CO2 suivies pa r

les CKD d e type C l e t C2 Les de boues rouges humides (Bl ) e t segraveche s (B2 ) preacutesentent de s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 beaucoup moin s importante s mais plu s importante s qu e

les cendres volantes (F) La figure 38A indiqu e les reacutesultats dadsorption d u CO2 par les huit

reacutesidus non-preacutelixivieacutes O n remarqu e qu e le s eacutechantillon s non-filtreacutee s (matrice s + lixiviats )

des scorie s S 2 e t S 3 obfiennen t le s meilleurs reacutesultat s dadsorpfio n d u CO 2 soien t 008 3 e t

0084 g de C02g de reacutesidu suivies par les Cl qu i preacutesente des capaciteacutes dadsorption d e 008

g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

62

Bl B2 S I 8 2 S 3 C I 0 2

Types de reacutesidus

15 07|

F

81 82 S I S 2 S 3 C I C 2

Types de reacutesidus

1214

Ll F

Figure 38 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 8 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacutes (B) filtreacutes (D ) e t non- filtreacutes (bull ) lor s des essais de 4 8 heures

63

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s segraveche s e t humide s non-filtreacutee s offren t de s rendement s

infeacuterieurs agrave 60 compareacutes agrave ceux de s scories S 2 et S3 Les cendres volante s offre s le s plus

faibles reacutesultat s dadsorption soi t 0015 g CO2 g de reacutesidu apregraves 48 heures de carbonatation

Si o n compar e le s graphique s A e t B o n remarqu e qu e l a lixiviatio n a e u de s impact s

diffeacuterents su r le s hui t reacutesidu s testeacutes Le s boue s rouge s humide s e t segraveche s e t le s cendre s

volantes ont eacutet eacute plus sensibles agrave la lixiviation e n deacutemontrant de s reacutesultat s presqu e identique s

dadsorpfion d u CO2 L a figur e 48 B illustr e u n autr e fai t inteacuteressant Le s meacutelange s

(matrices+ lixiviats ) de s scorie s S 2 e t de s poussiegraveres d e fou r de s cimenterie s C 2 offren t de s

meilleurs tau x dadsorptio n d u CO 2 que le s lixiviat s seuls C e reacutesulta t peu t sexplique r pa r

tme preacutesence plus eacuteleveacutee des ions meacutetalliques dans les matrices que dans la solution

Les scorie s F P ont u n pouvoi r d e seacutequestratio n d u CO 2 qui peu t atteindr e 010 7 g de C02 g

de scorie s soi t l e tripl e d u pouvoi r de s boue s rouges C e hau t nivea u dadsorpfio n peu t

sexpliquer pa r l a teneur eacuteleveacute e en CaO jusquagrave 31 7 de Si0 2 (91) e t MgO (6 ) selo n

Huijgen et al (2005) Ce s oxyde s on t l a proprieacutet eacute d e reacuteagi r facilemen t ave c l e CO 2 e t d e

former de s carbonates stables

332 Essai s de 2 4 heure s

La figure 3 9 illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 apregraves 2 4 heure s d e carbonatatio n pa r

les si x reacutesidu s seacutelectionneacute s (voi r le s reacutesultat s complet s Armex e V) Lallur e geacuteneacuteral e de s

graphiques de la figure 39 sapparent e agrave celle de la figure 38 Comme dans l e cas des essai s

de 4 8 heures le s scorie s S2 S 3 e t le s CK D typ e C l no n - preacutelixivieacute s offren t le s meilleur s

reacutesultats dadsorptio n d u CO2 Les boues rouge s segraveche s (non-filtreacutes ) preacutesente s de s capaciteacute s

dadsorption d u CO2 20 supeacuterieures agrave celles humides e t 45 infeacuterieure s au x scorie s S3

La figure 39 A illustr e le s reacutesultat s dadsorptio n d u CO 2 par le s si x eacutechantillon s preacutelixivieacute s

pendant 2 4 heures

64

CM O O agt

O)

O)

O)

o 0)

laquo - s = ltr t

O) I -V)

laquoM O O 0)

bullo o

7 4gt

bull O

O) o o mdash lt1) -gt (A 0) 3

(A

(A 3

bull O

res

h

5 ^

4

3 18

A

29

6

5

4

3

2

1

0

B

35

65

36

81 8 2 S 1 S 2 S 3

Types de reacutesidus

Bl B 2 8 1 8 2 8 3

Types de reacutesidu s

CI

CI

Figure 3 9 L a variatio n d e ladsorptio n d u CO 2 pa r le s 6 reacutesidu s non -preacutelixivieacutes (A ) et preacutelixivieacute s (B ) filtreacutes (D ) e t non - filtreacutes (bull ) lor s de s essai s d e 24 heures

65

La preacutelixiviatio n sembl e davoi r u n impact e positi f su r ladsorptio n d u CO 2 pa r le s troi s

types de scories et les boues rouges humides non-filtreacutes

Les scorie s S I e t le s boue s rouge s humide s ont augment eacute respectivemen t leu r pouvoi r

dadsorpfion d e CO 2 d e 5 2 e t d e 27 pa r rappor t au x eacutechantillon s non-preacutelixivieacutes Le s

faibles reacutesultat s dadsorption d u CO2 par les eacutechantillons preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes filtreacutes

deacutemontrent qu e le s carbonates s e trouvent majoritairemen t dan s le s matrices e t non dan s le s

lixiviats

La comparaison de s reacutesultats obtenus de la seacutequestration d u C02 lor s des deux seacuterie s de tests

permet d e constate r qu e le s diffeacuterence s d e gain s son t tregrave s diffeacuterentes Le s plu s grande s

diffeacuterences d e gain s son t enregistreacutee s pa r le s scories S 3 e t S 2 respectivement lor s des essai s

de 2 4 e t 4 8 heures D e plus le s scorie s S 2 obtiennen t le s plu s haut s gain s sou s leu r form e

preacutelixivieacutee contrairemen t au x scorie s S 3 qu i obtiennen t le s meilleur s reacutesultat s sou s leu r

forme non-preacutelixivieacutee D e ce fait o n peut conclur e qu e l a carbonatation peu t ecirctr e influenceacute e

par l e temps d e preacutelixiviation de s oxydes meacutetallique s s i la preacutelixiviation es t supeacuterieur e agrave 24

heures

34 Cineacutetiqu e d e ladsorption d u CO2 en solution pa r les scories FP

Leacutetude de s potentiel s d e seacutequestratio n d u CO 2 par le s hui t reacutesidu s testeacute s a releveacute qu e le s

scories F P (S2 ) offren t l e meilleu r potentie l d e seacutequestration D e c e fait i l import e don c

deacutetudier l a cineacutefique dadsorpfio n d u CO2 par ce reacutesidu alcalin afi n d e mieux comprendr e c e

processus L e choi x de s scorie s non-preacutelixivieacutee s s e justifi e pa r leur s rendement s d e

seacutequestrafion d u CO 2 qui son t plu s eacuteleveacutes par rappor t agrave celles preacutelixivieacutees Pou r c e faire le s

reacutesultats d e leacutevolutio n d u pH de conducfiviteacute e t de ladsorpfio n d u CO 2 seront preacutesenteacute s e t

analyseacutes

66

Les figures 31 0 e t 311 illustrent leacutevolutio n d u pH et de la conducfiviteacute de s scories F P non-

preacutelixivieacutees apregrave s 8 heures de carbonatation (voi r le s reacutesultats comple t agrave F Armexe VII) Huit

mesures de s valeur s d e pH e t conductiviteacute ont eacutet eacute reacutealiseacutees soi t apregrave s 0 25 5 10 20 60

120 et 480 minutes

1 12 bull

11 -

X ^ 10 -

9-

8-

7 1

^ ^ _

^ ^ ^ N gt N L

1 1

l 1 0 10 0 Temps d e barbotage a u C02 (e n min)

1

1000

Figure 31 0 Eacutevolutio n d u p H de s scorie s F P filtreacutees (bull) no n filtreacutees (D) e n fonction d u temps de barbotage au CO2

Le pH et l a conductiviteacute son t lieacute s par les mecircmes meacutecanismes soi t ceu x d e libeacuteration de s ion s

meacutetalliques d e calciu m e t d e magneacutesiu m dan s l a solufio n pa r le s particule s solide s degrave s l e

deacutebut d e l a reacuteaction Le s baisse s de s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute sexpliquen t pa r l a

reacuteaction de s ion s meacutetallique s ave c l e CO 2 qu i es t transform eacute preacutealablemen t e n acid e

carbonique e t l a formation de s carbonates Le s ions e t le s oxydes amphotegravere s reacuteagissen t pe u

dans l a solufio n e t d e c e fait il s ont pe u dimpac t su r l e p H e t l a conducfiviteacute Ces t

seulement apregrave s les dix premiegraveres minutes quon observ e une baisse significative de s valeur s

de pH et de conductiviteacute

67

Ce consta t es t e n accord ave c le s reacutesultats obtenu s pa r Hujge n et al (2006 ) e t Bonenfan t et

al (2008) Mecircm e s i ces auteur s ont travaill eacute ave c de s scorie s ayan t un e granulomeacutetri e plu s

fine (38-16 0 pm) le s preacutesent s travau x conduisen t agrave l a mecircm e conclusio n queu x le s ion s

meacutetalliques s e libegraveren t de s matrice s degrave s l e deacutebut d u processus d e carbonatatio n soi t entr e l e

deuxiegraveme e t l a dixiegravem e minute Selo n ce s auteurs l a concentratio n d e calciu m augment e

presque lineacuteairemen t agrave laugmentatio n d u temp s d e reacuteaction jusquagrave enviro n 1 0 min Apregrave s

cela l a concentratio n nivegravel e o u diminue L a sursaturatio n a e u lie u parc e qu e l e tau x d e

deacutepocirct d e carbonat e d e calciu m agrave parti r d e l a solutio n eacutetai t beaucou p plu s len t qu e l e tau x

dextraction de s ions calcium agrave partir des deacutechets de ciment (lizuk a et al 2004)

CZ5

3 -a S O

6

5

^ 4

f 3 2

1

0 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee de barbotage d u CO2 (en min) 481

Figure 31 1 Eacutevolutio n d e l a conductivit eacute de s scorie s F P non -preacutelixivieacutees filtreacutees (D ) et no n filtreacutes (bull ) e n fonctio n du temp s d e barbotage a u CO2

Le CO 2 reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates C e reacutesulta t c e confirm e auss i pa r le s figures 31 2 e t 31 3 qu i illustren t

leacutevolution d u potentiel de seacutequestration d u CO2 en fonction d u temps

68

lt3gt bull O

(SX)

C l U agt bull -

S cr

O

8

7

6

5

4

3

2

1

0 D-

1 35 6 1 1 2 1 6 1 12 1

Dureacutee d e barbotag e du CO2 (en min)

481

Figure 31 2 Eacutevolutio n d u pouvoi r d e seacutequestratio n du carbon e de s scories F P non-preacutelixivieacutee s filtreacutees (D) non-filtreacutee s (bull ) e n fonctio n du temps de barbotage au CO2

On remarqu e qu e le s quantiteacute s d e CO 2 adsorbeacutes le s plu s eacuteleveacute s son t attein t apregrave s 8 heure s

soit 7 4 g de CO2100g de scorie s F P mais cest entr e l a deuxiegraveme e t dixiegraveme minut e quo n

observe qu e l a vitess e d e seacutequestrafio n es t plu s eacuteleveacute e (figur e 313) Te l qu e expliqu eacute

preacuteceacutedemment dan s cett e eacutetude c e son t le s matrice s qu i offren t le s meilleur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 A l a diffeacuterenc e de s temp s d e seacutequestratio n d e 2 4 e t 4 8 heures i l

semble que le temps de huit heures est trop court pour que le s solutions filtreacutees reccediloiven t de s

quanfiteacutes suffisante s dion s meacutetallique s pour seacutequestrer l e CO2 agrave des quantiteacutes notables

69

006 bull ] u a M 00 5 -0 - p u E

I 3 E 00 4 bull Tl -v

1 C ^ ^ 9 CL 003 bull

bullJ L L

i 0 iuml 0 0 -XI 0

i Q O i = 0 oo i bull 1 0 1 o i ( A mdash icirc l l

icirc s 0 gt

1 i

^

25 5 10 2 0 6 0

Temps en min

120 48 0

Figure 31 3 L a vitess e dadsorptio n d u CO 2 e n fonctio n d u temp s par les scories FP non-preacutelixivieacutees filtreacutes (n) et non filtreacutes (bull)

Synthegravese

Les capaciteacute s dadsorptio n d u CO 2 ont eacutet eacute eacutetudieacutees pou r hui t reacutesidu s alcalin s soi t le s boue s

rouges humide s e t segraveches le s scorie s FP FOP FAEacute le s CK D ( 2 types ) e t le s cendre s

volantes Le s essai s de carbonatation direct e e t indirecte on t eacutet eacute effectueacutes e n cuveacutee agrave un flux

gazeux d e 1 5 d e CO 2 e t 8 5 d e N 2 pendan t 4 8 heure s e t ont permi s d e tire r le s

conclusions suivantes

Les valeur s d e p H de s scorie s e t de s boue s rouge s e t de s CK D son t tregrave s semblable s soi t

leacutegegraverement au-dessu s d e 7 (preacutelixivieacutees e t non-preacutelixivieacutees) Seulemen t le s cendres volante s

ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7 En ce qui concerne l a conductiviteacute

on peu t firer le s mecircme s conclusion s qu e l a variafio n d u p H agrave lexcepfio n de s CK D qu i

obtiennent de s valeur s d e conductivit eacute quatr e foi s supeacuterieure s qu e le s autre s reacutesidus Cett e

diffeacuterence peu t ecirctr e occasionneacute e pa r un e meilleur e teneu r de s ion s meacutetallique s e n solutio n

dans le cas des CKD

70

Quant au x capaciteacute s de s reacutesidus agrave seacutequestrer l e CO2 trois reacutesidus s e sont deacutemarqueacute s lor s de s

deux seacuterie s d e test s les scorie s HF FP e t le s CKD Lor s le s essai s ce s reacutesidus on t obtenu s

les reacutesultats de seacutequestration d u CO2 suivants

bull Essai s de 24 heures

Scories HF (65 pp) gt scories FP (59 pp) gt CKD St-Lauren t (4 7 pp)

bull Essai s de 48 heures

Scories FP (107 pp) gt scories HF (84 pp) gt CKD St-Lauren t gt (79 pp)

Les tests sur le pouvoir alcalin des scories ont indiqueacute que les scories dacieacuterie possegraveden t un e

capaciteacute de neutralisation plu s eacuteleveacutee que tous les autres reacutesidus De plus les scories HF sont

les plus reacuteactives avec une reacuteserve alcaline de 43 moles de HClkg de scories

Enfin le s test s d e l a cineacutetiqu e dadsorptio n d u CO 2 par le s scorie s F P ont deacutemontr eacute qu e l a

seacutequestration d u CO 2 s e reacutealis e plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegravere s minute s d e l a

reacuteaction

CHAPITRE 4

DISCUSSION GEacuteNEacuteRAL E

Le preacutesen t chapitr e a pou r objecti f dexamine r l e choi x de s proceacutedure s e t le s reacutesultat s

obtenus dan s l e cadr e d e cett e eacutetude C e chapitr e compar e eacutegalemen t le s reacutesultat s obtenu s

lors de s deu x seacuterie s d e test s (2 4 e t 4 8 heures ) ave c ceu x obtenu s pa r dautre s eacutetude s

semblables De plus limpact enviroimementa l de ce proceacutedeacute sera analyseacute e t preacutesenteacute

41 Inteacutegratio n de s reacutesultats des deux seacuteries de tests

Les essai s reacutealiseacute s on t montr eacute qu e l e potentie l d e seacutequestratio n d u CO 2 pa r le s reacutesidu s

industriels alcalin s vari e e n fonctio n d e leur s caracteacuteristique s physico-chimique s telle s qu e

la teneu r e n ion s meacutetallique s tel s qu e Ca ^ e t Mg^ l e pH la granulomeacutetri e e t auss i de s

conditions expeacuterimentale s choisies L a tempeacuterature l a pression l e ratio L S e t l a vitesse d e

brassage jouent u n rocircle de premier plan sur les reacutesultats de seacutequestration d u CO2

411 Comparaiso n de s reacutesultats de pH et de conductiviteacute obtenu s lor s des essai s d e 24 et 48 heures

Lobservation de s reacutesultat s d e p H e t d e conducfivit eacute obtenu s lor s de s deu x seacuterie s d e test s

deacutemontre qu e le s diffeacuterence s d e pH son t tregrave s semblable s pou r le s Bl B2 SI S3 et Cl E n

fait le s diffeacuterence s d e p H varien t entr e 0 2 agrave 0 8 uniteacute s (sau f le s CKD) tregrave s pe u s i o n

considegravere qu e l a diffeacuterence d e temps es t des deux foi s supeacuterieure s entr e l a deuxiegraveme seacuteri e de

tests Le s CK D manifestemen t conserven t leu r pouvoi r alcali n presqu e inchangeabl e apregrave s

24 heure s d e carbonatation Seulemen t le s scorie s F P (S2 ) on t subi e baiss e d e p H

significafive d e 2 agrave 25 uniteacutes entre les deux seacuteries dessais

72

Ces reacutesultat s deacutemontren t qu e tous ce s reacutesidus alcalin s ont de s excellente s reacuteserve s alcaline s

et quil s relacircchen t se s ions meacutetalliques tregrave s lentemen t dan s l a solution aqueuse Ce s reacutesultat s

sont semblable s agrave ceu x obtenu s pa r plusieur s chercheur s (Hujge n et al 2006 Bonenfan t

2008 Huntziger 2009)

Dans l e ca s de s boue s rouges le s reacutesultat s obtenu s son t e n accor d ave c ceu x obtenu s pa r

Bonenfant (2006) Le s valeur s d e p H e t d e conductivit eacute son t plu s eacuteleveacutee s pou r le s boue s

rouges humide s qu e le s boue s rouge s segraveche s e t peuvent ecirctr e expliqueacutee s pa r un e plus grand e

faciliteacute d e libeacuteratio n de s ion s (cation s e t ion s hydroxyles ) de s boue s rouge s humide s

occasionneacutee pa r leu r dissolutio n preacutealabl e dan s l a soud e caustique comparativemen t au x

boues rouge s segraveche s qu i non t pa s subi t c e traitement Ce s reacutesultat s prouven t qu e l a

lixiviation en geacuteneacuteral joue un rocircle minime su r le pH peu import e le reacutesidu ufiliseacute Toutefois

selon Bonenfant (2008) le s solution s d e boue s rouge s conserven t plu s dion s meacutetallique s

tels que Ca Mg Ap^ Fe Ce sont ces ions et leur s oxydes respectif s qu i assuren t l e pH

et le s conductiviteacutes eacuteleveacute s de s reacutesidus cibleacutes Les grandes quantiteacute s dhydroxyd e d e sodiu m

libeacutereacutees dan s le s lixiviat s de s boues rouge s peuven t eacutegalemen t ecirctr e responsable s de s valeur s

eacuteleveacutees de pH e t de conductiviteacute qu i ont eacuteteacute mesureacutees apregraves 24 et 48 heures de lixiviation E n

effet le s grande s quantiteacute s d e solution s dhydroxyd e d e sodiu m on t de s alcaliniteacute s e t

conductiviteacutes eacutelectriques eacuteleveacutees

Hujgen et al (2006 ) on t deacutemontr eacute qu e le s ion s meacutetalliqu e s e libegraveren t de s matrice s de s l e

deacutebut d u processu s d e carbonatatio n soi t entr e l e deuxiegravem e e t l a dixiegravem e minute L e CO 2

reacuteagi ave c le s hydroxyde s preacutesent s dan s l a solutio n e t form e de s carbonate s e t de s

bicarbonates

Les bou s rouge s humide s no n - preacutelixivieacutees filtreacutees e t no n filtreacutees s e deacutemarquen t pa r de s

valeurs de pH e t de conductivit eacute leacutegegraveremen t infeacuterieure s pa r rappor t au x boue s rouges segraveche s

et le s scories E n revanche selo n Bonenfant (2008) l a preacutesenc e d e grande s quantiteacute s

daluminium dan s le s lixiviat s de s boues rouge s e t des scorie s FA Eacute es t suscepfibl e decirctr e e n

partie responsable de s valeurs eacuteleveacutees de conducfiviteacute d e ces trois solutions

73

Quant agrave leacutevolution d e l a conductiviteacute le s valeurs obtenues lor s des deux seacuterie s de tests son t

tregraves semblables ca r le s meacutecanisme s qu i reacutegissen t l a libeacuteratio n de s ion s meacutetallique s son t

semblables

Liu et al (2003 ) ont deacutemontr eacute qu e l e p H de s boue s rouge s augment e ave c l e temp s d u

stockage L e Ca^ ^ es t plu s facilemen t eacutechangeabl e dan s de s boue s fraicircche s qu e dan s le s

vieilles boues Ce s demiegravere s son t domineacutee s pa r le s eacutechange s d e Na^ Laluminiu m conten u

dans le s boue s rouge s es t preacutecipit eacute d e l a solutio n sou s form e d e dawsonit e NaAlC03(OH) 2

(Nikraz et al 2007)

Les cendre s volante s mecircm e s i elle s on t de s valeur s initiale s d e p H plu s ba s qu e le s autre s

reacutesidus soi t d e 88 6 agrave 895 deacutemontren t de s capaciteacute s d e carbonatatio n inteacuteressante s s i o n

tient compte d e leur faibl e teneu r de CaO Dailleurs selo n Soon g et al (2006) i l nest pa s

utile davoir u n p H tregraves bas car les carbonates se forment agrave un pH eacutega l ou supeacuterieur agrave 78

De ce fait on peut conclure que

bull i l nest peut-ecirctr e pas utile daugmenter l e temps dadsorption d u CO2 au-delagrave de 24

heures car les valeurs de pH et de conductiviteacutes varient tregraves peu

bull le s reacutesidus alcalins ont des meacutecanismes de carbonatation e t des pouvoirs tampons tregrave s

semblables

il existe un lien direct entre la variation du pH et de la conducfiviteacute

bull c e sont le s ions meacutetalliques tels que Ca ^ Mg Na^ qui deacuteterminent e n grande partie

leacutevolution d u pH et de la conductiviteacute

74

412 Limpac t du pouvoir alcalin e t de la cineacutetique de ladsorption du CO2 sur la seacutequestration d u CO2

Il est inteacuteressan t d e noter que l e pouvoir tampon de s reacutesidus s e manifeste agrave des intervalle s de

pH diffeacuterent s entre 1 0 agrave 8 pou r le s scories 8 agrave 6 pou r le s CK D e t 6 agrave 4 pou r le s boue s

rouges Ces reacutesultats son t en accord avec ceux obtenu s par Bonenfant et al (2008) Huijge n

et Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009) Ce s pouvoir s tampon s important s son t du s

probablement a u fai t qu e le s silicate s ont partiellemen t reacuteag i dan s ce s gamme s d e pH

(Baciocchi et al 2009)

Selon Bonenfant (2006) l a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n

oxydes meacutetalliques plus particuliegraverement de s oxydes meacutetalliques basiques tels que l e CaO et

le Mg O scories F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

Bonenfant et al (2008) Huijgen e t Comans (2006 ) e t Baciocch i et al (2009 ) ont eacutetudi eacute le

rapport entr e l e pouvoi r alcali n e t l a lixiviatio n de s meacutetau x pa r ce s reacutesidus Le s test s d e

lixiviation meneacute s pa r Baciocch i e t Bonenfan t ont confirm eacute qu e l a quantit eacute de s ion s Ca^ ^

dans les scories es t plus basse agrave des pH gt 8 en raison de la formation d e calcite

Selon Hujge n et al (2005 ) le s scorie s agrave des pH varian t entr e 5 1 agrave 3 5 libegraveren t le s ion s d e

calcium qu i formen t de s silicate s e t des bicarbonates Quan t au x CKD leu r pouvoi r tampo n

eacuteleveacute empecircch e l a formatio n d e bicarbonates Pou r obteni r l a formatio n d e ce s demiegraveres i l

faut ajoute r davantag e dacide chlorhydriqu e e t augmenter l e temps de reacuteaction au-delagrave de 24

heures

Lorsque l e p H attein t un e valeu r infeacuterieur e agrave pK2 = 10 3 d u systegravem e carbonates Feacutequilibr e

se deacuteplac e dan s l e sen s favorisan t l a consommafion de s ion s bicarbonate s CO3 et l e deacutepocirc t

de l a calcit e (CaCOs ) jusqu agrave latteint e dun e limit e qu i deacutepen d d e l a teneu r d e Ca en

solution Selo n Bonenfant (2008) cette situatio n deacutefini t eacutegalemen t l a capacit eacute dadsorptio n

de CO2

75

Le M g s e mobilis e e n mecircm e temp s qu e l e Ca ^ mais se s composeacute s son t plu s soluble s qu e

ceux d u calcium Le s concentrafions d e Ca^ sont en moyenne 1 0 fois plu s eacuteleveacutees qu e cell e

du M g apregrave s 6 heure s d e lixiviatio n e t cett e libeacuteratio n d e cation s (C a ^ et M g ) s e fai t e n

parallegravele ave c laugmentatio n d u p H e t d e l a conductivit eacute d e l a solutio n (Bonenfan t et al

2006)

Les reacutesultat s de s deux seacuterie s de tests (24 et 48 heures) su r le s capaciteacutes dadsorptio n d u CO2

par ce s reacutesidu s ont deacutemontreacute s qui l es t possibl e d e seacutequestre r l e CO 2 agrave parti r d e reacutesidu s e t

sous-produits industriel s alcalin s (voi r tableau 41) Les matrices d e ces mateacuteriaux sembleacute s agrave

posseacuteder un e grand e capacit eacute d e libeacuteratio n de s cation s e t de s ion s hydroxyle s capable s d e

reacuteagir avec l e CO2 Le s cendres volantes on t enregistreacute le s plus faibles reacutesultat s dadsorptio n

du CO 2 (15 pp) e t ce agrave cause des faible s teneur s e n calcium e t magneacutesium ( lt de 1 0 )

Pourtant le s capaciteacutes theacuteoriques dun e tonn e de cendres volante s contenan t 4 1 de chaux

peuvent seacutequestre r 32 2 k g d e C02tonn e d e cendre s volante s (Montes-Hemande z et al

2009) Quan t au x CKD leur s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestratio n d u CO 2 dan s de s

conditions dexpeacuterimentatio n ambiante s son t d e lordr e d e 11 5 kgtonn e d e reacutesid u

(Huntzinger et al 2009)

Lors l a carbonatation de s CK D e t des cendres volante s lettringit e es t transform eacute e n calcite

en quart z e t e n gypse Aucu n reacutesid u nattein t le s capaciteacute s theacuteorique s d e seacutequestrafio n d u

CO2 mecircm e apregrave s 4 8 heure s d e carbonatation Ce s reacutesultat s sexpliquen t pa r l a formatio n

dune couch e d e carbonate su r le s particules qu i colmat e le s pores e t de ce fait l a libeacuterafio n

des ion s meacutetallique s d e C a e t M g dan s l a solufio n es t compromis e (Bonenfan t et al 2008

Hujgen et al 2006)

76

Tableau 41 Reacuteserves alcalines et potentiel de seacutequestration des reacutesidus alcalins

Type de reacutesid u

Boues rouges humides (Bl ) Boues rouges segraveches (B2 ) Scories FA E

(SI) Scories FP

(S2) Scories HF

(S3) CKD (Cl) CKD (C2)

Cendres volantes

(F)

Seacutequestration d e CO2 en 24 heure s (gdeCO2100gde

reacutesidu alcalin ) 35

36

47

59

65

47

-

Seacutequestration d e CO2 en 48 heures (g de CO2100g de

reacutesidu alcalin ) 34

31

36

107

84

79

6

L5

Reacuteserve alcalin e (mole de HClkg de

reacutesidu)

038

04

31

39

43

14

16

012

Selon lizuka (2004 ) mecircm e s i le s calcul s thermodynamique s indiquen t qui l es t

theacuteoriquement possibl e d e convertir plu s de 67 du calcium conten u dan s le s deacutechets de

ciment en carbonate de calcium le taux de conversion pratique est largement deacutetermineacute e par

les facteur s cineacutetique s d e l a reacuteactio n e t l e degreacute d e l a carbonatatio n es t limit eacute agrave quelque s

millimegravetres deacutepaisseur sur la surface des particules

La formation de s silicate s es t un autr e facteu r qu i baiss e l a libeacuteration de s ion s meacutetallique s

dans la solution aqueuse Ces reacutesultats indiquent que les chutes de pH et de conductiviteacute sont

plus eacuteleveacutees dans la solution de scories FP en solution que celles observeacutee dan s la solution

des scories FAEacute des boues rouges humides et segraveches des CKD et des cendres volantes

77

Toutes le s autre s eacutetude s d e seacutequestratio n d u CO 2 ont utilis eacute soi t de s tempeacuterature s e t de s

pressions eacuteleveacutees soit des granulomeacutetries beaucoup plus petites soit tous ces facteurs reacuteuni s

ensemble (voir tableau 42)

Tableau 42 Reacutesumeacute des reacutesultats seacutequestration du CO2 obtenus par dautres eacutetudes

Type de reacutesidus

Boues rouges

Scories

CKD

Cendres volantes

3 ^ ^

Tem

peacutera

(e

ndegC

22

100

70 200

22

22

25

Conditions opeacuteratoire s

S ^ 0 u

A

19

30 3

A

A

30

^

Rat

io L

S (

10

2

05 04

10

12

10

C G

ranu

lom

(e

n pr

r

I

lt38

lt10 lt

01 38-160

I

I

0 _ T3 4 J V -

Vite

sse

bras

ag

ten

ron

300

1000

--

300

-

-

c

Tem

ps (

heur

es

24

05

2 2

24

816

18

CaO e n

de masse

55

317

48

41

Potentiel d e seacutequestr

theacuteorique du C02en kgkg 006^

025

016

003

Reacutesultat de

seacutequestr du C02e n

kgkg

0043

75 du total de Ca

002 013^

025

012^

003

1) Hujgen et al (2005) 2) Eloneva et al (2008) 3) Baciochi el al (2009) 4) Bonenfant et al (2008) 5) Khaitan (2003) 6) Huntzinger (2009) 7) Montez-Hemandez (2009) A=atmospherique I=industrielle

Les reacutesultats obtenus par ces eacutetudes deacutemontrent que dans les cas des scories dacieacuteries e t des

poussiegraveres d e fou r de s cimenteries loxyd e d e calciu m es t loxyd e meacutetalliqu e qu i leu r

confegravere leu r potentiel de seacutequestration du CO2

Dans le cas des boues rouges agrave part le calcium qui joue un rocircle significafif dan s le potentiel

de seacutequestration d u CO2 le sodium qui est libeacutereacute en quantiteacute preacutedominante peut eacutegalement

jouer un rocircle dans la seacutequestration du CO2 (Bonenfant et al 2006)

78

Il es t importan t d e note r qu e seule s le s scorie s F P on t doubl eacute leu r capacit eacute dadsorptio n d u

CO2 lors des essais de 48 heures par rapport aux essais de 24 heures

Selon l a litteacuterature l a taille de s particule s d e scorie s exerc e leffe t l e plu s significati f su r l a

reacuteaction plu s l a taill e de s particule s es t petite plu s l a reacuteactio n ave c l e CO 2 es t eacuteleveacutee L a

tempeacuterature e t l a ration L S eacuteleveacutee s jouent eacutegalemen t u n rocircle importan t su r l a dissolution d e

silicates (Baciocchi et al 2009)

En conclusion i l exist e u n lie n direc t entr e l e pouvoir alcali n e t la capaciteacute d e seacutequestratio n

du CO 2 pa r le s reacutesidu s alcalins Plu s l e pouvoi r alcali n es t eacuteleveacute plu s l a capacit eacute d e

seacutequestration d u CO2 par ces reacutesidus est eacuteleveacutee

42 Limpac t environnementa l d e la seacutequestration du CO2

Les reacutesidu s alcalin s eacutetudieacute s s e caracteacuterisen t pa r de s p H tregrave s eacuteleveacute s gracircc e agrave leur s teneur s

eacuteleveacutes dion s meacutetalliques Aucu n d e ce s reacutesidus n e deacutepassai t le s norme s environnementale s

traitant le s meacutetaux lourd s tels que le chrome le molybdegravene le mercure l e plomb etc

Bonenfant et al (2006) Huijge n et al (2005 ) e t Huntzinge r et al (2009 ) ont deacutemontr eacute

quaucun eacuteleacutemen t dangereu x n e se libegravere lor s de la lixivitaion de s reacutesidus alcalins carbonate s

tels que le s scories le s boues rouge s e t le s poussiegraveres d e four s d e cimenteries Le s eacuteleacutement s

les plu s lixivieacute s son t l e calcium e t l e sodium preacutesent s dan s le s lixiviat s de s boue s rouge s e t

des scories Laluminiu m es t eacutegalemen t libeacuter eacute e n grande s quantiteacute s dan s ce s solufion s

(Bonenfant ea 2006)

En c e qu i concem e l e tau x d e libeacuterafio n de s eacuteleacutement s reacuteactif s de s scorie s FA Eacute d e

granulomeacutetrie 06 3 - 12 5 mm l a concentration d e Ca est e n moyenn e 1 0 fois plu s eacuteleveacute e

que cell e d u Mg ^ et attein t u n maximu m apregrave s 6 h d e lixiviatio n (Bonenfan t et al 2006)

Les autres meacutetaux eacutetudieacutes ne sont preacutesents quen petite s quantiteacutes agrave leacutetat d e trace ou absents

des lixiviats (Proctor et al 2000)

79

Quant au x cendre s volantes aucun e libeacuteratio n d e substance s toxique s meacutetallique s n a eacutet eacute

observeacutee apregraves 1 8 heures de lixiviafion selo n Montes-Hemandez et al (2009) La lixiviatio n

Cr nest pa s influenceacutee pa r le processus de la carbonatation san s doute agrave cause de la faibl e

solubiliteacute de Cr ^ (Baciocchi et al 2009) Agrave ce stade de leacutetude la carbonatation de s reacutesidus

alcalins n e repreacutesenterai t pa s d e dange r su r l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Quan t au x autre s

composeacutes dangereu x eacutemi s dans latmosphegraver e tel s que l e SO2 lesNOx le s fluomres (gazeus e

et particulaire) les dioxines etc i l nexiste pas de donneacutees significatives su r la question

43 Seacutequestratio n mineacuteral e du CO2 pa r les reacutesidus industriel s alcalins perspective s de lapplication d e la technologie agrave leacutechegravele industriell e

Les reacutesultat s expeacuterimentau x d e l a seacutequestration mineacuteral e d u CO 2 indiquent qui l es t possibl e

dabaisser le s eacutemission s d e c e ga z pa r le s troi s industrie s concemeacutees Toutefois i l fau t

analyser ce s reacutesultat s dan s un e perspectiv e d e deacuteveloppemen t durabl e afi n d e mieu x

comprendre limpac t d e cett e technologi e su r lenvironnement leacuteconomie le s insfitution s

politiques et la socieacuteteacute

Le tablea u 4 3 es t l a suit e d u tablea u d e l a pag e deu x d u preacutesen t travai l e t i l illustr e le s

eacutemissions d u CO 2 par le s troi s industries le s rendements d e l a seacutequestratio n mineacuteral e e t le s

calculs de s reacuteductions de s eacutemission s d u CO2 si cette technologie serai t appliqueacute e agrave leacutechell e

industrielle Dan s l e tablea u 43 le s reacuteduction s calculeacutee s de s eacutemission s d u CO 2 pa r l a

seacutequestration mineacuteral e de s reacutesidu s alcalin s de s troi s industrie s son t asse z modeste s s i o n

considegravere qu e le s eacutemission s d e c e ga z eacutemise s pa r le s activiteacute s humaine s seacutelegraveven t agrave 3 8 G t

(GIEC 2007) Toutefois s i o n considegraver e qu e le s troi s industrie s eacutemetten t 1 6 de s

eacutemissions totale s de s acfiviteacute s industrielles le s reacuteduction s de s eacutemission s d u CO 2 proposeacute s

par cette technologie semblen t non-neacutegligeables

80

Tableau 43 Reacutesumeacute des eacutemissions par les trois industries et les baisses respectives de leurs eacutemissions suit e agrave la seacutequestration d u CO2 par leurs reacutesidus alcalin s

Type dindustrie

Alumineries

Acieacuteries

Cimenteries

Emissions duC02 (en Gt)

015

17

18

Quantiteacutes d e reacutesidus

alcalins (en Mt)

90

350-420

480

Pouvoir de seacutequestration mineacuteral e des reacutesidus industriel s alcalins ( t de C02t de

reacutesidu)

0032

0073

0016

Reacuteduction de s eacutemissions d e

CO2 (en Gt)

00003

0026-003

008

Limplantation d e cett e technologi e agrave leacutechell e industriell e demand e un e eacutetud e eacuteconomiqu e

approfondie Pou r c e faire i l fau t tou t dabor d deacutetermine r le s paramegravetres optimum s d e cett e

technologie tel s que l a dureacutee d e l a seacutequestration l a pression e t la granulomeacutetri e agrave utiliser I l

faut entr e autres teni r compt e d e lintervall e d e production de s quantiteacutes d u typ e d e

transport (contin u o u discontinu ) e t d u temp s d e seacutejou r dan s le s usine s de s reacutesidu s alcalin s

produits pa r le s troi s industries L e choi x d e ce s paramegravetre s influencer a directemen t l e

rendement d e l a seacutequestratio n d u CO 2 Or d e no s jours limplantatio n dun e nouvell e

technologie n e deacutepen d pa s seulemen t d e so n efficacit eacute eacuteconomique Plusieur s dautre s

aspects rentren t e n lign e d e compte E n fait i l fau t utilise r un e approch e systeacutemiqu e (4R -

VD Reacuteduire Reacuteutiliser Reacuteparer Reacutecupeacuterer Valoriser Disposer ) s i o n veu t teni r compt e

de toute s le s interacfion s e t le s impact s quun e tell e deacutecisio n peu t engendrer L a figur e 4 1

illustre le s interaction s entr e le s quatr e pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e pa r rappor t au x

reacuteductions des eacutemissions du CO2 par les trois industries eacutetudieacutees

La figure 4 1 montr e qu e l e deacuteveloppemen t durabl e e n geacuteneacutera l deacutepen d d e l a quantit eacute e t su r

tout d e l a qualit eacute de s interaction s entr e le s quatr e piliers D e c e fait limplantatio n d e l a

technologie d e l a seacutequestratio n mineacuteral e d u CO 2 n e deacutepen d pa s qu e d e lefficacit eacute

eacuteconomique mais aussi des lois eacutemises par les institutions politiques

81

^ ^ ^ ^ a ^ J S S Eacute agrave ^ ^ ^

SOCIEacuteT Eacute ^ bull participation agrave la W

pris e des deacutecisions

X^^jpraquo^

ENVIRO gt

^ EacuteCONOMI E bull croissance bull efficacit eacute bull stabiliteacute bull valorisation

DEacuteVELOPPEMENT DURABLE

JNEMENT bull biodiversiteacute

bull ressources naturelles bull pollution

J INSTn rUTIONS bull lois bull regraveglements

bull infiastructure

p

1 II

Figure 41 Deacuteveloppement durable et seacutequestration du CO2

Dune maniegraver e plus simple on peut dire que les institutions politiques on t le pouvoir e t la responsabihteacute dexiger par les entreprises de limiter leurs eacutemissions du CO2 voir agrave supprimer ces demiegraveres agrave la source Mecircme si le processus de la seacutequestration mineacuteral e du CO2 est un pheacutenomegravene nature l exothermique i l faudrai t ufilise r dautre s source s deacutenergi e afi n d e lacceacuteleacuterer et par voie de conseacutequence augmenter le rendement de la seacutequesfi-ation du CO2 I l est preacutefeacuterable de remplacer les combustibles fossiles par des eacutenergies moins polluantes telles que leacutenergie nucleacuteaire et leacutenergie eacutelecfrique etou solaire

La socieacuteteacute peut jouer son rocircle de piher en demandant aux pouvoh-s politiques deacutemettre des lois qui exigent aux entreprises de respecter lenvironnement e t dameacuteliorer l a qualiteacute de vie de la socieacuteteacute Dans le mecircme ordre dideacutees l a socieacuteteacute peut exercer un e pression important e sur les entreprises en utilisant leur pouvoir dachat comme moyen de pression

82

Les reacutesultat s obtenu s lor s d e cett e eacutetud e ont deacutemontr eacute qu e limpac t su r lenvironnemen t es t

positif su r tou t a u nivea u d e l a qualit eacute d e lea u e t d u sol Dautre s eacutetude s son t neacutecessaire s

pour eacutetudie r leffe t de s autre s composant s gazeu x su r lenvironnemen t e t l a sant eacute humaine

Le fai t dutilise r le s reacutesidus e t les sous-produit s industriel s alcalin s afi n d e seacutequestre r l e CO2

et l a revalorisation d e ces derniers dans plusieurs nouveaux domaine s pourrai t provoque r de s

changements neacutegatif s a u nivau x d e leacuteconomi e (changemen t d e prix augmentatio n d e l a

concurrence entr e le s entreprises ) e t d e l a socieacutet eacute (changemen t d e l a qualit eacute d e vie) D e c e

fait i l import e qu e tou s le s acteur s repreacutesentan t le s quatre pilier s d u deacuteveloppemen t durabl e

travaillent e n eacutetroit e collaboratio n pou r qu e cett e technologi e soi t viabl e e t e n tota l respec t

avec lenvironnement

CONCLUSIONS

La preacutesente eacutetude avai t pour objecti f d e deacuteterminer le s reacutesidus et le s sous-produits industriel s

alcalins offrant le s meilleurs potenfiels d e seacutequestration d u CO2

Pour c e faire troi s type s d e scories (HF FP FAEacute) de s acieacuteries deux type s d e boues rouge s

(humides e t segraveches ) de s aluminerie s e t deu x type s d e reacutesidu s de s cimenterie s (CK D e t

cendres volantes ) ont eacutet eacute testeacute s e n cuveacutee Afi n d e mieu x eacutevalue r leur s potentiel s d e

seacutequestration d u CO2 des seacuterie s d e test s d e 2 4 e t 4 8 heure s on t eacutet eacute reacutealiseacutes Le s condition s

opeacuteratoires eacutetaien t le s suivantes tempeacuterature = 20-22degC pression atmospheacuterique ratio SL =

10 kgkg vitesse de brassage = 200 rpm granulomeacutetrie industrielle eau deacutemineacuteraliseacutee

Les reacutesultat s obtenu s lor s le s essai s d e 2 4 heures on t deacutemontr eacute qu e troi s reacutesidu s alcalin s s e

sont deacutemarqueacutes pa r leurs hauts potentiels de seacutequestration d u CO2

bull le s scories HF 65 kg de C02t de scories

bull le s scories FP 59 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours de cimenteries (CKD) 47 kg de C02t de CKD

En revanche le s reacutesultat s obtenu s lor s le s essais d e 48 heure s ont deacutemontr eacute qu e le s mecircme s

reacutesidus alcalin s permettaien t dobtiermen t d e meilleur s reacutesultat s d e seacutequestratio n d u CO2

mais cette fois ci ce sont le s scories FP qui se trouvent en tecircte

bull le s scories FP 107 kg de C02t de scories

bull le s scories HF 84 kg de C02t de scories

bull le s poussiegraveres de fours d e cimenteries (CKD) 79 kg de C02t de CKD

84

Ces reacutesultat s sexpliquen t pa r de s teneur s plu s eacuteleveacutee s doxyde s meacutetallique s tel s qu e le s

CaO MgO AI2O3 Cr203 Ti02 FeO Mn O Si02 dan s ce s troi s reacutesidu s pa r rappor t au x

autres reacutesidu s testeacutes Ce s oxyde s e t leur s hydroxyde s respecfif s reacuteagissen t ave c l e CO 2

dissout dan s lea u e t formen t de s bicarbonate s thermodynamiquemen t stables

Theacuteoriquement l a teneu r eacuteleveacute e e n ion s meacutetallique s s e tradui t pa r u n potentie l d e

seacutequestration d e CO 2 eacuteleveacute Toutefois l a diffeacuterenc e d e reacutesultat s d e seacutequestratio n entr e le s

scories lor s de s deu x essai s a deacutemontreacute qu e mecircm e s i le s meacutecanisme s d e carbonatatio n son t

semblables pour tous le s types de reacutesidus alcalins l a nature e t l a mod e de fabricatio n d e ces

derniers influencen t sensiblemen t leur s potentiel s d e seacutequestration C e consta t es t valabl e

aussi bie n pou r le s reacutesidu s preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes Dailleurs le s test s su r l a

carbonatation de s reacutesidu s filtreacutes (preacutelixivieacute s e t non-preacutelixivieacutes ) on t indiqu eacute qu e le s reacutesidu s

alcalins libegraveren t facilemen t leur s ion s meacutetallique s dan s l a solufio n aqueus e e t qu e le s

capaciteacutes d e seacutequestratio n d u CO 2 de ce s derniegravere s son t inteacuteressantes Toutefois c e son t le s

reacutesidus non-preacutelixivieacute s e t non-filtreacute s qu i on t enregistreacute s le s meilleur s reacutesultat s d e

seacutequestration

Les autres objectif s d e ce travai l consistaien t agrave eacutetudier leacutevolutio n d e pH de l a conductiviteacute

et du pouvoir alcalin de s reacutesidus testeacutes

Premiegraverement le s valeurs de pH des scories des boues rouges e t des CKD obtenues apregraves l a

carbonatation son t tregrave s semblable s soi t leacutegegraveremen t au-dessu s d e 7 Seulemen t le s cendre s

volantes ont atteint des valeurs de pH leacutegegraverement e n dessous de 7

Deuxiegravemement le s test s su r l e pouvoi r alcali n de s scorie s ont indiqu eacute qu e le s scorie s

dacieacuterie possegraveden t un e capaciteacute d e neutralisation plu s eacuteleveacutee qu e tous le s autres reacutesidus D e

plus le s scories H F son t le s plus reacuteactives avec une reacuteserve alcalin e de 43 moles de HClk g

de scories L a reacuteserv e alcalin e augment e ave c l e pourcentag e massiqu e e n oxyde s

meacutetalliques plu s particuliegraveremen t de s oxyde s meacutetallique s basique s tel s qu e l e Ca O e t l e

MgO scorie s F P gt scorie s S B gt scorie s FA Eacute gt boue s rouge s humide s gt boue s rouge s

segraveches

85

Troisiegravemement le s tests de la cineacutetique dadsorption d u CO2 par le s scories FP ont deacutemontr eacute

que l a seacutequestratio n d u CO 2 se reacutealise plu s intenseacutemen t lor s de s 1 0 premiegraveres minute s d e la

reacuteacfion C e reacutesulta t sexpliqu e pa r l e fai t qu e l a formation dun e couch e d e carbonate su r l a

surface de s particule s de s reacutesidu s empecircch e l a libeacuteratio n dan s l a solufio n aqueus e de s ion s

meacutetalliques ayan t pou r conseacutequence l a baisse du taux de carbonatation

Enfin laugmentatio n pa r deux d e la dureacutee de carbonatation (d e 24 agrave 48 heures) ne se tradui t

pas par des doublement s de s potentiels d e seacutequestrafion d u CO 2 par le s reacutesidus alcalin s pou r

les raisons mentionneacutes ci-dessus

Perspectives

Cette eacutetud e sinscri t dan s loptiqu e d e deacuteveloppe r u n proceacuted eacute simpl e e t eacuteconomiqu e d e

seacutequestration d u CO 2 pa r de s reacutesidu s e t sous-produit s industriel s alcalins D e c e fait

plusieurs perspective s son t identifieacutee s suite au x reacutesultat s obtenu s pa r cett e eacutetude E n voic i

quelques unes

bull eacutelargi r leacutetud e su r la seacutequestrafion d u CO2 avec dautres reacutesidu s industriel s tels les boues

de deacutesencrage de s papeteries le s reacutesidus d e constmctions e t d e deacutemolitions le s deacutechet s

municipaux le s deacutechet s d e lindustri e de s plastiques le s deacutechet s de s hocircpitau x etc

Plusieurs eacutetude s indiquen t qu e ces reacutesidus son t riche s e n oxyde s meacutetallique s e t peuven t

ecirctre utiliseacutes eacuteventuellement agrave la seacutequestration du CO2

bull puisqu e le s source s dea u douce s son t e n diminutio n constant e a u nivea u planeacutetaire i l

serait inteacuteressan t agrave envisage r l a reacutealisatio n d e cett e mecircm e eacutetud e ave c d e lea u d e mer

Cette perspectiv e pren d un e importanc e particuliegraver e s i o n considegraver e qu e plusieur s pay s

de Moye n Orient o ugrave son t deacutej agrave installeacutee s plusieur s aluminerie s e t cimenteries ont tregrave s

peu de sources deau douce

86

bull reacutealise r de s essai s pilotes e n colonnes afi n d e veacuterifie r l e transfer t d e ce s reacutesultat s dan s

des conditions expeacuterimentales semblables agrave celles industrielles

bull effectue r un e eacutetude eacuteconomique afin de savoir si ce proceacutedeacute est eacuteconomiquement viable

bull effectue r un e eacutetud e d e cycl e d e vi e afi n d e deacuteterminer entr e autres limpac t

environnemental de ce proceacutedeacute

ANNEXES

ANNEXE I

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LALUMINIUM

Bauxite ^

CaO bull

NaOH bull

bull

Raw Material s

1 Digestion

Liquor Heatin g

Liquor Surge

T Evaporation

Removal

1

Steam

Liquor Flashing

Heating

N Impunties

lt

Fuel ^

Steam

Sand Seacuteparation

1 Fuial residue

Cooling

i

Preacutecipitation

seedT ^ Classification

1 Washing

1 Calcination

^

-^^^

SandResidue Wa-shing

JL Solids Liquo r

Solids Disposa i

^ Wate r

^ Alumin a

Figure All Proceacuted eacute Bayer Tireacute de Hind ea (1999)

ANNEXE II

SCHEacuteMA DE FABRICATION DE LACIER

AnninmeacuteratJon

J ^=2=vBB Minefo i d e fe r Chofbon

Haut-Fourneau

o Eacutebauche de formes solide s (demi-produi t ) pa r moulag e de lacie r liquide

Acier liquide mi s

^lanuoncey statio n datfinage

Machine de couleacutee

continue

e Transformation de s eacutebauches e n produits finis par laminage

okerie

Eacutelaboration d e lacie r liquide agrave part ir d e minerai de fer

AciefS plats

Train de laminage

agrave chau d

obinojx

Produit fin i

Figure A21 Proceacutedeacute de fabrication de lacier Tireacute de Arcelor Meacutediterraneacutee

tli(ipwwwarcelormediteiTanee coindecouvertefabricationschemahtm)