Équilibres ioniques et potentiel réactif des cendres de boues d’épuration en solution de boues d’épuration en solution

Les analyses chimiques des deux solutions dans lesquelles la cendre de boue d’épuration SSA#1 a été placée en équilibre sont rapportées dans le tableau 4-9. La fraction d’éléments mobilisés en solution a été calculée en rapportant la concentration mesurée en solution à la quantité totale d’éléments contenus dans l’addition, calculés à partir de la composition chimique du solide mesuré par (Fluorescence X).

La cendre de boue d’épuration SSA#1 n’entraine pas d’évolution significative du pH de la solution lorsqu’elle est en équilibre dans l’eau distillée. Les éléments les plus mobilisés sont le sodium, le calcium et les sulfates. Le pH neutre de la solution traduit le fait que le sodium et le calcium ne sont pas passés sous forme d’hydroxydes, mais seraient plutôt issus de la dissolution de phases minérales.

La teneur en sulfates dans le matériau initial est très faible (1,96% exprimé en SO3), mais leur mobilisation est très importante : environ 60% des sulfates initialement dans le matériau ont été dissout. Le rapport molaire CaO/SO3 est quasiment de 1. Puisqu’aucune trace de sulfate de calcium n’a été détectée lors de l’analyse minéralogique (DRX), on peut s’attendre à ce que les sulfates soient sous une autre forme et que leur mobilisation entraine la formation de sulfate de calcium. Cela peut éventuellement entrainer des problèmes de prise

Le pH alcalin (SEI#2) promeut la dissolution d’aluminium et, dans une moindre mesure, celle du silicium. Les phosphates semblent également particulièrement mobilisés alors que le calcium

n’est plus en solution. Les sulfates sont également présents dans des proportions assez importantes à pH alcalin, bien qu’ils soient moitié moins concentrés qu’à pH neutre. La présence de sulfates en solution traduit également qu’il y a un risque de formation de gypse au moment du gâchage, ce qui peut entrainer des problèmes de fausse prise.

Tableau 4-9 : Récapitulatif de la composition chimique de la solution ionique et de la fraction d’ions effectivement mobilisés par SSA#1 dans les solutions-SEI#1 et SEI#2.

SSA#1 Solution SEI#1 Solution SEI#2

^Composition ppm ^Mobilisation % ^Composition ppm ^Mobilisation %

pH 7,60 12,0 SiO2 1,85 0,01% 13,91 0,10% Al2O3 12,17 0,14% 790,60 8,98% CaO 396,01 3,93% 0,10 0,001% Fe2O3 <0,01 - <0,01 - K2O 40,56 4,23% 85,56 8,91% MgO 3,46 0,31% <0,01 - MnO <0,01 - <0,01 - Na2O 15,04 5,2% 2 2098,00 - P2O5 0,17 <0,01% 322,00 3,30% SO3 611,48 62,08% 367,36 37,30%

La figure 4-6 présente les indices de saturation des phases considérées en solution SEI#1. On peut noter que les sulfates de calcium sont quasiment à l’équilibre, ce qui confirme le fait que les sulfates et le calcium ont été largement dissouts et qu’il y a eu formation de gypse qui tamponne la concentration en Ca2+ et SO42-. La solution est particulièrement sous-saturée en portlandite, ce qui est dû au fait qu’aucun hydroxyde ne soit présent dans le système.

Les aluminosilicates comme les feldspaths, l’albite et la muscovite sont en légère sursaturation en raison du faible pH.

Dans les conditions de l’essai, la withlockite apparait en sous-saturation, alors que l’hydroxyapatite serait en sur-saturation. La conversion d’une espèce à l’autre est ainsi thermodynamiquement favorisée dans ce système. La consommation d’ions Ca2+ et d’ions OH

-nécessaires à la précipitation de l’hydroxyapatite cristalline est favorisée dans le cas de cette cendre.

Les hydrates ne sont pas stables thermodynamiquement et leur formation n’est pas favorisée par l’utilisation directe de SSA#1. Le pH est trop faible pour solubiliser significativement la silice du matériau.

De la même manière que pour la poudre de verre et les cendres volantes de papeterie, nous avons cherché à étudier l’évolution du système dans le cas d’une augmentation de pH qui serait provoquée par un ajout extérieur de portlandite Cela a été modélisé par la simulation de l’adjonction de 20 mmol/L de portlandite en solution.

Le pH final serait de 12,6 tamponné par la chaux. Parmi les phases de départ, les phosphates de calcium passent en sursaturation. Ce qui montre bien leur très faible solubilité en pH alcalin, d’autant plus en présence de calcium en solution.

Dans de telles conditions, les C-S-H pourraient être formés car ils apparaissent légèrement sursaturés. Leurs indices de saturations restent toutefois très faibles à cause de la faible concentration en silicium dissout.

Les aluminates deviennent également sursaturés. L’ettringite pourrait être formée à partir des ions sulfate et aluminium présents en solution. En présence de suffisamment de sulfates, les aluminates de calcium hydratés ne précipitent pas préférentiellement (Damidot et al. 1993). Mais de même que dans le cas des CVK, peut se poser la question de la formation de composés d’aluminosilicates de calcium hydratés (C3ASxH6-x).

Figure 4-6 . Indices de saturation des phases avec la solution SEI#1 SSA#1 et évolution théorique de la stabilité du système dans le cas d’un ajout de 20mmol/L de chaux (SEI#1+Ca(OH)2).

En solution alcaline, SEI#2, l’aluminium est les phosphates apparaissent particulièrement mobilisés. On peut s’attendre à ce qu’ils proviennent de la phase amorphe de la cendre. L’analyse des indices de saturations des phases montrent les phosphates de calcium sont significativement sursaturés. Cela est dû à leur produit de solubilité très faible, malgré la très faible teneur en calcium dans la solution, expérimentalement les phosphates sont mobilisés. Cela a été analysé comme le fait que les phosphates ne sont pas sous forme de phosphates de calcium initialement. La mobilisation de phosphore implique une potentielle réactivité de l’élément voire des problèmes de prise au moment du gâchage s’ils sont mobilisés rapidement.

En ce qui concerne les autres phases initiales du matériau, les aluminosilicates sont à saturation. Leur dissolution n’est donc pas favorisée. Malgré la présence d’aluminium en solution et dans une moindre mesure, de silicium, les hydrates sont globalement en sous-saturation et leur formation n’est pas favorisée. Ceci est dû à une faible teneur en calcium dans la solution (effet d’ion commun).

Un apport extérieur de calcium (20 mmol/L portlandite) tend à sursaturer encore plus les phosphates de calcium. Les C-S-H légèrement favorisés dans ce système puisque la cendre n’a mobilisé que peu de silicium. Ce sont les aluminates qui deviennent particulièrement favorisés. La présence de sulfates entraine la précipitation de sulfoaluminates de calcium et on peut s’attendre

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

à la formation d’aluminates de calcium une fois les sulfates épuisés. Ces résultats montrent que ce seraient principalement l’aluminium et le phosphore qui pourrait être responsable la consommation de la chaux par cette cendre.

Figure 4-7 . Indices de saturation des espèces avec la solution SEI#2 (NaOH, pH≈13) et évolution théorique des indices de saturation des phases dans le cas d’un ajout de 20mmol/L de chaux

(SEI#2+CaOH)2).

III.4 Équilibres ioniques et potentiel réactif des