III. Vitrocéramique à base des résidus d’incinération des ordures ménagères

4. Synthèses de vitrocéramiques de déchets synthétiques

4.2. Synthèse des échantillons dopés au plomb et au cadmium

4.2.4. Analyses EDX des phases cristallisées

Nous avons agrandi les zones altérées et non altérées à des échelles comparables pour faire les analyses par EDX et ainsi estimer l’efficacité d’immobilisation des phases individuelles. L’image du haut présente la zone non altérée tandis que la photo du bas présente la zone altérée (Figure III-18). En analysant les différentes zones, nous avons retrouvé des phases correspondant à l’anorthite, la wollastonite et aussi la partie vitreuse. Dans le Tableau III-5 est indiqué le changement de composition des différentes phases avant et après lixiviation (avec pourcentage de pertes) de la zone non altérée et de la zone altérée.

Figure III-18 : Les images MEB et spectres EDX de GCFBS3 après lixiviation, correspondant à la zone non altérée (a) et à la zone altérée (b)

a

Matrice vitreuse Anorthite Wollastonite avant après- zone non altérée ∆% après- zone altérée ∆% avant après- zone non altérée ∆% après- zone altérée ∆% avant après- zone non altérée ∆% après- zone altérée ∆% SiO2 16,99 16,75 -1,4 26,12 X 40,2 4 40,97 X 40,91 X 27,72 32,45 X 29,49 X Al2O 3 6,14 5,89 -4,1 19,49 X 34,21 35,67 X 35,62 X 28,19 27,47 -2,6 23,28 -17,4 CaO 3,05 2,73 -10,5 10,11 X 17,7 6 19,28 X 19,46 X 29,44 19,99 -32,1 21,56 -26,8 PbO 45,43 45,83 X 25,84 -43,1 4,25 1,9 -55,3 1,88 -55,8 3,75 1,51 -59,7 N.D. CdO 25,02 25,33 X 15,40 -38,4 2,40 0,98 -59,2 0,92 -61,7 6,29 5,46 -13,2 6,87 X N.D. : Non détecté

Tableau III-5 : Changements des compositions après le test de lixiviation (en poids%)

Quand nous avons analysé la composition chimique du milieu vitreux (couleur blanche) de la zone non altérée, elle n’a révélé aucun changement ; la teneur en PbO est de 45,8 poids% et celle de CdO est de 25,3 poids%. L’analyse de la matrice vitreuse de la zone altérée a ensuite révélé une perte des deux oxydes des métaux lourds à hauteur de 40% par rapport à leur masse initiale. Il n’y reste que 26,8 poids% de PbO et 15,4 poids% de CdO. La libération des métaux lourds de la zone altérée de la matrice vitreuse est relativement élevée, mais il faut prendre en compte que pendant les 20 heures de lixiviation l’altération affecte uniquement le voisinage immédiat de la surface. En plus cette phase est difficile à analyser dans la partie altérée, car les plages sont petites (1 à 2µm), donc il y a un risque de contribution des plages environnantes dans les spectres d’analyse. Les analyses de la zone amorphe dans la partie altérée sont à considérer avec prudence car elles sont entachées sans doute d’une plus grande erreur.

La phase représentant l’anorthite est analysée d’abord dans la zone non altérée. L’anorthite est connue comme une phase résistante à la lixiviation (Crawford, 2009). Il est démontré son insolubilité dans l’eau, dans HNO3 ou H2SO4, seulement le HCl est connu pour la décomposer (Crawford, 2009). L’anorthite sous forme de baguettes noires a relâché pendant la lixiviation de la partie altérée ainsi que non altérée, les deux métaux lourds. L’analyse montre que dans la partie non altérée, il reste 1,9 poids% d’oxyde de plomb ce qui fait une perte de 55,3% et il reste 0,98 poids% d’oxyde de cadmium dans l’anorthite, c'est-à-dire qu’elle a perdu 59,2 poids% vis-à-vis de ses teneurs en métaux lourds avant lixiviation. Elle ne semble donc pas être une bonne candidate à l’immobilisation des éléments toxiques du point de vue de la résistance à la lixiviation. Si nous comparons cette zone avec la couche d’altération, il est flagrant que la quantité des métaux lourds est quasiment identique. L’anorthite est donc altérée par l’attaque acide sur l’ensemble de l’échantillon, néanmoins la zone exposée directement à l’environnement très acide ne relâche pas la totalité des éléments lourds, ce qui montre une relative résistance de cette vitrocéramique, même s’il apparait difficile d’en faire un matériau prometteur comme matrice de stockage.

Les milieux cristallisés de couleur gris clair représentent la wollastonite alumineuse. La phase gehlénite est mineure et elle n’est pas détectée par l’analyse EDX. Si nous regardons la composition de la wollastonite dans la partie non altérée, nous constatons un changement assez remarquable. Dans ce cas, ce ne sont pas seulement les métaux lourds qui semblent avoir été relâchés, mais également le CaO et le Na2O. L’oxyde de calcium marque une importante baisse de 32,1 poids% par rapport à la composition avant la lixiviation. Avec cette perte, en relatif les autres constituants ont vu augmenter leurs concentrations surtout pour l’oxyde de fer. L’oxyde de plomb a baissé de 59,7 poids% ce qui est un peu plus élevé que dans le cas de l’anorthite. A l’inverse, l’oxyde de cadmium n’est relâché qu’à hauteur de 13,2 poids%. Dans la zone altérée, il y a seulement une fluctuation de Al2O3 et CaO dont la quantité massique a tendance à diminuer. Le PbO n’est pas détecté dans la zone altérée ce qui signifie son absence donc un possible relâchement complet. Le CdO dans la partie altérée est résistant à l’attaque comme dans l’ensemble de l’échantillon, il n’est donc pas relâché. Malgré une libération de Pb, la wollastonite alumineuse conserve sa teneur en Cd.

Les phases cristallisées et la matrice vitreuse relâchent des quantités importantes de métaux lourds (de l’ordre de 40 à 60%), ce qui indique que ce type de vitrocéramique n’est pas une candidate idéale pour l’immobilisation durable des métaux lourds. Pour avoir la confirmation, il faut prend en compte la répartition massique des métaux lourds dans chacune des phases.

Nous avons essayé de calculer la répartition des métaux lourds exprimée en grammes, en calculant le poids de zone altérée avec la profondeur (100µm), la forme (polygone), la densité connue (2,89 g/cm3) et en supposant que la porosité est proche de zéro. Il faut préciser que les valeurs obtenues sont seulement des estimations avec d’importantes barres d’erreurs et devraient être considérées avec prudence. Nous calculons les poids avec la condition que la couleur grise représente seulement la wollastonite. Dans le Tableau III-6 sont calculées les répartitions des métaux lourds dans les zones non altérée et altérée. La matrice vitreuse dans la zone non altérée est attaquée par la solution acide de façon négligeable contrairement aux cristaux. Cette zone a gardé dans sa structure 0,43g de métaux lourds, c’est-à-dire qu’elle a perdu 0,07g de la masse initiale de PbO et de CdO (0,5 g), soit 14% en masse.

La zone altérée était plus lixiviée. Ici c’était la matrice vitreuse qui a relâché davantage de métaux lourds. La quantité de métaux lourds restante dans la zone altérée de la matrice de la vitrocéramique après lixiviation serait 0,39g soit 9,3% de moins par rapport à la zone non altérée. L’efficacité d’immobilisation de PbO dans la zone altérée est estimée à 79% pendant que le CdO est incorporé avec une efficacité à 77%. Ces estimations montrent que l’ensemble de l’échantillon est capable d’incorporer des métaux lourds avec des efficacités importantes.

Au départ

Après la synthèse Lixiviation – zone non altérée Lixiviation – zone altérée cristaux matrice

vitreuse

total cristaux matrice vitreuse

total cristaux matrice vitreuse

total

PbO 0,36g 0,08g 0,20g 0,28g 0,03g 0,21g 0,24g 0,1g 0,12g 0,22g

CdO 0,36g 0,11g 0,11g 0,22g 0,08g 0,11g 0,19g 0,1g 0,07g 0,17g

ρ (selon Mincryst) : Anorthite = 2,76 g/cm3 ; Wollastonite = 2,91 g/cm3 ; La phase vitreuse = ~2,5 g/cm3

Répartition des phases en volume : Anorthite = 40% ; Wollastonite = 45% ; La phase vitreuse = 15%

Répartition des phases en masse : Anorthite = 26,6%=0,63g ; Wollastonite = 54,6%=1,3g ; La phase vitreuse = 18,8%=0,45g

Tableau III-6 : Quantité massique des métaux lourds dans la zone non altérée et la zone altérée

Dans le document Vers de nouvelles matrices minérales pour l’immobilisation et la valorisation des déchets ultimes de l’incinération des déchets ménagers (Page 153-156)