En laboratoire, les mélangeurs-décanteurs de l’industrie sont simulés avec des ampoules à décanter. Les ampoules à décanter permettent de mélanger les phases jusqu’à l’atteinte de l’équilibre pour, par la suite, séparer facilement ces phases et les récupérer individuellement. Cependant, l’ampoule à décanter ne permet pas de faire des extractions en continu et peut difficilement être utilisée pour reproduire des extractions à contre- courant. Avec le montage utilisé, les ampoules sont agitées avec un agitateur VWR 3750 montré à la figure 16 à une vitesse de 175 agitations par minute pendant deux (2) minutes. L’utilisation de cet instrument permet de standardiser le temps et la force d’agitation en plus d’effectuer quatre (4) essais en parallèle. La figure 16 montre l’appareil chargé avec quatre ampoules.
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Les solutions mères d’ETR et la phase organique sont préparées en laboratoire avec des produits commerciaux. Les solutions mères sont préparées avec les des oxydes d’ETR dissouts dans une solution d’acide chlorhydrique de pH 1,5. Le pH de la solution mère est ensuite ajusté au pH désiré pour effectuer une série d’extractions avec une même solution mère.
La phase organique est préparée en mélangeant un diluant aliphatique (Orfom-SX 12) avec un extracteur cationique. Les extracteurs testés dans le cadre de ce projet de maîtrise sont le D2EHPA (Sigma Aldrich, Saint-Louis, É.-U.) et le Cyanex 572 (Cytec-Solvay Group, Woodland Park, USA). Ce dernier est un mélange de différents acides phosphoniques et est commercialisé pour la séparation des ETR (McCallum et al., 2014). Les extracteurs commerciaux utilisés sont considérés exempts d’éléments de terres rares et aucune purification n’est effectuée sur ces produits. L’élution d’une solution d’extracteurs fraichement préparée a permis de confirmer qu’il n’y a pas d’ETR dans les extracteurs commerciaux et le diluant utilisés. Les paramètres suivants sont utilisés pour calculer la concentration molaire de l’extracteur dans la phase organique :
La concentration volumique d’extracteur;
Une masse volumique de 0,95 g/cm3 pour le Cyanex 572 et de 0,96 g/cm3 pour le D2EHPA. De plus, la masse molaire utilisée pour les deux extracteurs est 322 g/mol soit la masse molaire du D2EHPA, puisque la masse molaire du Cyanex 572 (un mélange de produits) n’est pas disponible dans la littérature.
Pour un essai de laboratoire, un volume de phase aqueuse et un volume de phase organique sont mélangés dans une ampoule à décanter. Une variation des volumes des différentes phases permet d’effectuer des tests pour différents ratios du volume de la phase organique sur le volume de la phase aqueuse (ratio O/A) et d’obtenir des données pour la construction des isothermes et l’estimation des constantes d’équilibre. Les volumes des différentes phases utilisés varient entre 5 ml et 100 ml. En variant le ratio O/A, les constantes d’équilibre ne varient pas, mais les coefficients de distributions (voir équation (6)) sont différents. Cette pratique permet de générer une série de résultats en testant une même solution mère à différents ratios O/A pour une même phase organique. L’ensemble des tests
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d’extraction de ce travail sont réalisés à température pièce (22o
C). La figure 17 représente une expérience d’extraction par solvant schématisée à la figure 4. Dans certains cas, il est possible de constater un transfert d’éléments d’une phase à l’autre par le changement de couleur (figure 17) des phases, mais ce n’est pas toujours le cas.
Figure 17. Illustration de l’extraction par solvant dans une ampoule à décanter
Après le chargement de l’ampoule, les solutions sont agitées un certain temps afin d’atteindre l’équilibre lors de l’extraction. Pour déterminer le temps requis pour l’atteinte de l’équilibre, des essais pour différents temps d’agitation ont été effectués et sont présentés à la section 2.3. Une fois que le temps requis est écoulé, l’agitation cesse et les deux phases se séparent. Lors des tests, une agitation de deux minutes est utilisée ce qui est suffisant puisque les essais cinétiques (section 2.3) montrent que l’équilibre est atteint après 30 secondes de contact entre les phases aqueuse et organique.
Pour déterminer expérimentalement les constantes d’équilibre, il est nécessaire d’obtenir les différentes concentrations pour les variables de l’équation (4). Des échantillons de la liqueur mère et des raffinats sont prélevés. Les solutions aqueuses sont analysées par le MP-AES. Les pH de la liqueur mère et des raffinats sont mesurés avec un pH-mètre (Fisher Scientific). Puisque la phase organique est préparée à partir d’une solution commerciale exempte d’ETR, la concentration en ETR de la phase organique initiale est supposée nulle. La concentration en ETR de la phase organique après extraction n’est pas mesurée directement. Une mesure indirecte de la différence de concentration entre la solution mère et le raffinat est utilisée et calculée par l’équation (17). Pour certains tests où la phase organique initiale est chargée, les concentrations en ETR de la phase organique sont obtenues en éluant complètement la phase organique avec de l’acide chlorhydrique à une concentration de 6 molaire dans un ratio O/A de 1 (19).
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Le déroulement d’un test d’élution est similaire aux tests d’extraction. La principale différence est que la phase organique est initialement chargée en ETR et une solution aqueuse exempte d’ETR est utilisée pour éluer la phase organique, et ce, à différents ratios organique/aqueux. Pour un test d’élution, il est nécessaire de procéder à une étape d’extraction préliminaire pour charger la phase organique à éluer. Pour ce faire, une solution concentrée en ETR est mise en contact avec la phase organique contenant l’extracteur pour charger la phase organique de chaque ETR. La teneur de la phase organique chargée est mesurée en éluant complètement un échantillon de cette phase avec de l’acide concentré et en analysant la solution acide avec le MP-AES. Cette phase organique chargée est utilisée pour l’ensemble des tests à différents ratios O/A. La solution aqueuse est une solution d’eau déminéralisée exempte d’ETR dont le pH est ajusté avec du HCl. Les tests d’élution se déroulent de la même manière que les tests d’extraction. Le temps d’agitation des ampoules est le même, soit deux minutes, et les résultats sont obtenus en analysant les phases aqueuses avant et après élution avec le MP-AES et en mesurant le pH de la solution initiale et des solutions après élution.