Influence des paramètres opératoires et verrous technologiques

Les paramètres opérationnels étudiés dans les travaux antérieurs sont: la température, la pression du gaz, la concentration de la suspension et la taille des particules. L’augmentation de la température aurait un effet positif sur le rendement réactionnel de la carbonatation minérale. On relève à partir de l’étude de Munz et al. (2012) que l’augmentation de la température améliore le taux de conversion en carbonates pour les échantillons d’anorthosite étudiés. De même, les travaux de E. E. Chang et al. (2011c) ont démontré un accroissement du taux de conversion du calcium avec l’augmentation de la température de 40 à 160 °C. Huijgen et al. (2006c) ont affirmé l’amélioration de la dissolution de la wollastonite avec la hausse de la température. Cela s’expliquerait par la loi d’Arrhénius qui met en avant l’accélération de la vitesse de dissolution avec la température. Par ailleurs, comme mentionné dans les travaux de Huijgen et al. (2006c), la température (à partir d’un certain seuil) peut avoir un effet négatif sur la dissolution du CO2 dans la phase aqueuse et, ainsi, sur le rendement de la réaction totale.

La pression du CO2 représente également un facteur important. Par exemple, l’étude de

Kashef-Haghighi et al. (2009) portant sur la carbonatation du béton (procédé de cure) a démontré que la réaction est lente à faible pression. Elle implique surtout la carbonatation des phases facilement dissoutes comme les oxydes de calcium (CaO). Tandis que l’application d’une plus grande pression permet d’améliorer l’efficacité en permettant la carbonatation des ions calcium plus étroitement liés comme ceux provenant des silicates de calcium. Dans les travaux de Katsuyama et al. (2005), le procédé de carbonatation des résidus de ciment emploie une étape d’extraction du calcium sous haute pression de CO2. L’augmentation de la pression

du CO2 permettrait ainsi de faciliter l’extraction du calcium réactif en carbonatation (avec

l’acidification du milieu).

Concernant la concentration de la suspension, EE Chang et al. (2011a) ont trouvé qu’au-dessus du ratio L/S de 10 : 1, il n’y a plus d’amélioration de la conversion en carbonates. Cela a été attribué à la présence excessive d’eau qui formerait une barrière pour le transfert de masse, diminuant la force ionique et donc la vitesse de dissolution des ions calcium. Huijgen et al. (2005b) ont montré qu’il y a une amélioration de la conversion du calcium en carbonates avec la diminution du ratio L/S (de 20 : 1 à 4 :1).

D’un autre côté, Arshe Said et al. (2013) ont mis en avant le fait que la diminution de la concentration du milieu jusqu’à 5 g/L (L/S : 200) permet d’obtenir la meilleure efficacité d’extraction du calcium (l’extraction a été réalisée avec une solution aqueuse de sels d’ammonium).

La taille des particules constitue aussi un élément important par rapport à l’efficacité de la carbonatation minérale. Dans l’étude de Huijgen et al. (2005b) portant sur les scories, les particules les plus fines (< 38 µm) ont permis d’obtenir les meilleurs degrés de carbonatation. De la même manière, Kodama et al. (2008) ont démontré qu’il y a une amélioration du taux de lixiviation et de conversion en carbonates reliée à la diminution de la taille des particules. Ces observations sont corrélées au fait que l’efficacité de lixiviation des ions calcium augmente avec l’accroissement de la surface spécifique des particules vu l’amélioration de la vitesse de transfert de masse (Arshe Said et al., 2013).

Par ailleurs, plusieurs travaux ont employé des procédés de carbonatation minérale indirects. C’est le cas du procédé multi-étapes étudié par Shuto et al. (2015) (pour les résidus de béton). Il s’agit d’un procédé employant des additifs chimiques. Cela consiste en une extraction du calcium avec l’acide nitrique, puis l’absorption du CO2 avec une solution alcaline (NaOH), suivie

par la mise en contact du calcium et du CO2 absorbé pour la précipitation du CaCO3. Dans la

dernière étape, un procédé d’électrodialyse est appliqué pour la régénération de l’acide nitrique et de la solution alcaline. Certes ce procédé serait efficace d’un point de vue séquestration du CO2 et production de CaCO3 d’une pureté > 97%. Cependant, son coût a été estimé à 260 $

US/t CO2 enlevé.

Chiang et al. (2014) ont, quant à eux, étudié la carbonatation des scories BFS (Blast Furnace) en deux étapes: une extraction du calcium par un acide organique, puis la précipitation des lixiviats en CaCO3. Ce procédé permet de produire des phases zéolithiques (tobermorite,

sodalite, lazurite, et analcime) à valeur ajoutée. Mun et al. (2013) ont aussi employé un procédé indirect avec une utilisation de réactifs chimiques pour la carbonatation des scories de four à oxygène (BOF) et des déchets de ciment. Arshe Said et al. (2013) ont par ailleurs obtenu une efficacité de carbonatation de scories de 73% suivant un procédé à deux étapes employant du sel d’ammonium (NH3Cl, NH4NO3, CH3COONH4). Dri et al. (2014) ont également acquis une

considérable efficacité de carbonatation (79%) avec l’emploi d’un procédé indirect et l’ajout NH4HSO4 et NH4OH.

L’emploi de procédés indirects et l’utilisation des additifs chimiques permettent ainsi d’améliorer les rendements réactionnels dans le cas des différents résidus. Cependant, les procédés seraient plus énergivores et l’emploi de ces réactifs présente un certain coût et nécessite également un recyclage qui ne peut pas toujours être envisageable.

D’un autre côté, Pasquier et al. (2014a) ont démontré la possibilité d’obtenir de bons rendements d’enlèvement du CO2 (0,55 g CO2/g éch) en utilisant des silicates de magnésium

(serpentine) suivant un procédé à basse pression, à température ambiante, sans ajout de réactifs chimiques et en utilisant un mélange de gaz (simulant la composition d’un effluent gazeux industriel). Il serait ainsi intéressant de compléter ces études en cherchant à mettre en œuvre des procédés directs, dans des conditions opératoires modérées avec des résidus calciques

Concernant la limitation du déroulement de la réaction de carbonatation minérale, les travaux de Huijgen et al. (2005b) avec les scories ont mis en évidence le fait que la diffusion du calcium à travers la matrice solide constituait l’étape limitante. Cela a été attribué au développement d’une zone silicatée dépourvue de calcium et la formation d’une couche de calcite précipitée à la surface des grains. Les études de Béarat et al. (2006), Assima et al. (2014) et Pasquier et al. (2014b) portant sur l’utilisation de l’olivine et les résidus miniers de serpentine ont démontré la même limitation de la diffusion des éléments réactifs. En effet, les couches de passivation dues à la formation de gel de silice et à la précipitation des hydroxydes de Fer (III) à la surface du grain inhibent la réaction de carbonatation. Dans l’étude de Béarat et al. (2006) l’augmentation de la vitesse d’agitation à 1 500 rpm a permis d’améliorer le rendement réactionnel en favorisant l’abrasion des particules formant la couche de passivation. Lors des travaux de Santos et al. (2013a), l’application des ultrasons intégrés au procédé de la carbonatation minérale des scories a permis l’amélioration du rendement réactionnel par rapport à l’agitation mécanique conventionnelle (de 61 à 73%).

Ainsi, comme reporté dans la revue de Sanna et al. (2014), dans la plupart des travaux en phase aqueuse, la dissolution de la phase minérale solide a été identifiée comme l’étape limitante en carbonatation minérale.