Lessivage (chimie) - Leaching (chemistry)

La lixiviation est le processus par lequel un soluté se détache ou est extrait de sa substance porteuse au moyen d'un solvant .

La lixiviation est un processus naturel que les scientifiques ont adapté pour une variété d'applications avec une variété de méthodes. Les méthodes d'extraction spécifiques dépendent des caractéristiques solubles relatives au matériau absorbant telles que la concentration, la distribution, la nature et la taille. La lixiviation peut se produire naturellement à partir de substances végétales (inorganiques et organiques), la lixiviation de soluté dans le sol et la décomposition de matières organiques . La lixiviation peut également être appliquée pour améliorer la qualité de l'eau et l'élimination des contaminants, ainsi que pour l'élimination des déchets dangereux tels que les cendres volantes ou les éléments des terres rares (REE). Comprendre les caractéristiques de la lixiviation est important pour prévenir ou encourager le processus de lessivage et s'y préparer dans le cas où il est inévitable.

Dans une étape d'équilibre de lixiviation idéale, tout le soluté est dissous par le solvant, laissant le support du soluté inchangé. Cependant, le processus de lixiviation n'est pas toujours idéal et peut être assez complexe à comprendre et à reproduire, et souvent des méthodologies différentes produiront des résultats différents.

Lessivage se produisant dans un mur de ciment en raison d'événements naturels d'altération.

Processus de lixiviation

Il existe de nombreux types de scénarios de lixiviation ; par conséquent, l'étendue de ce sujet est vaste. En général, cependant, les trois substances peuvent être décrites comme :

  • un support, la substance A ;
  • un soluté, substance B ;
  • et un solvant, la substance C.

Les substances A et B sont quelque peu homogènes dans un système avant l'introduction de la substance C. Au début du processus de lixiviation, la substance C travaillera à dissoudre la substance superficielle B à un taux assez élevé. La vitesse de dissolution diminuera considérablement une fois qu'elle aura besoin de pénétrer à travers les pores de la substance A afin de continuer à cibler la substance B. Cette pénétration peut souvent conduire à la dissolution de la substance A, ou le produit de plus d'un soluté, tous deux insatisfaisants s'ils sont spécifiques la lixiviation est souhaitée. Les propriétés physicochimiques et biologiques du support et du soluté doivent être prises en compte lors de l'observation du processus de lixiviation , et certaines propriétés peuvent être plus importantes en fonction du matériau, du solvant et de leur disponibilité. Ces propriétés spécifiques peuvent inclure, sans s'y limiter :

Le processus général est généralement divisé et résumé en trois parties :

  1. Dissolution du soluté superficiel par le solvant
  2. Diffusion du soluté interne à travers les pores du support pour atteindre le solvant
  3. Transfert du soluté dissous hors du système

Procédés de lixiviation des substances biologiques

Les substances biologiques peuvent subir elles-mêmes une lixiviation et être utilisées pour la lixiviation dans le cadre de la substance solvante pour récupérer les métaux lourds . De nombreuses plantes subissent un lessivage des composés phénoliques, des glucides et des acides aminés et peuvent subir jusqu'à 30% de perte de masse par lessivage, uniquement à partir de sources d'eau telles que la pluie , la rosée , le brouillard et le brouillard . Ces sources d'eau seraient considérées comme le solvant du processus de lixiviation et peuvent également conduire au lessivage des nutriments organiques des plantes tels que les sucres libres , les substances pectiques et les alcools de sucre . Cela peut à son tour conduire à une plus grande diversité d'espèces végétales qui peuvent bénéficier d'un accès plus direct à l'eau. Ce type de lixiviation peut souvent conduire à l'élimination d'un composant indésirable du solide par l'eau, ce processus est appelé lavage. Une préoccupation majeure pour le lessivage des plantes est de savoir si les pesticides sont lessivés et transportés par le ruissellement des eaux pluviales ; ce n'est pas seulement nécessaire pour la santé des plantes, mais il est important de contrôler car les pesticides peuvent être toxiques pour la santé humaine et animale.

La biolixiviation est un terme qui décrit l'élimination des cations métalliques des minerais insolubles par des processus biologiques d' oxydation et de complexation . Ce processus est effectué en grande partie pour extraire le cuivre , le cobalt , le nickel , le zinc et l' uranium des sulfures ou oxydes insolubles . Les procédés de biolixiviation peuvent également être utilisés dans la réutilisation des cendres volantes en récupérant l' aluminium à l' aide d'acide sulfurique .

Processus de lixiviation des cendres volantes

Les cendres volantes de charbon sont un produit qui subit une forte lixiviation lors de son élimination. Bien que la réutilisation des cendres volantes dans d'autres matériaux tels que le béton et les briques soit encouragée, une grande partie des cendres volantes aux États-Unis est encore éliminée dans des bassins de rétention, des lagunes , des décharges et des terrils. Ces sites d'élimination contiennent tous de l'eau où les effets de lavage peuvent provoquer le lessivage de nombreux éléments majeurs différents , selon le type de cendres volantes et l'emplacement d'où elles proviennent. La lixiviation des cendres volantes n'est préoccupante que si les cendres volantes n'ont pas été éliminées correctement, comme dans le cas de la Kingston Fossil Plant dans le comté de Roane , Tennessee. La défaillance structurelle de la centrale fossile de Kingston de la Tennessee Valley Authority a entraîné une destruction massive dans toute la région et de graves niveaux de contamination en aval des rivières Emory et Clinch .

Processus de lessivage dans le sol

La lixiviation dans le sol dépend fortement des caractéristiques du sol, ce qui rend les efforts de modélisation difficiles. La plus grande partie de la lixiviation provient de l'infiltration d'eau, un effet de lavage très semblable à celui décrit pour le processus de lixiviation des substances biologiques. La lixiviation est généralement décrite par des modèles de transport de soluté, tels que la loi de Darcy , les expressions de débit massique et les compréhensions de la diffusion- dispersion. La lixiviation est contrôlée en grande partie par la conductivité hydraulique du sol, qui dépend de la taille des particules et de la densité relative auxquelles le sol a été consolidé par le stress. La diffusion est contrôlée par d'autres facteurs tels que la taille des pores et le squelette du sol, la tortuosité du trajet d'écoulement et la distribution du solvant (eau) et des solutés.

Mécanismes de lixiviation

En raison de l'assortiment de processus de lixiviation, il existe de nombreuses variations dans les données à collecter par le biais de méthodes de laboratoire et de modélisation, ce qui rend difficile l'interprétation des données elles-mêmes. Non seulement le processus de lixiviation spécifié est important, mais aussi l'objectif de l'expérimentation elle-même. Par exemple, l'accent pourrait être mis sur les mécanismes provoquant la lixiviation, la minéralogie en tant que groupe ou individuellement, ou le solvant qui provoque la lixiviation. La plupart des tests sont effectués en évaluant la perte de masse due à un réactif , à la chaleur ou simplement au lavage à l'eau. Un résumé des différents processus de lixiviation et de leurs tests de laboratoire respectifs peut être consulté dans le tableau suivant :

Tableau 1 : Tests de laboratoire pour divers procédés de lixiviation
Processus de lixiviation Tests de laboratoire
Élimination du lixiviat des déchets Test par lots ou test de colonne
Lessivage des plantes test t ou test de permutation
Mobilisation des cations métalliques Biolixiviation
Lessivage des cendres volantes Évaporation du bassin d'élimination
Extraction cellulaire Fractions légères de pétrole, solvant trichloréthylène ou solvant acétone/éther
Lessivage des solides grossiers Usine par lots
Lessivage des solides fins Agitation par agitateur mécanique ou air comprimé

Lixiviation respectueuse de l'environnement

Des travaux récents ont été effectués pour voir si les acides organiques peuvent être utilisés pour lixivier le lithium et le cobalt des batteries usagées avec un certain succès. Des expériences réalisées avec des températures et des concentrations variables d' acide malique montrent que les conditions optimales sont de 2,0 m/L d'acide organique à une température de 90 °C. La réaction avait une efficacité globale dépassant 90 % sans sous-produits nocifs.

4 LiCoO 2 (solide) + 12 C 4 H 6 O 5 (liquide) → 4 LiC 4 H 5 O 5 (liquide) + 4 Co(C 4 H 6 O 5 ) 2 (liquide) + 6 H 2 O (liquide ) + O 2 (gaz)

La même analyse avec de l'acide citrique a montré des résultats similaires avec une température et une concentration optimales de 90 °C et une solution 1,5 molaire d'acide citrique.

Voir également

Les références