Soutenance de thèse de Yasmine BEN GHORBAL

doctorante au Centre RAPSODEE UMR CNRS 5302

Génie des procédés et de l'environnement

sur "Valorisation de mâchefers pour l’adsorption de polluants dans les fumées d’incinération"

jeudi 1er octobre à 13h30

Amphi 2 - IMT Mines Albi

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Composition du jury

    •   M. Vincent CHATAIN : Professeur des universités Laboratoire DEEP (Déchets Eaux Environnement Pollutions) INSA Lyon - Rapporteur
    •   Mme Clara SANTATO : Professeure Polytechnique Montréal - Rapporteure
    •   M. Rachid ZENTAR : Professeur IMT Nord Europe - Examinateur
    •   Mme Patricia ARLABOSSE : Professeure Centre RAPSODEE UMR CNRS 5302 IMT Mines Albi - Co-encadrante de thèse
    •   Mme Nathalie LYCZKO : Chargée de recherche Centre RAPSODEE UMR CNRS 5302 IMT Mines Albi - Co-directrice de thèse
    •   M. Ange NZIHOU : Professeur Centre RAPSODEE UMR CNRS 5302 IMT Mines Albi - Directeur de thèse

Résumé

Dans une logique d’économie circulaire, cette thèse vise à valoriser les mâchefers d’incinération d’ordures ménagères (MIOM) pour élaborer un nouvel adsorbant destiné au traitement des fumées. La stratégie développée repose sur une dissolution acide des MIOM, suivie d’une précipitation, par ajustement du pH, afin de récupérer les éléments d’intérêt en vue de la synthèse de l’adsorbant. Ce procédé doit toutefois surmonter plusieurs verrous scientifiques liés à la forte hétérogénéité physico-chimique des MIOM et à leur minéralogie complexe, marquée notamment par la présence de phases réfractaires telles que le quartz (SiO2). Pour cela, une méthode de minéralisation par fusion boratée a été développée pour la quantification élémentaire fiable et la reproductibilité des résultats. La méthode développée s’est révélée plus performante que la digestion acide assistée par micro-ondes, pourtant largement utilisée dans le domaine. Cette approche pourrait servir à traiter de nombreux résidus de déchets et solides divers, complexes en composition et en structure et représente une contribution significative par rapport à l’état de l’art. L’influence des paramètres opératoires cinétiques (pH, temps de contact) et hydrodynamiques (vitesse d’agitation, régime d’écoulement caractérisé par le nombre de Reynolds d’agitation) a été étudiée. La fraction granulométrique 0–250 μm a été retenue comme le meilleur compromis entre performances de dissolution et faisabilité économique, la réduction à 0–80 μm entraînant un surcoût de broyage de 10,3 €/t. Cette approche a permis d’identifier les conditions opératoires optimales, assurant un compromis entre rendement d’extraction et faisabilité industrielle : température de 50 °C, HCl concentré à 37 % (pH = –1,08), rapport liquide/solide L/S de 15 L/kg, agitation à 200 tr/min et temps de contact de 60 min. Dans ces conditions, les éléments valorisables sont efficacement transférés en solution. La synthèse de l’adsorbant a été réalisée par ajustement du pH de la solution obtenue, à l’aide d’un lait de chaux. Cette étape a conduit à la formation d’un solide caractérisé par une texture micro-mésoporeuse avec une surface spécifique comprise entre 46 et 55 m²/g, nettement supérieure à celle du MIOM brut (11 m²/g). Le matériau est majoritairement constitué de magnétite (Fe3O4) et de chlorapatite (Ca2PO4Cl), deux phases reconnues pour leurs bonnes performances d’adsorption vis-à-vis de nombreux polluants. Les analyses de surface telles que MEB-EDX et XPS mettent en évidence une prépondérance des éléments Fe, Ca, P, Cl, Al, Si et O. Les travaux réalisés montrent par exemple que la coexistence des états d’oxydation Fe²⁺/Fe³⁺ génère des sites métalliques de transition redox actifs, susceptibles d’interagir avec diverses espèces réactives, en particulier certains métaux lourds. La TPD confirme la coexistence de sites acides et basiques à la surface du matériau, suggérant sa capacité à interagir avec une gamme étendue de polluants. Les performances de l’adsorbant synthétisé ont été évaluées par adsorption d’un composé organique et d’un métal lourd, représentatifs de polluants dont le partenaire industriel souhaite évaluer le comportement face à ce nouvel adsorbant. Les tests montrent que ce matériau présente une très faible affinité pour le 1,2-dichlorobenzène, en raison de l'absence de sites aromatiques permettant des interactions de type π–π donneur-accepteur. En revanche, il se révèle plus performant pour la capture du cadmium, avec une capacité d’adsorption de l’ordre de 16 mg/g. Cette valeur demeure inférieure à celles rapportées pour les hydroxyapatites (46–53 mg/g dans des conditions opératoires similaires). Des pistes d’amélioration des caractéristiques et des performances des adsorbants développés sont ainsi discutées.