Fixation du cadmium par une hydroxyapatite phosphocalcique : étude cinétique et thermodynamique

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Technologie (Sciences appliquées),

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

pollution et polluants, décontamination, métaux, adsorption, apatites, phosphates, stabilité thermique

Mots-clés

Hydroxyapatite - Effets de la chaleur - Thèses et écrits académiques,

Cadmium - Décontamination - Décontamination,

Cadmium - Synthèse - Thèses et écrits académiques,

échange d'ions - Thèses et écrits académiques,

Eaux usées - Teneur en métaux lourds - Teneur en métaux lourds

Les propriétés physico-chimiques des hydroxyapatites permettent d'envisager leur utilisation comme décontaminant des effluents liquides pollués par les métaux lourds, notamment le cadmium, mais également comme matrice de stockage de cet élément toxique. La mise en œuvre du procédé de stabilisation des cations Cd²⁺ dépend du mode de piégeage par l'apatite. Dans ce cadre, le mécanisme de fixation du cadmium par une hydroxyapatite phosphocalcique Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ en solution aqueuse a été déterminé. L'immobilisation des cations Cd²⁺ a été réalisée en conditions statiques, sous forme de test en « batch » sur une hydroxyapatite phosphocalcique synthétisée au laboratoire. La quantité de cadmium immobilisé est proportionnelle à la surface spécifique des poudres, et peut atteindre 7,1 moles par mole d'apatite mise en jeu. La détermination du mécanisme s'est appuyée sur une analyse chimique des poudres et des filtrats issus des expériences de fixation. Quels que soient les paramètres expérimentaux, les isothermes obtenues après deux semaines de fixation ont une allure générale de type Langmuir. La principale réaction d'immobilisation du cadmium est composée de deux étapes successives. La première est un échange ionique rapide entre les cations Cd²⁺ de la solution et les cations Cd²⁺ adsorbés sur des sites spécifiques à la surface des grains d'apatite. La deuxième, plus lente, est la précipitation d'une hydroxyapatite calcocadmiée, initiée par les cations Cd²⁺ adsorbés qui deviennent des sites de germination. La croissance de cette couche épitaxiale s'effectue via une redistribution superficielle de la matière et/ou via un mûrissement d'Ostwald au sein de la suspension. Les cristaux de poudre chargée en cadmium sont ainsi composés d'un cœur en hydroxyapatite calcique pure Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, entouré d'une couche d'hydroxyapatite calcocadmiée Ca₁₀₋ₓCdₓ(PO₄)₆(OH)₂ (4≤x≤10) Parallèlement deux réactions minoritaires se produisent : la précipitation homogène d'une apatite calcocadmiée, suivie de la dissolution lente de l'hydroxyapatite calcique initiale. Selon la température, entre 17% et 35% de la quantité totale de cadmium fixé après deux semaines de contact sont adsorbés à la surface des grains. La précipitation de surface incorpore en solution solide apatitique entre 59% et 82% de cette même quantité, et la précipitation homogène de 1% à 6%.