Modélisation thermodynamique de systèmes contenant l'arsenic, le soufre et des métaux de transition

L’exploitation excessive des gisements de grade élevé cause progressivement leur épuisement. Cela pousse à l’extraction des minerais complexes contenant une plus forte teneur d’arsenic. La variation dans la composition des minerais cause des problèmes majeurs de contamination par l'arsenic durant leurs traitements dans les procédés de pyrométallurgie. L’utilisation de l’arsenic dans l’industrie des électroniques constitue également une source de contamination durant le recyclage des appareils contenant cet élément toxique, durant l’élimination de ces appareils par incinération ou même après leur élimination directe dans les décharges. Puisqu’il est prévu que les changements climatiques impacteront considérablement la mobilité de l’arsenic, les risques liés à son émission ne vont que s’amplifier. Quelques technologies sont employées par les industries pour diminuer leurs émissions d’arsenic, mais elles ne sont pas suffisantes pour contrôler le problème. Pour réussir à développer des technologies efficaces, il est essentiel de combler le manque dans la compréhension des interactions entre les éléments que l’on retrouve généralement associés à l’arsenic. Dans ce projet de recherche, la thermodynamique computationnelle est utilisée pour examiner le comportement de l’arsenic et de ses différentes interactions avec le soufre et quelques métaux de transition et pour développer une base de données. Les systèmes binaires et ternaires sont modélisés avec le logiciel FactSageTM en utilisant la méthode CALPHAD. Le modèle Quasichimique modifié (MQM) par approximation des paires est utilisé pour modéliser les phases liquides et le Compound Energy Formalism (CEF) est utilisé pour modéliser les solutions solides. Les évaluations thermodynamiques et les optimisations sont effectuées pour la première fois pour les systèmes As-Cd, As-Co, Ag-As-S, As-Cd-Zn et As-Fe-S pour toutes les gammes de composition. Une réévaluation des systèmes binaires Ag-As, Ag-S, As-Fe, As-S et As-Zn est aussi réalisée, offrant des améliorations significatives par rapport aux modélisations antérieurs. Les résultats de toutes les optimisations ont permis la reproduction des propriétés thermodynamiques et des données des diagrammes de phases à l’intérieur des marges d’incertitudes expérimentales. Les résultats ont également permis la prédiction des équilibres de phases impliqués dans les systèmes étudiés. Les résultats obtenus ont aussi démontré l’intérêt d’examiner l’effet de la polymérisation de l’arsenic liquide dans le modèle. Cela impliquerait d’investiguer l’utilisation d’un modèle thermodynamique amélioré pour les phases liquides dans de prochains travaux afin de considérer les formes polymérisées de l’arsenic.

Abstract

The excessive exploitation of high-grade deposits is gradually causing their depletion. This leads to the extraction of complex ores that contain high arsenic contents. This variation in composition causes major arsenic contamination problems during the processing of ores in many pyrometallurgical processes. The use of arsenic in the electronics industry also constitutes a source of contamination during the recycling of devices containing this toxic element, during the disposal of these devices by incineration or even after their direct disposal in landfills. Since it is expected that climate change will impact the mobility of arsenic, the risks associated with its emission will only increase. Some technologies are employed by the industries to reduce their arsenic emissions, but they are not sufficient to control the problem. To succeed in developing effective technologies, it is essential to fill the gap in understanding the interactions between the elements that are usually associated to arsenic. In this research project, computational thermodynamics is used to examine the behavior of arsenic and its various interactions with sulfur and some transition metals and to develop a database. Binary and ternary systems are modeled with the FactSageTM software using the CALPHAD method. The Modified Quasichemical Model (MQM) by pair approximation is used to model liquid phases and the Compound Energy Formalism (CEF) is used to model the solid solutions. Thermodynamic evaluations and optimizations are performed for the first time for As-Cd, As-Co, Ag-As-S, As-Cd-Zn and As-Fe-S systems for all composition range. A reassessment of the binary systems Ag-As, Ag-S, As-Fe, As-S and As-Zn is also performed, offering significant improvements over earlier models. The results of all optimizations allowed the reproduction of thermodynamic properties and phase diagram data within experimental uncertainty limits. The results also allowed the prediction of the phase equilibria involved in the systems studied. The results obtained also demonstrated the interest of examining the effect of arsenic polymerization in the model. This would involve investigating the use of an improved thermodynamic model for the liquid phases in future work to consider polymerized forms of arsenic.