Démétallisation de l'acide phosphorique par des résines échangeuses d'ions

L’acide phosphorique, produit à partir de la roche de phosphate, est principalement destiné à la production de fertilisants. La roche de phosphate contient des métaux lourds, qui, sans procédé d’élimination, se retrouvent dans l’acide phosphorique et par conséquent dans les engrais. Ces métaux lourds peuvent avoir des effets négatifs pour la santé, d’où l’imposition d’une limite de l’Union européenne sur le cadmium, dans les engrais, de 60 mg/kg de P2O5, jusqu’à l’atteinte de 20 mg de Cd/ kg P2O5 pour 2032 pour la Commission européenne ou 2036 pour le Parlement européen. L’élimination de ces métaux est plus facile lorsqu’ils sont sous forme ionique, en solution, que lorsqu’ils sont sous forme solide dans la roche de phosphate. À la suite d’une analyse de plusieurs méthodes de traitement de l’acide phosphorique, une des méthodes préconisées pour être utilisée industriellement est l’échange ionique à l’aide de résine échangeuse d’ions. La résine étant sensible à l’acidité de la solution, il est préférable de traiter l’acide phosphorique 29 % P2O5 que lorsqu’il est plus concentré. La résine choisie pour réduire la concentration en Cd, Zn, Ni, Cr, As et V de l’acide phosphorique est l’Amberlite IRC200 Na qui est une résine cationique fortement acide et commerciale. Cette résine permet d’adsorber la majorité des ions divalents et des ions de chrome présents en solution, soit plus de 95% de la concentration initiale avec un dosage de 0.5 kg/L en 10 minutes en mode cuvée. La concentration finale en cadmium est alors de 1.1 mg Cd/kg P2O5, ce qui est plus bas que la limite de 20 mg Cd/kg P2O5 imposé par l’Union européenne. Les tests expérimentaux ont été effectués en mode cuvée, pour avoir une meilleure étude fondamentale de la cinétique et de l’isotherme en minimisant le transfert externe. Ceux-ci ont permis de trouver un modèle cinétique de pseudo-second ordre et un modèle isotherme de Langmuir. La capacité d’adsorption maximale de cette résine industrielle (160 mg Cd/g, 50mg Zn/g et 40 mg Ni/g) est supérieure à celle d’autres résines étudiées incluant des résines imprégnées par des solvants pour améliorer leur capacité d’adsorption. L’avantage de procédé d’adsorption par résine c’est que celle-ci est régénérable à partir d’une désorption acide (HCl ou H2SO4) des métaux.

Abstract

Phosphoric acid, produced with phosphate rock, is mainly used to produce fertilizers. Phosphate rock naturally contains heavy metals which are then found in fertilizers. Due to their negative side effects on human health, the European Union has imposed a limit of 60 mg of Cd/kg of P2O5 in fertilizers and is planning on reducing it to 20 mg of Cd/kg of P2O5 for 2032 for the European Commission and 2036 for the European Parliement. Heavy metal is easier to remove in ionic form in phosphoric acid solution, than in solid form in the phosphate rock. After analysis of different treatment methods of phosphoric acid, the chosen method for industrial use is ion exchange with an ion exchange resin. The resin being sensitive on the acidity of the solution, it is better to treat 29 % P2O5 instead of a higher concentration. The chosen resin to reduce the concentration of Cd, Zn, Ni, Cr, As and V from phosphoric acid is l’Amberlite IRC200 N, which is a commercial strongly acidic cationic resin. This resin allows the removal of most divalent and chromium ions present in solution, which is more than 95% of initial concentration of divalent ions for a batch test with a mass of resin of 0.5 kg/L of acid in 10 minutes. The final cadmium concentration is 1.1 mg Cd/kg P2O5, which is lower than the European Union limit of 20 mg Cd/kg P2O5. The batch tests experiments were performed to study the fundamental kinetic and isotherm of reaction while minimizing the external diffusion. A pseudo-second order kinetic model and Langmuir isotherm model where obtained. The maximal adsorption capacity of this industrial resin (160 mg Cd/g, 50mg Zn/g et 40 mg Ni/g) are higher than other resin studied, including solvent impregnated resin that have a higher adsorption capacity. An advantage of this resin is that it can be regenerated with an acidic desorption ((HCl or H2SO4) of heavy metal ions. A bed volume of 8 of hydrochloric acid 8 % (w./w.) allows the desorption of all the divalent metal ions adsorbed and more than 70 % of the other heavy metals studied. However, to obtain a desorption similar to HCl 8% with H2SO4 10% (w./w.), it is required to use double the quantity of acid. During the regeneration, the resin desorbed with sulfuric acid is able to maintain the initial adsorption capacity, whereas it slightly decreases for the resin desorbed with hydrochloric acid.