Valorization of Low-Grade Phosphate Fine Waste by Carbo-Chlorination Route

Le phosphore, dérivé d'une grande variété de minéraux, joue un rôle essentiel dans la croissance des plantes, des animaux et de la vie humaine. Il revêt une importance capitale en agriculture en tant qu'engrais indispensable. Face aux ressources naturelles limitées et à l'absence de substitut cohérent, il est crucial de relever ces défis. Pour répondre à une demande croissante, une approche en deux volets est nécessaire: explorer les minerais de phosphate à faible teneur et recycler efficacement le phosphore à partir des déchets. Ces mesures garantissent une utilisation durable du phosphore en agriculture et dans d'autres pratiques industrielles. Cette étude se concentre sur l'extraction du phosphore à partir de matériaux de phosphate, spécifiquement sous forme de composés phosphorés chlorés, en utilisant la carbochloration avec du chlore gazeux et du carbone. Deux échantillons industriels de déchets de phosphate à faible et haute teneur ont été soumis à une réaction de carbochloration en utilisant un mélange gazeux de Cl2 et de N2 dans un réacteur en quartz en laboratoire. Avant de débuter la phase expérimentale, une étude thermodynamique approfondie et une revue exhaustive de la littérature ont été réalisées afin de déterminer la composition optimale des réactifs et les conditions appropriées, notamment la température, le débit de gaz et la pression. L'échantillon de minerai de phosphate à haute teneur a été examiné dans un premier temps à différents intervalles de temps (allant de 30 minutes à 7 heures) et à différentes températures (de 600 °C à 700 °C) afin d'identifier les conditions expérimentales conduisant à la meilleure conversion du phosphore. Ensuite, le minerai de phosphate à faible teneur a été testé dans les conditions optimales présélectionnées pour valider la faisabilité du processus de carbochloration avec les déchets industriels de phosphate à faible teneur. En combinant les prédictions thermodynamiques avec l'analyse élémentaire ICP, la microanalyse SEM-EDS et l'examen XRD des produits solides de réaction, des interprétations éclairantes des phénomènes et des mécanismes de réaction lors de la carbochloration des déchets de phosphate à faible teneur ont été obtenues.

Abstract

Phosphorus, derived from a wide variety of minerals, is essential for the growth of plants, animals, and human life. It serves a vital role in agriculture as an indispensable fertilizer. With finite natural resources and no consistent substitute, addressing these challenges is crucial. To cope with rising demands, a two-fold approach is needed: exploring low-grade phosphate ore and efficiently recycling phosphorus from waste. These measures ensure sustainable phosphorus use in agriculture or other industrial practices. This study focuses on the extraction of phosphorus from phosphate materials, specifically in the form of phosphorus-chlorinated compounds, utilizing carbochlorination with gaseous chlorine and carbon. Two industrial samples of low and high-grade phosphate wastes were tested by carbochlorination reaction with Cl2 and N2 gaseous mixture using a lab-scale quartz reactor. Before commencing the experimental phase, an in-depth thermodynamic study and comprehensive literature review were conducted to determine the optimal composition of reagents and the appropriate conditions, including temperature, gas flow rate, and pressure. The high-grade phosphate ore sample was initially examined at various time intervals (ranging from 30 minutes to 7 hours) and temperatures (600 °C to 700 °C) to identify the experimental conditions that yielded the highest phosphorus conversion. Subsequently, the low-grade phosphate ore was tested under the preselected optimal conditions to validate the feasibility of the carbochlorination process with industrial low-grade phosphate waste. By combining thermodynamic predictions with ICP elemental analysis, SEM-EDS, and XRD examination of the solid reaction products, insightful interpretations of the occurring phenomena and reaction mechanisms during the carbochlorination of low-grade phosphate waste were obtained.