Émissions des gaz lors de la cuisson des
mélanges argileux/CSR

Les résultats des chapitres précédents ont montré que l’ajout des CSR au sein des matrices argileuses a permis d’améliorer les propriétés mécaniques et thermiques des produits finaux. Au cours des étapes de production des produits de terre cuite, les matières premières (mélange argileux, sable et le CSR) subissent plusieurs transformations physicochimiques permettant d’obtenir les propriétés finales souhaitées. Cependant, les étapes du séchage et de la cuisson sont responsables des émissions de gaz comme : CO2, CO, HCl. Ainsi l’utilisation des CSR contenant de polluants peut provoquer des problèmes environnementaux. Dans ce chapitre, nous étudions l’impact environnemental de l’incorporation du CSR15 et CSR28 dans les matrices argileuses ML et MC. L’industrie des matériaux de construction à base d’argile est soumise de règlementation environnementale spécialement au niveau des émissions de gaz et la consommation d’énergie au cours de la cuisson des mélanges argileux . Dans la littérature, nombreux travaux ont étudié les émissions de gaz provenant de la cuisson des produits de terre cuite incorporant des co-produits . Les composés les plus étudiés dans le secteur des céramiques sont le chlore (HCl) et le dioxide de carbone (CO2) [79]. Certains de ces travaux ont été réalisés à l’échelle industrielle, mais la plupart d’entre eux ont été simulés à l’échelle laboratoire. La majorité des résultats ont montré que les émissions en CO2 ont été liées à la forte teneur en carbone dérivé de certaines matières argileuses. En effet, les émissions provenant de la décomposition thermique de carbonate de calcium (CaCO3) varient en fonction de leurs teneurs dans la matière première : 62 kg de CO2/t pour les carreaux créamiques, 15 kg de CO2/t pour les carreaux émaillés et 1kg de CO2/t pour les carreaux de porcelaine [137]. Le secteur des matériaux céramiques est obligé de faire des efforts pour réduire les émissions de CO2 afin de respecter ses engagements environnementaux pour la période 2013-2020 [126]. Parmi les solutions proposées, il y a l’utilisation d’autres types de combustibles moins polluants [200] ; ou l’utilisation de nouvelles formulations de matières premières . Peng et al. a montré que le remplacement du charbon comme combustible par le gaz naturel a permis de réduire les émissions de CO2. Le développement des mélanges argileux incorporant des déchets non contaminants a aussi été étudié . En effet, l’étude de Gonzalez et al. [137] a montré que l’ajout de 30%.m de schiste dans la matrice argileuse riche en carbonate de calcium (CaCO3) a conduit à une réduction de 40% d’émission de CO2 au cours de la cuisson. L’incorporation d’autres types de co-produits organiques ont permis de réduire les émissions de CO2 dans l’étape de cuisson de mélange argileux/co-produits organiques . Dans notre étude, l’incorporation du CSR15 ou du CSR28 contenant initialement une teneur en chlore et des teneurs en métaux lourds non négligeables nécessite une étude environnementale au niveau des émissions de gaz au cours de la cuisson (CO2, CO et HCl,…). Une évaluation de la mobilité des métaux restants dans les mélanges argileux/CSR après cuisson à l’aide des tests de lixiviation a également été réalisée. Plusieurs travaux ont étudié les tests de lixiviation des mélanges argileux incorporant des co-produits d’origine inorganiques ou organiques . Les résultats de lixiviation ont montré une mobilité des éléments comme le sélénium (Se) et l’antimoine (Sb) . Cependant, aucun risque environnemental n’a été révélé pour l’utilisation des co-produits, en raison de leurs faibles taux d’incorporation (< 10%.m) dans la matrice argileuse. Dans cette étude, nous intéresserons à analyser les émissions de gaz lors de l’oxydation à l’échelle laboratoire des mélanges argileux/CSR et les CSR seuls comparés aux émissions des mélanges standards (MEL FAB ML B40 et MEL FAB MC B20), respectivement. Une étude de distribution des composants chlorés sera ainsi réalisée expérimentalement et par un calcul d’équilibre thermodynamique à l’aide d’une simulation sur le logiciel FactSage V.6.3. Finalement, deux méthodes de tests de lixiviation seront appliquées sur les mélanges argileux/CSR après leur cuisson afin d’évaluer la stabilité des métaux restants au sein des matrices argileuses.

Matériels et méthodes 

Matières premières 

Les compositions chimiques des matières premières utilisées pour cette étude environnementale sont présentées dans les tableaux (tableau. 6.1, 6.2 et 6.3) concernant : CSR28, CSR15, MEL FAB ML B40, MEL FAB MC B20. Des mélanges argileux/CSR suivants ont aussi été étudiés : ML8CSR28-1 B20, ML8CSR15-1 B20, MC8CSR28-1 B0 et MC8CSR15- 1 B0. 6.2.2 Schéma du réacteur à lit fixe et conditions opératoires La figure 6.2.1 montre la configuration expérimentale utilisée pour la réalisation des tests de l’oxydation. Il s’agit d’un réacteur sous forme de tube avec un diamètre intérieur de 20 mm, placé dans un four électrique. Pour chaque test d’oxydation, une masse de 5g a été placée dans un creuset en alumine. Chaque échantillon a été chauffé à 5°C/min jusqu’à 1000°C, puis a été maintenu à cette température pendant 10 min. Le débit d’air a été fixé tout au long de l’oxydation à une valeur de 42 mL/min. A la sortie du réacteur, deux bulleurs ont été placés. Le premier bulleur contenant 100 mL d’eau distillée (eau de qualité 1 selon la norme EN 15408 [9]) sert à capter le chlore volatilisé lors de l’oxydation. Ce bulleur a été analysé par la suite à l’aide de la chromatographie ionique de type DIONEX ICS-3000 afin de quantifier le chlore volatilisé (HCl, KCl, . . . ) lors de l’oxydation. Le deuxième bulleur contenant 100 mL d’isopropanol a été utilisé afin d’éliminer les particules fines et les phases condensables produites lors de l’oxydation. A la fin, la totalité du gaz produit lors de l’oxydation (gaz permanent) a été collectée dans un sac en Tedlar et a été analysée à l’aide de l’analyseur par micro-chromatographie à gaz (MyGC SRAinstruments). 

Distribution du chlore 

Simulation d’équilibre thermodynamique : FactSage 

 L’objectif de cette étude thermodynamique est de déterminer la spéciation des métaux restants dans le résidu solide après l’oxydation de CSR et des mélanges argileux/CSR, respectivement. Ainsi, cette analyse peut compléter et expliquer la distribution des métaux analysée expérimentalement. Pour notre cas, nous nous intéresserons à la distribution du chlore volatilisé (dans le gaz) et celui non-volatilisé (dans le résidu solide ou dans la partie condensable). Le calcul d’équilibre thermodynamique a été basé sur l’approche de minimisation d’énergie libre totale de Gibbs. La simulation d’équilibre thermodynamique a été réalisée à l’aide du logiciel FactSage V.6.3 incluant la base de donnée développée dans le travail de Said et al. [267]. L’approche à l’équilibre considère le système de réaction comme système fermé et les phénomènes d’interaction des mélanges sont négligés. Toutes ces hypothèses pouvant être limitantes pour prédire toutes les spéciations formées lors de l’oxydation des CSR et les mélanges argileux/CSR.

Évaluation du comportement environnemental à l’aide du test de lixiviation

Le test de lixiviation permet de prédire le comportement environnemental à long terme d’une matrice contenant des polluants [98, 299]. En effet, la méthode de lixiviation évalue la stabilité des polluants initialement présents dans une matrice. Les protocoles adoptés pour les tests de lixiviation dans notre étude, ont été détaillés dans les normes NF EN 12457-2 (10L/kg) et NF EN 12457-1 (2L/kg) [2, 3]. Composition du gaz, résidu solide et condensable Les pourcentages des composants produits lors de l’oxydation ont été calculés à l’aide des équations développées ci-dessus (équation. 6.2.5, 6.2.6 et 6.2.7). La figure (fig. 6.3.1) présente les pourcentages du gaz, du résidu solide et de la partie condensable provenant de l’oxydation du CSR28 et du CSR15. Le pourcentage du résidu solide provenant de l’oxydation du CSR28 a été de l’ordre de 13,5%.m. Cela est en accord avec sa teneur en cendres qui est de 17,3%.m.sec (tableau. 6.2). Le CSR15, lui présente une forte teneur en cendres ce qui explique bien les 52,7%.m du résidu solide produit de son oxydation. La partie du gaz et celle des condensables produits pendant l’oxydation du CSR28 sont de 51,5%.m et 35%.m, respectivement. Cela est dû à la teneur en matières volatiles et celle en biomasse du CSR28 élevées de 74,6%.m.sec et 54,8%.m.sec, respectivement (tableau. 6.2). Pour le CSR15, la partie du gaz et celle des condensables restent plus faibles que celle du résidu solide. Ce qui est expliqué par sa teneur en cendres très élevée de 65,7%.m.sec (tableau. 6.2). Le pourcentage du gaz produit et celui de la partie condensable de l’oxydation du CSR15 ont été de 34,6%.m et 12,7%.m, respectivement. Ces résultats sont en accord avec la littérature [259, 260, 208]. L’ajout du CSR28 ou du CSR15 au sein des matrices argileuses ML et MC a été étudiée. La figure (fig.6.3.2 a) et b)) présente les pourcentages du gaz, du résidu solide et de la partie condensable provenant de l’oxydation des mélanges MEL FAB ML B40, ML/CSR, MEL FAB MC B20 et MC/CSR, respectivement. L’oxydation du MEL FAB ML B40 a généré un pourcentage du résidu solide de 92,1%.m.