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CHAPITRE 7 : Les Métaux lourds : Extraction et méthodes d’analyse I. Rappel Sur

CHAPITRE 7 : Les Métaux lourds : Extraction et méthodes d’analyse I. Rappel Sur LES METAUX LOURDS I.1. Introduction: L'histoire des métaux lourds n'a pas été écrite. Et pourtant, ils paraissent liés à la civilisation. L'or, l'argent, le cuivre ont permis de fabriquer les premières pièces de monnaie. Sans métaux lourds, il n'y aurait pas eu de distribution d'eau potable par les canalisations en plomb. Ni peintures, car les peintures anciennes ont résisté au temps grâce aux métaux incorporés pigments (le « jaune de Naples », à base de plomb, le « vermillon de mercure »...), ni vitraux dans les cathédrales, ni miroirs, étamés d'un amalgame d'étain et de mercure... L'homme a utilisé les métaux lourds et continue à les utiliser. Parfois avec excès, souvent avec inconscience. Si les métaux lourds ont fait la civilisation, ils peuvent aussi la défaire. Car les métaux lourds sont aussi des toxiques puissants. I.2. Définitions I.2.1. Métal Corps simple caractérisé par un éclat particulier dit <<éclat métallique>>, une aptitude à la déformation, une tendance marquée à former des cations, et conduisant bien en général la chaleur et l'électricité. Un métal est une matière, issu le plus souvent d'un minerais ou d'un autre métal, doté d'un éclat spécial, bon conducteur de la chaleur, et de l'électricité, ayant des caractéristiques de dureté, et malléabilité, se combinant ainsi aisément avec d'autres éléments pour former des alliages utilisables dans l'industrie, l'orfèvrerie… I.2.2. Métalloïde Un métalloïde est un corps simple susceptible de libérer des anions simples. Un métalloïde est un élément qui combine certaines caractéristiques du métal et d'autres caractéristiques opposées (l'absence de conductivité électrique par exemple). I.2.3. Propriétés des métaux Les métaux diffèrent des métalloïdes par un certain nombre de propriétés dont les plus importantes sont les suivantes: - Les métaux ont un aspect brillant - Ils possèdent à un degré plus ou moins marqué des propriétés mécaniques particulières: ils peuvent être étirés en fils (ductilité) ou mise en feuilles minces (malléabilité) etc. - En général ce sont des substances plus dures que les métalloïdes solides. - Ils sont bons conducteurs de la chaleur et de l'électricité. Cette propriété est en relation avec la mobilité des électrons des atomes métalliques. - Les métaux possèdent la propriété de donner des ions positifs par perte d'électrons périphériques de valence. - Ont en général leur masse volumique élevée, supérieur à 5g/m3. 1 I.2.4. Les métaux dans la classification périodique des éléments Considérons la classification élargie des éléments, nous savons que les éléments non métalliques ou métalloïdes se situent à droite et sur la ligne passant par le Bore, le Silicium, l'Arsenic et l’Astate. Tous les éléments situés à gauche de cette ligne sont des métaux (fig 1). Il faut cependant souligner que les éléments situés à la frontière sont parfois difficiles à classer dans l'un ou l'autre groupe et que la répartition ci dessus est assez arbitraire. Figure 1: tableau de Mendeleïev I.2.5. Définitions des métaux lourds Le terme "métaux lourds" a été introduit historiquement au début du XXeme siècle, et comportait à l'époque le mercure, le plomb et le Cadmium. De nos jours le langage courant a vulgarisé le terme "métaux lourds" englobant à tort un grand nombre d'éléments. Les définitions des métaux lourds sont multiples et dépendent du contexte dans lequel on se situe ainsi que de l’objectif de l’étude à réaliser. 2 D’un point de vue purement scientifique et technique, les métaux lourds peuvent être également définis comme : • tout métal ayant une densité supérieure à 5, • tout métal ayant un numéro atomique élevé, en général supérieur à celui du Sodium (Z=11), • tout métal pouvant être toxique pour les systèmes biologiques. Certains chercheurs utilisent des définitions plus spécifiques encore. Le géologue, par exemple, considérera comme métal lourd tout métal réagissant avec la pyrimidine (C6H5N). Dans le traitement des déchets liquides, les métaux lourds indésirables auxquels on s’intéresse principalement sont : l’arsenic (As),le cadmium (Cd), le chrome (Cr), le mercure (Hg), le nickel (Ni), le plomb (Pb), le sélénium (Se), le zinc (Zn). Dans les sciences environnementales, les métaux lourds associés aux notions de pollution et de toxicité sont généralement : l’arsenic (As), le cadmium (Cd), le chrome (Cr), le cuivre (Cu), le mercure (Hg), le manganèse (Mn), le nickel (Ni), le plomb (Pb), l’étain (Sn), le zinc (Zn). Enfin, dans l’industrie en général, on considère comme métal lourd tout métal de densité supérieure à 5, de numéro atomique élevé et présentant un danger pour l’environnement et/ou pour l’homme. Le tableau suivant donne quelques caractéristiques chimiques du plomb, du cadmium et du cuivre ainsi que les principaux minerais d'origine (Tableau 1). Tableau 1: Caractéristiques physico-chimiques 3 I.2.5.1. Les sources d’émission des métaux lourds : Les métaux lourds qui entrent dans l’environnement aquatique proviennent de sources naturelles et de source anthropogènes. Leur entrée peut être le résultat soit de déversements effectués directement dans les écosystèmes marins et dans les eaux douces, soit d’un cheminement indirect comme dans le cas des décharges sèches et humides et du ruissellement agricole. Parmi les importantes sources naturelles, citons l’activité volcanique, l’altération des continents et les incendies de forets. Le tableau2 présente quelques exemples de sources industrielles et agricoles d’où peuvent provenir les métaux présents dans l’environnement. Tableau 2: Sources industrielles et agricoles des métaux présents dans l’environnement. 4 II. DÉTERMINATION DES MÉTAUX Toutes les méthodes d’analyse utilisées pour déterminer la concentration de métaux dans un échantillon comprennent trois étapes : 1. prélèvement et conservation de l’échantillon; 2. préparation de l’échantillon au laboratoire (pour les liquides aqueux, filtration ou minéralisation; pour les échantillons solides, broyage, minéralisation ou lixiviation); 3. dosage de l’échantillon. La conservation de l’échantillon sur le terrain et la préparation au laboratoire de l’échantillon définissent la forme de métal qui sera par la suite dosée. II.1. Récupération des métaux lourds à partir des liquides : II.1. 1. Nature des effluents liquides chargés en métaux lourds : Les effluents liquides circulant dans une industrie peuvent présenter des caractéristiques fort variables en ce qui concerne leurs teneurs en métaux lourds ainsi qu’en d’autres substances organiques ou minérales qui peuvent être elle-même sources de pollution. Il est par conséquent difficile de tracer un profil type d’un effluent chargé en métaux lourds et d’en déduire une approche unique pour l’ensemble des problèmes posés par ces effluents. La situation peut toutefois être un peu clarifiée en distinguant deux grands types d’effluents métallifères : les eaux de procédé et les eaux usées [10]. Les principales techniques de récupération des métaux lourds se basent sur les principes suivants : Les procédés de transfert liquide-solide ; Les procédés de transfert membranaire ; Les procédés biologiques II.1. 2. Procédés de transfert liquide –solide : Ces procédés sont basés sur des mécanismes physico-chimiques de transfert du métal sous forme solubilisé vers une phase solide. Les procédés de transfert liquide-solide sont mal adaptés à un recyclage continu des métaux, mais ils ont par contre, l’avantage d’être assez simples à conduire. Les travaux actuels visent à atteindre avec ces techniques les concentrations résiduelles les plus faibles en métaux lourds afin de satisfaire les spéciations des eaux usées les plus exigeantes. a – Précipitation : La précipitation consiste en une transformation de composés métalliques fortement dissociés (sels en solutions) en composés très peu solubles qui peuvent être récupérés par des techniques classiques de séparation liquide-solide tel que la filtration, la sédimentation ou encore la flottation. Une des contraintes de fonctionnement de ce genre de procédés est la récupérabilité des phases solides ainsi formées qui dépend très fortement de l’état d’agrégation des particules précipitées. 5 Cette opération implique hélas, toujours l’ajout d’un réactif de précipitation réalisant la transformation chimique souhaitée. La précipitation est depuis longtemps la méthode la plus étudiée et la plus utilisées dans le traitement des eaux usées industrielles fortement chargées en métaux lourds. L’objectif essentiel était alors la récupération des métaux plutôt que l’épuration de l’effluent. Les limites sont bien sure liées, d’une part à la solubilité des composés métalliques formés et, d’autre part à la récupérabilité de ces composés. a – 1 –Précipitation aux hydroxydes : Les métaux concernés : Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Sn, Zn. La méthode de précipitation souvent utilisée consiste à précipiter les métaux sous forme d'hydroxydes métalliques très peu solubles selon la réaction générale : Les métaux lourds sont généralement dissous dans des conditions acides et précipités dans des conditions alcalines, mais à des pH très élevés, les hydroxydes métalliques se comportent comme des acides et se dissocient en ions MOH- . Ceci se traduit, pour ces métaux, par des gammes optimales de pH qui peuvent différer assez fortement d’un métal à l’autre (Figure 2). Figure 2 : variation de la solubilité de quelques métaux lourds en fonction du pH 6 La procédure habituelle consiste à ajouter des agents de précipitation tels que la chaux (CaO ou Ca (OH) 2), Mg(OH) 2, NaOH, KOH ou NH4OH. La chaux reste la moins couteuse et produit généralement des précipités plus compacts et donc facile à récupérer. Certains Hydroxydes de métaux lourds, tels que les hydroxydes de uploads/Geographie/ chapitre-7 1 .pdf