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Chapitre I: Situation du problème et généralités sur les milieux granulaires, l

Chapitre I: Situation du problème et généralités sur les milieux granulaires, les phosphates et leurs procédés de traitement 8 La revue bibliographique que nous nous sommes proposés de mener permet d’établir un état de l’art. Elle concerne un aperçu de l’une des étapes clé de la mise en forme des phosphates, tel que le traitement thermique par calcination et par mélange à chaud dans des conditions spécifiques. Ces derniers consistent des opérations unitaires au cours de laquelle le milieu va être se déshydrater, se griller de la matière organique et des carbonates avec libération d’autres impuretés inutiles. A l’issue de ces opérations, les particules vont avoir subies une modification des propriétés thermo-hydro-chimio-mécaniques (THCM) des entités constitutives. Ces propriétés vont aussi évoluer tant à l’échelle des particules qu’à celle du milieu dans sa globalité, ainsi qu’à l’échelle industrielle. Ce sont ces différents aspects que nous nous proposons donc d’analyser et de développer dans les paragraphes suivants. Ce première chapitre, à pour but aussi de poser les problématiques associées aux phosphates lors de sa valorisation. Elle s’appuie aussi sur les études les plus récentes dans le domaine dont la lecture critique a permis de dégager les principaux arguments sur lesquels nous nous appuyons notre approche méthodologique pour la formulation des phosphates comme milieux granulaires. I. 5- généralités sue les apatites sédimentaires; I. 5. 1- Origine et nature des sédiments; La grande partie des sédiments est marine. Ils proviennent de la désagrégation des continents, y compris les dépôts formés à partir des restes des êtres vivants. Les sédiments se présentent presque toujours sous la forme de boues gorgées d'eau. Pour devenir des roches cohérentes ils doivent subir une suite de transformations, dite «diagenèse». Les sédiments ont deux origines: endogène ou exogène. - L'origine endogène de la sédimentation provient de la production autochtone du milieu. Cette production primaire engendre des débris de macrophytes (plantes aquatiques, cadavres de microphytes et d'animaux). - L'origine exogène où les sédiments sont issus du ruissellement des fleuves, des effluents ou de l'atmosphère. Cet apport peut être d'origine naturelle (érosion des sols, décomposition de la matière végétale), ou anthropique (apports de matière en suspension, de matières organiques, de nutriments ou de micro-polluants en raison des rejets agricoles, industriels et domestiques) [53]. I. 5. 2- Caractéristiques géochimiques et minérales des sédiments; Chapitre I: Situation du problème et généralités sur les milieux granulaires, les phosphates et leurs procédés de traitement 9 Les principaux minéraux constituant la matrice du sédiment sont les phosphates, le quartz, le feldspath, les carbonates et les argiles (dont les trois principales formes sont la kaolinite, l’illite et la smectite). La fraction organique se présente sous des formes très variées: débris de végétaux, de micro-organismes, des colloïdes humiques,… [55 - 57]. Lors de la sédimentation, un grand nombre de polluants peuvent être entraînés. Ces polluants sont peu solubles dans l’eau dans les conditions normales, et prédominent dans les matières en suspension et dans les sédiments qui deviennent par la suite des réserves de composés toxiques. Les processus majeurs d’accumulation des polluants dans les sédiments sont: adsorption sur les solides fins, précipitation des composés métalliques, co-précipitation des métaux sur des oxydes métalliques, complexation avec des composés organiques, diffusion dans les réseaux cristallins tels que les carbonates [58]. D’une manière générale, on distingue classiquement deux familles de polluants accumulés dans les sédiments: les métaux lourds et les matières organiques toxiques [59]. Ces constituants minéraux, organiques et polluants ont été étudiés par divers auteurs [60 – 73]. I. 6- Les Apatites des phosphates Les apatites sont des minéraux de formule générale: Me10(XO4)6Y2; «Me = Ca2+, Ba2+, Pb2+, …» représente le plus souvent un cation divalent, «XO4» un groupement trivalent (X = P, V, Si) et Y = F-, Cl-, HO-, …un anion monovalent, ils permettent l’incorporation d’un grand nombre d’éléments au sein de sa structure cristalline. Il découle d'après la formule théorique de l'apatite que le rapport idéal Me/XO4 vaut 1,667. En chimie du solide, ce rapport permet de définir la famille des apatites. La valeur des paramètres de maille, la position des ions, leur répartition entre les sites, la déformation des angles et des longueurs de liaison sont bien évidemment reliées à la nature des ions de substitution: rayon ionique, charge, polarisabilité, électronégativité, ... etc. Les grandeurs thermodynamiques comme la solubilité, l'enthalpie de formation vont, elles aussi, dépendent de ces substitutions [74]. Le tableau I. 2 donne un aperçu non exhaustif des différentes substitutions pouvant être relevées sur les sites Me, XO4 et Y. Chapitre I: Situation du problème et généralités sur les milieux granulaires, les phosphates et leurs procédés de traitement 10 Me XO4 Y Ca2+ Cd2+ Sr2+ Ba2+ Pb2+ ... PO4 3- AsO4 3- VO4 3- MnO4 3- ... … OH- F- Cl- Br- I- ... Tableau I. 2: Exemples non exhaustifs de substitutions dans la structure des apatites La famille de phosphates est importante par le grand nombre de composés qu’elle comporte et par leur influence dans la nature et dans le milieu vivant. L’apatite est la forme la plus stable et la plus insoluble de tous les phosphates de calcium, c’est d’ailleurs celle qui subsiste dans la nature que ce soit dans les phosphates sédimentaires ou biologiques (os et dents). Les phosphates forment une famille de composés chimiques de structures et de compositions variables. Ils peuvent apparaître sous différentes formes: phosphate tricalcique (Ca3(PO4)2), phosphate bicalcique (Ca2H2(PO4)2) qui sont insolubles dans l’eau et le phosphate monocalcique (CaH4(PO4)2) qui est soluble dans l’eau. Il est donc nécessaire de développer des recherches scientifiques sur des apatites phosphocalciques afin de contribuer à la valorisation des phosphates qui représentent pour le Maroc une source de richesse naturelle d’une grande importance. Il est impératif d'établir des procédures simples pour la caractérisation standard des sources de PN, de définir des standards de qualité pour leur application directe et de les classer. Des sources bien connues de PN peuvent être adoptées comme normes de référence pour la comparaison. Les facteurs les plus importants dans l'évaluation pour une application directe sont: la richesse, l'adaptation à l'enrichissement, et la réactivité de l'apatite. Une matrice complète de caractérisation basée sur l'intégration de toutes les données obtenues par diverses méthodes analytiques met en évidence le potentiel d'enrichissement et les meilleures utilisations probables pour un PN soit dans la production d'engrais soluble, soit comme engrais en application directe. Ils existent dans la nature dans des gisements sous forme de phosphate de calcium de formule chimique simplifiée Ca3(PO4)2 suivant deux origines géologiques connues: - Origine sédimentaire: gisement de phosphate formé, il y a 70 millions d’années dans des lits de sédiments marins par des facteurs climatique, géographique et de courants océaniques (le plus répandu dans le monde: 90%); Chapitre I: Situation du problème et généralités sur les milieux granulaires, les phosphates et leurs procédés de traitement 11 - Origine volcanique, igné ou métamorphique. I. 6. 1. Les phosphates sédimentaires; Les phosphates sédimentaires montrent une substitution isomorphe étendue dans le réseau cristallin. Ils se composent principalement de groupe des apatites ayant une gamme très large de propriétés physiques et des caractéristiques chimiques, cristallographiques et physiques très contrastées, en raison de la diversité des conditions de dépôt des altérations post-dépôt. Ils se trouvent dans des formations d'âge géologique très différent, souvent en couches épaisses relativement horizontales (peu affectées par la tectonique, alpine (atlasique) pour le Maroc), et peuvent être à la base de terrains de recouvrement peu profonds. Ils sont représentés surtout par les pôles fluorapatite - hydroxylée [Ca5(PO4)3(OH,F)] et/ou fluorapatite carbonatée (appelée francolites) [Ca5(PO4,CO3,OH)3(OH,F)] [75]. Avec le temps, dans les fonds marins, les carbonates ont été remplacés par du fluor ce qui a pour effet de rendre le minerai plus stable. Les apatites les plus répandues dans le milieu naturel sont les apatites phosphocalciques fluorées, Ca10(PO4)6F2, base de l'industrie des phosphates. Les gisements qui représentent la majeure partie de la production mondiale de PN sont au Maroc et dans d'autres pays africains, aux Etats-Unis, au Proche Orient et en Chine. Habituellement, les phosphates naturels (PN) est un terme général et une appellation commerciale pour environ 300 phosphates de différentes qualités dans le monde. Il décrit les assemblages minéraux naturels contenant une concentration élevée de minéraux phosphatés. Les PN représentent une des familles de minéraux les plus diversifiées avec plus de 370 espèces minérales naturelles et de très nombreuses espèces de synthèse. Une analyse du P2O5 total d'un minerai potentiel n'est pas un critère sûr pour estimer la teneur en apatite et évaluer un gisement de phosphate [76 – 79]. Le terme se rapporte aussi bien aux minerais phosphatés non enrichis, ayant un intérêt agronomique, qu'aux produits concentrés. Plus le contenu en phosphate (P2O5) sous forme d'apatite est élevé, plus le potentiel économique du minerai est grand. Les facteurs qui sont importants dans la conversion chimique des PN en ces dérivées et en particulier les engrais (carbonates libres, fer (Fe), aluminium (Al), magnésium (Mg) et chlorure) ne sont souvent pas importants quand le PN doit être employé en application directe [80; 81]. La majorité des PN ne sont pas réactifs parce qu'ils contiennent uploads/Geographie/ chapitre-i-synthese-bibliographique.pdf