Traitement à haute pression et haute température de déchets de métaux lourds vers de nouveaux matériaux stables, High pressure and high temperature treatment of heavy metal waste, towards new stable materials
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Thèse soutenue le 08 octobre 2009: Paris Est
Les REFIOM (Résidus d'Epuration des Fumées d'Incinération des Ordures Ménagères) issus de l'incération des déchets ménagers contiennent des métaux lourds comme le plomb ou le cadmium et sont en France uniquement stockés en centre d'enfouissement technique de classe 1 pour dangereux, en étant stabilisés par une vitrification. Afin de trouver des solutions pour le stockage ou la valorisation à long terme des REFIOM sans danger pour l'environnement, nous avons ciblé les vitrocéramiques et les céramiques frittées à hautes températures et hautes pressions. Nous avons utilisé des méthodes de la minéralogie physique par l'intermédiaire de synthèses à hautes températures, de synthèses à hautes températures et à hautes pressions en autoclave à chauffage externe, d'observations en microscopie électronique à balayage, de microanalyses chimiques EDX (Energy Dispersive X-Ray spectrometry), d'analyses en microsondes, de caractérisation structurale par diffraction de rayons X et d'expériences de lixiviation dynamique. Nous avons mis au point des protocoles de synthèses et d'analyses. Par ce biais, nous constatons pour les vitrocéramiques que le plomb ou le cadmium sont incorporés dans des cristallites et dans des nouvelles phases cristallines, eux-mêmes englobés dans une matrice vitreuse. Cette voie dite double barrière (cristaux + verre) semble prometteuses pour l'immobilisation du plomb et du cadmium (au regard des analyses EDX et des expériences de lixiviation). Pour les céramiques frittées, comme pour les SYNROC (SYNthetic ROCk) synthétisées pour les déchets nucléaires, de nouvelles phases cristallines incorporant Pb et Cd sont observées et seraient a priori résistantes pour le stockage de ces éléments toxiques. Dans ces deux cas de nouveaux matériaux capables d'incorporer massivement du plomb et du cadmium ont été mis en évidence. Des tests de durabilité permettront d'envisager une valorisation éventuelle de tels matériaux
-Déchets ménagers
-Refiom
-Cadmium
-Plomb
-Valorisation
-Immobilisation
-Vitrocéramiques
-Hautes pressions
-Hautes températures
-Lixiviation
MSWI 5Municipal Solide Waste Incinerator) fly ashes from the incineration of domestic waste contain heavy metals such as lead or cadmium. In France, these fly ashes are only stored under vitrified forms in class-1 type landfills for hazardous waste. In order to find solutions for long-term storage or valorization of the MSWI fly ashes, we studied glass-ceramics and sintered ceramics at high pressures and/or hight temperature. We used methods of mineral physics to : synthetize at high temperature, synthetize at higt temperature and high pressure using autoclaves with external heating system, observe by electron microcopy, make EDX (Energy Dispersive X-Ray spectrometry) chemical microanalysis, make microprobe analysis, structurally characterize and perform leaching test. We established experimental protocols for the synthesis and analysis of produced materials. For glass-ceramics, we observe that lead and cadmium are incorporated inside expected crystallites and new crystal phases, themselves embedded by a glassy matrix. This so-called double barrier (crystals + glass) is a promising way towards a substainable of lead and cadmium (after EDX analysis and leaching experiements). For sintered ceramics, as for the SYNROC (SYNthetic ROCk) with nuclear waste, new crystal phases incorporating Pb and Cd are found and might display a high resistant for the storage of these toxic elements. In both cases, new materials incorporating large amounts of lead and cadmium were formed. Durability tests may give new ways for a valorization of such materials
-Domestic waste
-MSWI fly ashes
-Cadmium
-Lead
-Valorization
-Immobilization
-Glass-ceramics
-High pressures
-High temperatures
-Leaching tests
Source: http://www.theses.fr/2009PEST1063/document
Reims),TH?SEnouvDEADOCTORAPr.Tvpd?courtobteniPrGobain),levgradeth?sedelourds,DocteurDirecteurde(UPEl'UnivCLEAersitePr.PGillARIS-ESTatricMarne-la-VM.all?eDr.SpML?cialit??rature:deG?omat?riauxerspr?par?emat?riauxauth?se:LabUTRoratoireV)deshelG?omat?riaux(MinesetRappG?ologieYU-ZHANGdeorteurl'Ing?nieurQUEREL(G2I)M.dansTETEleIncadreCASASdeInl'?colteONDoDirecteurctoraletempMat?riauxdeOuvrageshetsDurabilit?m?tauxEnvvironnemendeteauxStrstablesudectLaurenuGArONesML(MJuryODES,Jean-MicEDLE430)C'Hpr?sendet?earis),etorteursoutKuie(Univ.nRappueDr.publiquemenest(St.parExaminateurAur?liePKARNISk8(Nooergie-SUEZ),ctobrevit?2009Jos?Titre:(NoTergie-SUEZ),raitemenvit?tLauren?GhauteUTRpression(UPEetV),haudete
tel-00551293, version 1 - 3 Jan 2011ii
tel-00551293, version 1 - 3 Jan 2011DubrailRemerciemenremercietstiensTh?sevpr?par?e223.auauxlabtillons,oratoireB?n?dicte,G?omat??riauor?xpetduG?ologiedudelabl'Ing?-ainsinieur.(G2I),p5onnebousoulevdeardoratoireDeasccartgr?esl774pr?cieuses54memMarne-la-Vermettenall?ebCesentaul,roiplussaideann?esMedepth?ser?gnaitm'oncettetrenconapprisdes?norm?mxtenabricetl'ENSdetillessecenhoses,clatantrouvt?surtempslrancineelabplanyprofessionnelmin?ralisationqueoursurdlequiplandepdansersonnel.amLeslespautreersonnesLouis,quiKarimm'onJettenourtour?pleinsetcquecj'aiAoulapasumeurrenconletr?coursduran,tvceetsvann?eshercsonoratoirestrieurs.premercierourdubG?ologieeaucoupPdanslalatr?ussitepreuvdeformancehniquestraesvexterneail,tetejeconsacrervemploioudraisharg?.lestenetrMarietePierremercier.deJ'aimeraisourremerciersurLaurenctqueGautroniiiquibresm'auaccompagn?odanspcetprotrajetaillerenunetanonnetbiancequequedirecteurth?sards,detreth?se,:etPierre-quiJean-PaAli,su.guider.monsaluetraparticuli?remenvJulienail.pJesonremerciesurMicdeheletitesMadonhoses.prourisonSabrinaaccueildattedansourleblabhoratoirequidesdansg?omat?riaux.bureauMerciAu?deSt?phanieth?seRossanonpaouronssatr?pincecollab?abecoutscplatineheurs.labMercei??JeMartine?TFarridaBrunetplabourdesesdepr?tsdedearis,creusetsourengenplatine,donetil?faitRossanaeCommebtestecpd'autoourvl'utilisation?duhauageMEBE.enMercian?toujoursGilltesmpsCatillonmepmaloursontousdulescpJeetits?galemenservicesFrenduCarrotetCmerciarisseaussidu?oratoireVS?eal?rieCEAMalaSaclavpergnelesprecommandationsourlasond'?aide.hanJ'aimeraisainsisaluerptousleslesautres
tel-00551293, version 1 - 3 Jan 2011tr?sanalysesquiICP-MS.particulierMerciet?quel'incin?rateurj'aiNocesvgrand-m?reergie-SuezsciencesdeetSainett-ThibaultcedesetVignesainsipgrandeourre,leurr?ussicollabuneoration.Marne-Mercitr?s?bSt?phannanarBorenstaourjnsaluerpfaiourpr?sensondistancesaeauxvaoir-fairevsuralessuismicroscopvesc?lectroniquesctionnaitquiournous?atpquiermisomend'obtenirtedeunb?lonnesivanalysesfaireet?photo-jet.graphies,mamanainsiencourag?equecettesa?patienceduranpmalgr?ours?paranfairemesdests,cartographies.EtMerceciqueaussiciter?quiYl'ann?easminaquiHabaouiauraitdedel'?colequedesfaireMinedanssadeaucoup.eens?ePlesarisrenconpersit?ourall?ela8diractionvdepass?raonsy:onsuneXetetcuisini?re,sonduaidekpourourm?morables.cquehercduherplemenersbienmin?rauxprocorrespJ'aimeraisondanmatSylvieauxm'apics.?Mercire?galementh?setqui??t?R?miteLotsann?esnoladunousLISAt,pqueourbsesparenanalyseNathaliesDaniel.dec'estlixiviats.vJeunetiens?motion?jed?dieroudraiscettemath?seMauricette?nousmonquitt?mariderni?JeanetB?guec,jequis?rem'a?t?souten?reusatoutoirauj'ailong?dequelqueceshosetroislesann?esqu'ellem?meedansblesEnn,momenptspdetousdoutamisej'aietr?stl'univquiden'ala-Vpasdurancess?cesdeann?es,croireaenecmoij'aietdeenbmonmtrtsaenvBelindaail.excellenJeamievtr?soudraisonnesaluerF?rieltoutamoureuxparticuli?remencanard,tMicsonaaideppr?cieusesesdansdsleschoix
tel-00551293, version 1 - 3 Jan 2011leR?sum?deLesXRECadmium,FIOMoie(R?sidusded'Epuration?vidence.dth?sesesnouvFl'immobilisationum?esSYNRd'Incin?ration?esdesincorpOrduresenM?nag?res)tempissusnousdeincorpl'iancin?ration+desmd?courhetsourm?nagterspcondeuxtiennenettermettrondes?sm?tauxulourdslcommearlelesplomlebcristallitesoueux-m?meslematricecadmiumdoubleetblesonettregarden?riencesFcommeranceOCk)uniquemenctcristallinesstoCdcakc?stoeneauxcenttretd'enfouissemenetunetecmat?riaux.hniqueM?nagers,dealorisation,classeTitanite,1vpdeourd'analyses.dangereux,benp?tanc?ramiquestbstabilis?ssonpardansunedansvitrication.phasesAn?sdestrouvCetteerdedessolutionserre)ppourplomlecastoumcanalyseskdesagelixiviation).ouc?ramiqueslaourv(SYNtheticalorisationth?tis?es?dlongntermeellesdoeestREFIOMseraiensansr?sistandangerlepaour?l?menl'enDansvironnemendet,capablesnousmassivaplomvcadmiumonsmiscibl?testslesurabilit?vitrod'enc?alorisationramiquesdeetclesD?cc?ramiquesIOfritt?esb,?VitrohZirconolite,apressions,uLixiviation.tescotempes?raturessynetethautesPpressions.ceNousiais,aconstatonsvouronsvitroutilis?quedesplomm?-outhocadmiumdestdeor?sladesmin?ralogieetphdesysiqueellesparcristallines,l'inenglobterm?diaireddensynuneth?sesvitreuse.?vhautesditetemp?ratures,barri?rede(cristauxsynvth?sessem?prometteusehautesourtempdu?raturesbetdu?dhautesipressi(auodesnEDsetenexpautodeclaPvlesefritt?es,?pcleshauageOCex-Rterne,synd'observpationslesen?microhetssucl?aires,cnouvopphasesieincorp?lectroniqueran?Pbbalatysonage,observdeetmicrotanprioriateslourystoseskcgehimiquescesEDtsXxiques.(EnergycesDispcasersivnouvemat?riauxX-Rad'yorerspemenectrometry),dud'analysesbendumicrosonde,onde?t?caract?risa-entionDesstructuraledparddiractionpdetravisageryvons?vXtuelleettelsd'Motsexlp:?rienceshetsdeREFlixiviationM,dynamique.PlomNousVaImmobilisation,vc?ramiqonses,misDiopside,auHautespHautesoin?ratures,tdesproto
tel-00551293, version 1 - 3 Jan 2011bleAbstractDomesticaHighobservpremessurtseandandphases,highnabletempwithertoaturneweHtorroratedeaatmentwofXheasavyphasesmetalhighwaste,othtowarmed.dsofnewVstabletests.materials.ducedsMSWIand(MunicrystallitescipalbSolideso-calledWglass)astewIncinerator)cadmiuyhingashesorleftOCfromaste,theandincinerationtofthedo-menmesticincorpwcadmiumastemaconfortainKeyheayvyGlass-ceramics,metalstempsucsynhofasterials.leadiorwcadmium.thatInareFexprance,newtheseesybashesmatrix.areoonly(crystalsstoredaunderyvitriedaformsleadin(afterclass-1andteypts).eteredlandllstheforRhazardousuclearwewaste.oratingInareorderdtoyndtsolutionsofforellong-termInstorageneworlargevleadalorizationereofythegivMSWIayvashes,hwordseaste,studiedCadmium,gImmobili-lDiopside,apressures,sLeacs-ceravimicsthesisandanalysissproinma-teredFceramicsglass-ceramatchigh,pressureseaenleadd/orcadmiumhighincorptempinsideera-ectedtures.andWcrystalethemselvusedemmethoeddeddsyofglassymineralThisphdysicsutobarrier:+synisthetizepromisingatahightotempardserature,substai-synofthetizeandatmhighEDtempanalysiseratureleacandexphriighenpressureFusingsinautoceramics,claforvSYNRes(SYNtheticwithOCk)externalnheatingwsystem,nob-crystalservincorpePbbCdyfoundelectronnmicromighcopdisplaya,resistanmakforestorageEtheseDxicXe(Energyts.Dispbersivcases,ematerialsX-Raoratingyamounspofecandtrometry)wcfor-hemicalDurabilitmicroanalysis,testsmakyeemicroprobweysanalysis,astructurallyalorizationcsucharacterizematerials.andwp:erformwleacMSWIhashes,ingLead,test.alorization,Wzation,eZirconolite,establishedTitanite,expigherimenHightaleratures,protohingcolsforthe
tel-00551293, version 1 - 3 Jan 2011.T.able.des.mati?res.T.able.des.mati?resvii.29.......................xiques...41...........50.................b..vii.T.ableImmobilisationdesdegures..............1.2.......Vitro...............Mineraux.........Le...............Lexi.ii.Liste.des.tableaux......33.ts.1.t.............V...............................44......xix.In.tro.duction.3Cimen1.Con.texte.en.vironnemen.tal.11.153Situation.global.e.des.d?c.hets.m?nage.r.s57.2.1.cadmium.............................2.211Plom1.1.G?n?ralit?s............................2.d'?l?men.to.41.Matrices.Connemen..................11.1.2.T.raitemen.ts1.1deserresd?c.hets.m?nagers..........................41.C?ramiques....18.1.3.L'incin?ration....................1.3.c?ramiques...........................1.4.ts..22.2.M?taux.l.our.ds.cibl?s................2....................................29
tel-00551293, version 1 - 3 Jan 2011caract?risationT.ABLE.DES.MAtationTI?RES.2.1.A.v.an.t-propTos.sur.le.calcium....caract?risation.............d'ima...1...........07....57.2.2.Zirconolite..............Microsonde.....3.4.......des.........Pr?sen.......Etudes.......ph...de60.2.3REFIOMDiopside......................Conclusion.........TI?RES...86.............raitemen..........63.2.44Titanite?tudi?s.brut...............101...............101.t?rieures.............M?tho.d.REFIOM...1.4.himique65REFIOM3.M?tho118des.exp.?rimen.tales.69.1.Analyses.c.himiques2.1...............2.2.............124.................127.DES......69.1.13.3Mineralisation?lectronique.....................90.T.t.ges.......................95.Caract?risation69REFIOM1.2101SpREFIOMectrom?trie.de.masse.coupl?e.?.un.plasma.inductif.(ICP-MS).71.2.Syn.th?ses.?.h.a.u1.1tetations.pressions.et/ou.?.hautes.temp.?ratures...............731.22.1anV.erres.et.vitro.c?ramiques................1.1.3.des.ysiques.e.du.......112.M?tho.c.de73du2.2.C?ramiques.fritt?es.?.hautes2pressionsPSRet.temp.?ratures.........77.3.M?tho.des.d'analyses.des.?c.han.tillons121synPr?senth?tis?s.........................80.3.1121MicroscopCaract?risatione.El.ectronique.?.Bala.y.age.(MEB)............3........80.3.2.La.Diraction.des.Ra.y.ons.X.(DRX)........viii.ABLE.MA..
tel-00551293, version 1 - 3 Jan 2011.T.ABLE.DES.MA.TI?RESen5.Vitro.c?ramiques.?.basetsde.zirconolite?131.1.M?tho.dologie2.1.exp.cadmium.................1.1...tillons...au...tillons.....175...ses.............?...ix131.1.1164Etude169an.t?rieure............169.......c?ramique.......ses.............s.....3.1.tillons131.1.2.Ecexphan.tillons.t?moins188.......c?ramique.....201.han.....ABLE.........Vitro.de.M?tho........
