La méthode classique de mesure des concentrations

LA MÉTHODE CLASSIQUE DE MESURE DES CONCENTRATIONS

LE TRAITEMENT DE LA BAUXITE PAR LE PROCÉDÉ BAYER

La première étape du traitement de la bauxite introduit déjà le procédé Bayer. Imaginé en 1887 par l’Allemand Karl Josef Bayer, le procédé Bayer est le traitement de la bauxite par une solution très caustique d’hydroxyde de sodium, la « liqueur Bayer », pour en extraire l’alumine. On peut décortiquer ce procédé en cinq étapes.

LA SÉPARATION SOLIDE-LIQUIDE: Ensuite, la pulpe d’extraction (résultat de la digestion) est diluée à la sortie de l’attaque afin d’en faciliter la décantation, l’étape suivante. Elle a pour objectif de séparer les deux phases de la pulpe : la liqueur contenant l’aluminate de soude et les boues appauvries en alumine. La bauxite est constituée de différents matériaux, dont des composés organiques, oxydes de fer, sable, et autres impuretés. Tous ces éléments doivent être écartés de la partie liquide. Cette séparation se fait par décantation (décantation favorisée par des additifs chimiques) alors que les particules solides se déposent au fond des réservoirs de décantation (de plusieurs dizaines de mètres de diamètre). Ensuite, la boue résiduelle est pompée vers le circuit de lavage à contre-courant, où elle sera lavée et transformée en déchet non toxique pour entreposage en milieu naturel. On aura pris soin d’en extraire le caustique et l’aluminate de soude qu’elle transportait pour le réintroduire dans le procédé principal et réduire les pertes. De son côté, la liqueur surnageante des bassins de décantation et contenant l’aluminate de sodium est ensuite dirigée vers l’étape suivante, la précipitation, après une dernière filtration. Le filtrat est appelé liqueur mère et passe à l’étape de la précipitation pour livrer l’hydrate alumine recherché.

L’ATTAQUE: L’attaque (ou digestion) est la deuxième étape du procédé. Au préalable, de la chaux est ajoutée à la pulpe (mélange de la liqueur et de la bauxite broyée), à la fois dans le but de faciliter la précipitation du phosphate extrait de la bauxite et diminuer le taux de précipitation de l’hydrate d’alumine durant la séparation solide-liquide.
La pulpe est préchauffée et envoyée durant plusieurs heures dans des autoclaves, de grands réacteurs pouvant supporter la pression requise de 310 kPa et une température supérieure à 140°C (pour la variété de bauxite utilisée par Rio Tinto Alcan). Les conditions d’opération de ces autoclaves dépendent cependant du type de bauxite qui est utilisé au départ. Une bauxite hydrargillitique peut s’attaquer à pression atmosphérique tandis que quelques dizaines de bars et plus de 250 °C sont nécessaires pour solubiliser l’alumine présente dans une bauxite diasporique. Deux phénomènes prennent alors place. D’une part, l’alumine contenue dans la bauxite se solubilise dans la liqueur sous forme d’aluminate de soude, et d’autre part des résidus solides seront transportés à l’étape suivante et constitueront plus tard les boues rouges. Toujours durant l’attaque, certains composés se déposent sous forme de tartre insoluble et rendent nécessaire un entretien régulier des autoclaves d’attaque. C’est d’ailleurs l’une des contraintes qu’il faudra garder à l’esprit lors des présents travaux. Ce tartre finit par recouvrir toutes les surfaces avec lesquelles la liqueur est en contact, que ce soit les autoclaves, les bassins ou les conduits.

LA SÉPARATION SOLIDE-LIQUIDE: Ensuite, la pulpe d’extraction (résultat de la digestion) est diluée à la sortie de l’attaque afin d’en faciliter la décantation, l’étape suivante. Elle a pour objectif de séparer les deux phases de la pulpe : la liqueur contenant l’aluminate de soude et les boues appauvries en alumine. La bauxite est constituée de différents matériaux, dont des composés organiques, oxydes de fer, sable, et autres impuretés. Tous ces éléments doivent être écartés de la partie liquide. Cette séparation se fait par décantation (décantation favorisée par des additifs chimiques) alors que les particules solides se déposent au fond des réservoirs de décantation (de plusieurs dizaines de mètres de diamètre). Ensuite, la boue résiduelle est pompée vers le circuit de lavage à contre-courant, où elle sera lavée et transformée en déchet non toxique pour entreposage en milieu naturel. On aura pris soin d’en extraire le caustique et l’aluminate de soude qu’elle transportait pour le réintroduire dans le procédé principal et réduire les pertes. De son côté, la liqueur surnageante des bassins de décantation et contenant l’aluminate de sodium est ensuite dirigée vers l’étape suivante, la précipitation, après une dernière filtration. Le filtrat est appelé liqueur mère et passe à l’étape de la précipitation pour livrer l’hydrate alumine recherché.

LA PRÉCIPITATION: La précipitation marque en usine le début du « côté blanc », qui verra apparaître la poudre d’alumine. Suite à l’étape de l’attaque, la liqueur est refroidie lentement et diluée avec l’eau de lavage des boues, puis envoyée dans d’immenses bacs agités successifs.
L’hydrate d’alumine précipite alors lentement de bac en bac au fur et à mesure que la température diminue. Les grains d’hydrate sont maintenus en suspension par l’agitation pour éviter qu’ils décantent vers le fond. Cette cristallisation de l’hydrate est un processus complexe qui nécessite plusieurs heures. Aussi, pour aider l’amorçage des cristaux, une grande fraction de l’hydrate récupéré lors de la filtration future sera recyclée pour servir de substrat à la nouvelle cristallisation. C’est à la sortie du dernier bac que la liqueur est filtrée pour amasser tout l’hydrate précipité et diriger la fraction non recyclée vers la dernière étape du procédé Bayer, la calcination. La liqueur appauvrie en alumine, elle, est retournée vers la première étape du procédé où elle sera à nouveau enrichie en soude et en chaux pour attaquer à nouveau la bauxite brute.

LA CALCINATION: Lors de la calcination, l’hydrate d’alumine est chauffé à plus de 1000 °C. Une nouvelle réaction le transformera alors en alumine alpha, en dégageant beaucoup de vapeur d’eau (toute molécule d’eau sera alors séparée de Palumine). Des alumines « de transition » sont également créées durant la calcination. Ce sont des composés chimiques entre l’hydrate d’alumine et l’alumine alpha, dont la production peut être contrôlée par les conditions de calcination. Le résultat de cette calcination (et de tout le procédé Bayer) se présentera sous la forme d’agglomérats de cristallites d’alumine alpha dont la taille varie typiquement de 0,5 à 10 |xm. Cette poudre blanchâtre entre dans la fabrication de plusieurs sous-produits dont le plus connu est l’aluminium. Sinon, en poussant le chauffage à près de 2000 °C on peut produire de l’alumine tabulaire qui peut servir à la fabrication de certains réfractaires particuliers, et la fusion de l’alumine au-delà de 2050 °C mène à la production du corindon et du saphir.

LA FABRICATION DE L’ALUMINIUM

À l’heure actuelle, environ 90% de toute l’alumine produite dans le monde est destinée à la fabrication de l’aluminium. C’est précisément la raison d’être des alumineries du Saguenay-Lac-Saint-Jean, car la transformation de l’alumine en aluminium demande de grandes quantités d’énergie. Le potentiel hydroélectrique de cette région contribue grandement aux activités de l’industrie de l’aluminium.
C’est le procédé Hall-Héroult qui intervient à cette étape. Pour extraire l’aluminium, on procède à l’électrolyse de l’alumine dans des bains de cryolithe fondue, des sels fluorés portés à 950 °C. Ces bains en séries (les cuves) sont continuellement parcourus par de forts courants électriques, alors que l’alumine alpha y est dissoute. L’électrolyse produite sépare donc l’aluminium de l’oxygène pour produire du CO2 en consommant le carbone de l’anode.
L’aluminium liquide décante au fond de la cuve en raison de sa densité plus élevée que celle de la cryolithe.
À intervalles réguliers, l’aluminium est extrait des cuves et dirigé vers le centre de coulée où il sera allié à d’autres composés ou métaux selon les besoins de l’utilisateur. Il est ensuite refroidi dans des moules pour en faire les lingots, plaques ou billettes qui seront livrées aux industries de transformation.

LES CARACTÉRISTIQUES DE LA LIQUEUR BAYER DANS SES CONDITIONS D’OPÉRATION

La liqueur Bayer n’est pas une solution simple à manipuler. Pour être efficace lors de la digestion, elle doit être soumise à des pressions de plusieurs atmosphères et des températures dépassant parfois les 200 °C. En laboratoire, il est difficile de reproduire ces conditions, surtout s’il faut interagir avec la liqueur en même temps. Il sera néanmoins crucial de savoir dans quelle mesure ces facteurs pourraient influencer les valeurs mesurées et de chercher la meilleure simulation possible du milieu industriel.
Durant les diverses étapes du procédé, la liqueur Bayer transporte une plus ou moins grande quantité d’impuretés et de résidus organiques provenant de la bauxite à peine digérée, ce qui occasionne continuellement de l’entartrage sur les parois des contenants et conduits avec lesquels elle est en contact. Ce phénomène doit être considéré parmi les contraintes d’opération de tout appareil placé en contact avec la liqueur. Toutes les méthodes envisagées dans le projet actuel devront tenir compte de cet inconvénient et éviter ses conséquences sur la fiabilité du fonctionnement des appareils utilisés.
De plus, à température ambiante, la liqueur Bayer est instable. Certains solutés précipitent continuellement, ce qui modifie assurément la composition du liquide résiduel.
Toute mesure faite sur le liquide peut perdre ainsi de sa précision. Lors des travaux en laboratoire et afin de prévenir et surveiller cette instabilité, un technicien de Rio Tinto Alcan a effectué des analyses de concentration sur quelques échantillons de liqueur synthétique pour vérifier si leur composition pouvait changer de façon à altérer les résultats. Ces analyses ont démontré que tel est le cas et que toute mesure désirée devra se faire après s’être assuré que la composition de la liqueur étudiée est bien celle désirée. La solution la plus sûre à ce problème est de préparer chaque solution juste avant de procéder aux mesures, ce qui sera fait tant que possible pour toutes les mesures à effectuer.

LA RÉSENCE DE CARBONATE DANS LA LIQUEUR BAYER

Tout au long du procédé, le caustique réagit dans une certaine proportion avec le gaz carbonique de l’air et le carbone organique de la bauxite pour former du carbonate (Na2CO3). Cette espèce est nuisible au procédé en réduisant la causticité (proportion de sodium pouvant attaquer et dissoudre la bauxite) et la solubilité de la gibbsite dans la liqueur. Puisqu’un aspect du procédé Bayer implique le recyclage de la liqueur usée en fin de cycle, le carbonate est neutralisé avec de la chaux hydratée ( Ca(0H)2 ) pour réduire sa concentration. La valeur de sa concentration doit donc être connue, à la fois pour savoir dans quelle proportion ajouter la chaux lors du recyclage de la liqueur et pour surveiller les conditions d’opérations du procédé dans son ensemble.

LA MÉTHODE CLASSIQUE DE MESURE DES CONCENTRATIONS

Actuellement en usine, les concentrations des trois constituants surveillés dans la liqueur Bayer sont déterminées à l’aide de diverses méthodes de différentes natures.
Le caustique donne à la liqueur Bayer sa grande réactivité avec la bauxite pour en extraire et dissoudre les molécules recherchées. Il faut cependant de très grandes quantités de caustique (une très forte concentration dans un grand volume de solution) pour optimiser le procédé, qui se fait d’ailleurs à grande échelle. À la fois, il faut réduire l’utilisation de produits chimiques aux quantités nécessaires (pour des raisons économiques et environnementales) et maintenir la concentration dans un domaine optimal; une concentration trop faible pourrait rendre moins efficace l’attaque de la bauxite. Vu l’excellente solubilité du NaOH dans l’eau, la quantité requise est simplement dictée par la quantité de bauxite à attaquer. Les concentrations manipulées, dans les diverses étapes du procédé, varient de 150 à 350 « g/1 équivalent carbonate ». À la fin du cycle, alors que l’alumine a été extraite de la solution (lors de la précipitation), la liqueur restante est séparée des résidus par décantation et est ensuite réutilisée en début de cycle. Il faut alors réinjecter du caustique dans les bonnes proportions. C’est donc une étape parmi d’autres où la mesure des concentrations est nécessaire pour bien doser la recette.

Table des matières

CHAPITRE 1:INTRODUCTION 
1.1 LE PROJET
1.2 LA PROBLÉMATIQUE
1.3 LES OBJECTIFS DU PROJET
CHAPITRE 2 :LE PROCÉDÉ BAYER 
2.1 LA MATIÈRE PREMIÈRE
2.2 LE TRAITEMENT DE LA BAUXITE PAR LE PROCÉDÉ BAYER
2.2.1 LE BROYAGE MÉCANIQUE
2.2.2 L’ATTAQUE
2.2.3 LA SÉPARATION SOLIDE-LIQUIDE
2.2.4 LA PRÉCIPITATION
2.2.5 LA CALCINATION
2.3 LA FABRICATION DE L’ALUMINIUM
2.4 LES CARACTÉRISTIQUES DE LA LIQUEUR BAYER DANS SES CONDITIONS D’OPÉRATION
2.5 LA RÉSENCE DE CARBONATE DANS LA LIQUEUR BAYER
2.6 LA MÉTHODE CLASSIQUE DE MESURE DES CONCENTRATIONS
2.6.1 LA CONVERSION DE LA CONCENTRATION EN CAUSTIQUE EN ÉQUIVALENT CARBONATE
CHAPITRE 3 :BASES THÉORIQUES
3.1 LES PROPRIÉTÉS OPTIQUES EXPLOITÉES
3.2 LA BASE THÉORIQUE
3.2.1 LE PRINCIPE DE HUYGENS
3.2.2 LA RÉFRACTION
3.2.3 LA DISPERSION
3.2.4 L’ABSORPTION DE LA LUMIÈRE
3.2.5 LA MESURE DE L’INDICE DE RÉFRACTION
3.2.6 LE PRINCIPE GÉNÉRAL DE MESURE DE L’ABSORPTION
3.3 L’UTILISATION DE L’OPTIQUE DANS LA DÉTERMINATION DES CONCENTRATIONS D’ESPÈCES EN SOLUTION
CHAPITRE 4 : MÉTHODOLOGIE EXPÉRIMENTALE
4.1 LA CONCEPTION D’UN SPECTRORÉFRACTOMÈTRE
4.1.1 LES PARTICULARITÉS DU SYSTÈME OPTIQUE
4.1.2 LE TRAITEMENT D’IMAGES
4.1.3 L’ÉTALONNAGE DE L’APPAREIL
4.2 LE PROGRAMME DE MESURES
4.2.1 LA PRÉPARATION DES SOLUTIONS
4.2.2 LES MANIPULATIONS
4.2.2.1 LES MESURES D’ABSORBANCE
4.2.2.2 LES MESURES D’INDICE DE RÉFRACTION
4.2.3 LE MODÈLE QUADRATIQUE DE LA LIQUEUR BAYER
4.2.4 LE CALCUL DES CONCENTRATIONS PAR INVERSION DU MODÈLE
CHAPITRE 5 :RESULTATS ET DISCUSSION
5.1 LES RESULTATS ET L’IDENTIFICATION DES PREDICTEURS
5.2 LES ÉQUATIONS DU SECOND DEGRÉ DÉFINISSANT LES CORRÉLATIONS ENTRE PREDICTEURS ET CONCENTRATIONS
5.2.1 LA MOYENNE DE L’ABSORBANCE DANS L’ULTRAVIOLET
5.2.2 LA DÉRIVÉE SECONDE DE L’ABSORBANCE DANS L’ULTRAVIOLET
5.2.3 L’ABSORBANCE DANS L’INFRAROUGE
5.2.4 L’INDICE DE RÉFRACTION MOYEN
5.2.5 LA DISPERSION LINÉARISÉE
5.3 LA VALIDATION DU MODÈLE
CHAPITRE 6 :CONCLUSION

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