From cristalochemistry analysis and chromium and vanadium speciation to the modeling of the alteration of Basic Oxygen Furnace (BOF) steel slag
Apport de la cristallochimie et de la spéciation du chrome et du vanadium à la modélisation de l'altération de granulats artificiels (sous-produits d'aciérie)
Résumé
The pig iron conversion into steel generates a large quantity of residue, the Basic Oxygen Furnace steel slag (BOF slag), partially reused as aggregates in civil engineering. The objective of this study is to quantify and to explain the BOF slag leaching behavior (alteration and trace metals (Cr, V) release) by the identification of the molecular mechanisms which control the elements mobility within the solid phase. The experimental study is based on leaching tests (at a laboratory scale with CTG-Leachcrete and at a field-scale with lysimeter) and on X-ray absorption and fluorescence spectroscopies. This approach permits to identify elements speciation at an atomic scale : i.e. their oxidation state, symmetry and bearing phase(s).
Trivalent Cr, very stable in a dicalcium ferrite, is very few released during leaching tests in laboratory and in lysimeter. And a spinel-type phase, obtained from (Fe, Mn, Mg)O alteration, also controls the Cr(III) mobility. On the other hand, V(III) is oxidized to V(V) within its bearing-phase. It explains V release during laboratory tests.
These experimental data allowed to establish the thermodynamic equations describing BOF slag alteration (mineralogical evolution and release curves obtained from static and dynamic leaching tests), which are the basis of geochemical modeling (CHESS). Such model aims at predicting BOF slag long-term behavior.
Trivalent Cr, very stable in a dicalcium ferrite, is very few released during leaching tests in laboratory and in lysimeter. And a spinel-type phase, obtained from (Fe, Mn, Mg)O alteration, also controls the Cr(III) mobility. On the other hand, V(III) is oxidized to V(V) within its bearing-phase. It explains V release during laboratory tests.
These experimental data allowed to establish the thermodynamic equations describing BOF slag alteration (mineralogical evolution and release curves obtained from static and dynamic leaching tests), which are the basis of geochemical modeling (CHESS). Such model aims at predicting BOF slag long-term behavior.
Dans les aciéries, la conversion de la fonte en acier est une opération qui génère des quantités très importantes de déchets : les laitiers d'aciérie de conversion (LAC), qui sont en partie valorisés en tant que granulats en génie civil. Cette thèse vise à quantifier et à expliquer le comportement à la lixiviation des LAC, c'est-à-dire leur altération et le relargage des métaux traces (Cr, V) qu'ils contiennent, par l'identification des mécanismes physico-chimiques qui régissent, au sein même de la matrice solide, la mobilité et le transfert des éléments. L'approche expérimentale choisie est basée sur des tests de lixiviation (en laboratoire à l'aide du CTG-Leachcrete et en lysimètre à l'échelle semi-pilote) et des spectroscopies d'absorption et de fluorescence des rayons X permettant de caractériser à l'échelle du site cristallochimique le degré d'oxydation, la symétrie et la nature des phases porteuses des éléments.
Le Cr exclusivement trivalent, très stable dans les sites octaédriques d'une ferrite de calcium, est très peu relargué lors des tests de lixiviation en laboratoire et en lysimètre. Une phase de type spinelle, issue de l'altération de (Fe, Mn, Mg)O contrôle également la mobilité du Cr(III). Au contraire, le V(III) subit une oxydation en V(V) au sein même de sa phase porteuse, qui s'accompagne d'une perte de symétrie, à l'origine de sa mobilité à l'échelle du laboratoire.
Les données issues de ces expériences ont permis d'écrire les équations thermodynamiques d'équilibre à l'origine de l'initialisation d'un modèle géochimique robuste (CHESS) reproduisant l'altération des LAC : évolution minéralogique et courbes cinétiques de relargage obtenues lors des tests de lixiviation statique et dynamique en laboratoire. Ce modèle vise à terme à prédire le comportement à long terme des LAC dans un scénario de valorisation donné.
Le Cr exclusivement trivalent, très stable dans les sites octaédriques d'une ferrite de calcium, est très peu relargué lors des tests de lixiviation en laboratoire et en lysimètre. Une phase de type spinelle, issue de l'altération de (Fe, Mn, Mg)O contrôle également la mobilité du Cr(III). Au contraire, le V(III) subit une oxydation en V(V) au sein même de sa phase porteuse, qui s'accompagne d'une perte de symétrie, à l'origine de sa mobilité à l'échelle du laboratoire.
Les données issues de ces expériences ont permis d'écrire les équations thermodynamiques d'équilibre à l'origine de l'initialisation d'un modèle géochimique robuste (CHESS) reproduisant l'altération des LAC : évolution minéralogique et courbes cinétiques de relargage obtenues lors des tests de lixiviation statique et dynamique en laboratoire. Ce modèle vise à terme à prédire le comportement à long terme des LAC dans un scénario de valorisation donné.