Traitement des eaux usées contenant des acides
Les eaux usées acides sont celles dont le pH est inférieur à 6. Selon la nature et la concentration des acides, on distingue les eaux usées contenant des acides inorganiques et celles contenant des acides organiques, les eaux usées à acides forts et celles à acides faibles, les eaux usées monoacides et celles à acides polyacides, ainsi que les eaux usées faiblement et fortement concentrées. Outre l'acide, les eaux usées acides contiennent souvent des ions de métaux lourds, leurs sels et d'autres substances nocives. Elles proviennent de sources très diverses, notamment le drainage minier, l'hydrométallurgie, le laminage de l'acier, le traitement acide de surface de l'acier et des métaux non ferreux, l'industrie chimique, la production d'acides, la fabrication de colorants, l'électrolyse, la galvanoplastie, la production de fibres artificielles et d'autres secteurs industriels. Les eaux usées acides les plus courantes sont celles contenant de l'acide sulfurique, suivies de celles contenant de l'acide chlorhydrique et de l'acide nitrique. Chaque année, la Chine rejette près d'un million de mètres cubes d'eaux usées industrielles acides. Si ces eaux sont rejetées directement sans traitement, elles corroderont les canalisations, endommageront les cultures, nuiront aux poissons, endommageront les navires et dégraderont l'environnement. Les eaux usées industrielles acides doivent être traitées conformément aux normes nationales de rejet avant leur évacuation. Elles peuvent ensuite être recyclées et réutilisées. Parmi les méthodes de traitement possibles, on peut citer le traitement au sel, la concentration, la neutralisation chimique, l'extraction, l'échange d'ions et la séparation membranaire.
1. Recyclage du sel
Le procédé dit de relargage consiste à utiliser une grande quantité d'eau saturée en sel pour précipiter la quasi-totalité des impuretés organiques présentes dans l'acide usé. Cependant, cette méthode produit de l'acide chlorhydrique et nuit à la récupération et à la valorisation de l'acide sulfurique contenu dans l'acide usé. C'est pourquoi une méthode de relargage des impuretés organiques à l'aide d'une solution saturée de bisulfate de sodium a été étudiée.
L'acide usé contient de l'acide sulfurique et diverses impuretés organiques, principalement de faibles quantités d'acide 6-chloro-3-nitrotoluène-4-sulfonique et divers isomères autres que celui-ci, produits par le toluène lors des procédés de sulfonation, de chloration et de nitrification. Le procédé de relargage consiste à utiliser une grande quantité d'eau saturée en sel pour précipiter la quasi-totalité des impuretés organiques présentes dans l'acide usé. Ce procédé de recyclage par relargage permet non seulement d'éliminer ces impuretés, mais aussi de récupérer l'acide sulfurique pour le réintroduire dans le cycle de production, ce qui représente une économie d'énergie et de coûts.
2. Méthode de torréfaction
La méthode de grillage est appliquée aux acides volatils tels que l'acide chlorhydrique, qui est séparé de la solution par grillage pour obtenir un effet de récupération.
3. Méthode de neutralisation chimique
La réaction acido-basique fondamentale H⁺(aq) + OH⁻(aq) = H₂O constitue un principe essentiel du traitement des eaux usées acides. Les méthodes courantes de traitement de ces eaux comprennent la neutralisation et le recyclage, la neutralisation mutuelle des eaux acides et basiques, la neutralisation par traitement chimique, la neutralisation par filtration, etc. Aux débuts de la sidérurgie en Chine, la plupart des entreprises utilisaient la neutralisation acido-basique pour traiter les effluents liquides issus du décapage à l'acide chlorhydrique et à l'acide sulfurique, afin d'atteindre le pH conforme aux normes de rejet. Le carbonate de sodium (soude), l'hydroxyde de sodium et le calcaire (ou chaux) sont utilisés comme matières premières pour la neutralisation acido-basique ; la chaux est généralement employée car peu coûteuse et facile à produire.
4. Méthode d'extraction
L'extraction liquide-liquide, également appelée extraction par solvant, est une opération unitaire qui exploite la différence de solubilité des composants d'une matière première liquide dans un solvant approprié pour réaliser leur séparation. Dans le traitement des eaux usées acides, il est nécessaire d'assurer un contact total entre ces eaux et le solvant organique afin de transférer les impuretés présentes dans l'acide usé vers le solvant. Les exigences relatives à l'extractant sont les suivantes : (1) il doit être inerte vis-à-vis de l'acide usé, ne pas réagir chimiquement avec celui-ci et ne pas s'y dissoudre ; (2) les impuretés présentes dans l'acide usé doivent présenter un coefficient de partage élevé entre l'extractant et l'acide sulfurique ; (3) il doit être peu coûteux et facilement disponible ; (4) il doit être facile à séparer des impuretés et entraîner de faibles pertes lors de la réextraction. Parmi les extractants courants, on trouve le benzène (toluène, nitrobenzène, chlorobenzène), les phénols (diphénol brut de créosote), les hydrocarbures halogénés (trichloroéthane, dichloroéthane), l'éther isopropylique et le N-503.
5. Méthode de résine échangeuse d'ions
Le principe de base du traitement des effluents liquides acides organiques par résine échangeuse d'ions est que certaines résines échangeuses d'ions peuvent absorber les acides organiques présents dans les solutions acides usées et exclure les acides inorganiques et les sels métalliques afin de réaliser la séparation des différents acides et sels.
6. Méthode de séparation membranaire
Pour les effluents liquides acides, des méthodes de traitement membranaire telles que la dialyse et l'électrodialyse peuvent également être utilisées. La récupération des acides résiduaires par membrane repose principalement sur le principe de la dialyse, qui exploite la différence de concentration. L'appareil complet est composé d'une membrane de dialyse par diffusion, d'une plaque de distribution de liquide, d'une plaque de renforcement, d'un cadre pour la plaque d'écoulement du liquide, etc., et permet la séparation des substances présentes dans l'effluent liquide.
7. Méthode de cristallisation par refroidissement
La cristallisation par refroidissement est une méthode permettant de réduire la température d'une solution et de précipiter le soluté. Elle est utilisée dans le traitement des acides usés pour éliminer les impuretés par refroidissement et récupérer une solution acide conforme aux exigences et réutilisable. Par exemple, l'acide sulfurique usé issu du lavage à l'acyle d'un laminoir contient une grande quantité de sulfate ferreux, qui est traité par concentration-cristallisation et filtration. Après élimination du sulfate ferreux par filtration, l'acide peut être réutilisé pour le décapage de l'acier.
La cristallisation par refroidissement trouve de nombreuses applications industrielles, illustrées ici par le décapage en métallurgie. Dans les procédés de transformation de l'acier et d'usinage, une solution d'acide sulfurique est couramment utilisée pour éliminer la rouille à la surface des métaux. Le recyclage de cet acide usé permet ainsi de réduire considérablement les coûts et de préserver l'environnement. La cristallisation par refroidissement est employée dans l'industrie pour réaliser ce procédé.
8. Méthode d'oxydation
Cette méthode, utilisée depuis longtemps, repose sur la décomposition des impuretés organiques présentes dans l'acide sulfurique usé par des agents oxydants dans des conditions appropriées. Ces impuretés sont ainsi converties en dioxyde de carbone, eau, oxydes d'azote, etc., puis séparées de l'acide sulfurique, permettant sa purification et sa récupération. Parmi les oxydants couramment utilisés figurent le peroxyde d'hydrogène, l'acide nitrique, l'acide perchlorique, l'acide hypochloreux, les nitrates et l'ozone. Chaque oxydant présente des avantages et des inconvénients.