Production de zéolites à faible ratio Si/Al, caractérisées par une capacité de sorption satisfaisante, à partir de résidus d’aluminosilicates générés lors de l’extraction du lithium à partir du spodumène

Les zéolites sont largement utilisées pour l'adsorption, l'échange d'ions et la catalyse, mais leur synthèse à partir de matières premières pures est coûteuse. L'extraction du lithium à partir de spodumène par voie hydrométallurgique génère de grandes quantités de résidus d’aluminosilicates, potentiellement problématiques pour l'environnement. La transformation de ces résidus en zéolites constitue une alternative prometteuse pour réduire à la fois les impacts environnementaux liés à la production de lithium à partir de spodumène et les coûts de production de zéolite. Ce projet vise à mettre en œuvre un procédé simple et efficace pour synthétiser des zéolites à faible ratio Si/Al caractérisées par une capacité de sorption satisfaisante à partir de ces résidus d’aluminosilicates. Tout d’abord, la méthode de préparation des résidus et la méthodologie de synthèse des zéolites sans modification du ratio Si/Al des résidus sont présentées. Ensuite, les paramètres opératoires (i.e., temps et température de vieillissement, temps de cristallisation et ratio solide/liquide) influençant les propriétés des zéolites (p.ex., capacité de sorption) ont été étudiés. La zéolite obtenue par le procédé hydrothermal conventionnel présente des propriétés similaires à celles produites par un procédé avec fusion alcaline et à celle commerciale 13X (témoin). Les meilleures conditions choisies pour synthétiser une zéolite à faible ratio Si/Al, caractérisée par une grande capacité de sorption (58 mg Ca/g), en utilisant le procédé hydrothermal conventionnel sont les suivantes : 2 heures d’agitation du mélange (résidu d'aluminosilicate et NaOH à 3,3 M) à température ambiante, suivies de 8 heures de vieillissement sans agitation à 75°C, puis de 16 heures de cristallisation sans agitation à 100°C, avec un ratio solide/solution NaOH de 1/10 (p/v). Par la suite, la faisabilité de la mise à l'échelle et l'évaluation des performances (p.ex., propriétés des zéolites, bilan de masse, coûts d'exploitation) du procédé hydrothermal développé pour la synthèse de zéolites ont été étudiées. Une étape d’agitation a été ajoutée pendant l’étape de vieillissement et les résultats ont montré que la capacité de sorption de la zéolite augmentait de 36 % (de 58 à 80 mg Ca/g), tout en modifiant la structure de la zéolite et facilitant sa récupération (étape de séparation solide/liquide après la cristallisation). À grande échelle (pilote de laboratoire), les caractéristiques de la zéolite produite étaient similaires à celles obtenues en laboratoire, soulignant ainsi la robustesse du procédé proposé, avec un rendement de production de 94,8 %. L'analyse technico-économique a démontré que ce procédé est rentable dans un scénario de traitement de 5 t/h, avec un prix de ventre de 1 $US/kg. Enfin, plusieurs tests ont été effectués afin d'évaluer les performances de la zéolite synthétisée pour la sorption des ions Ca2+, Mg2+, NH4+, de divers métaux et de certains éléments de terres rares. Aussi, Les zéolites ont été testés pour réduire la dureté de l'eau à différentes températures. Les résultats ont montré que la zéolite possède une capacité de sorption satisfaisante pour les ions Ca2+ et NH4+ (66 mg/g), mais moins efficace pour les ions Mg2+ (6 mg/g). De plus, la dureté de l'eau a été diminué respectivement de 322 à 63 et 18 mg CaCO3/L aux températures de 10, 20, 38 (± 2°C), et 58 ± 2°C, démontrant leur potentiel en tant qu’agent adoucissant. En ce qui concerne les métaux, la zéolite a montré une bonne capacité de sorption (> 50 mg/g) pour Cd2+, Cr3+, Cu2+ et Ce3+, mais une efficacité moindre pour Dy3+, Co2+, Mn2+ et Ni2+, avec des capacités de sorption maximales inférieures à 16 mg/g. De plus, elle a montré une capacité de sorption moyenne pour le Zn2+, le Nd3+ et le Yb3+ (28-32 mg/g). Cela souligne son potentiel en tant qu’adsorbant pour les applications d’enlèvement des métaux et des éléments de terres rares présents dans des effluents contaminés.

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