Focus sur les technologies de séparation

01 Introduction : Goulots d'étranglement et percées dans l'utilisation complète de la dolomie

La dolomie est considérée comme un double sel composé de magnésite et de calcite, avec le composant chimique principal CaMg(CO₃)₂. Sa composition théorique (ω/%) est de 21,7 % de MgO, 30,4 % de CaO et 47,90 % de CO₂, souvent associée à des impuretés telles que le quartz et le feldspath [1]. La dolomie pure est blanche, tandis que les variétés contenant du fer apparaissent grises ou brun foncé, avec des surfaces altérées devenant brunes.

Actuellement, l'utilisation du magnésium de la dolomie dans diverses industries est relativement bien développée, tandis que le développement et l'utilisation du calcium restent insuffisants. Le calcium est souvent utilisé pour produire des matériaux de construction ou des charges à faible valeur ajoutée, ce qui entraîne un gaspillage important des ressources en calcium. Par conséquent, tout en assurant l'approvisionnement en matières premières pour les industries des métaux de base telles que la sidérurgie et la métallurgie du magnésium, l'utilisation complète des ressources en calcium et en magnésium pour développer des produits de calcium et de magnésium de haute pureté et à haute valeur ajoutée est devenue un sujet de recherche brûlant dans le traitement en profondeur et le développement complet des ressources minérales de dolomie [3].

La clé de l'utilisation complète des ressources en calcium et en magnésium de la dolomie réside dans la séparation efficace du calcium et du magnésium, ainsi que dans l'élimination efficace des composants impurs.

02 Aperçu des principales technologies de séparation calcium-magnésium

Les technologies actuelles de séparation calcium-magnésium et d'élimination des impuretés de la dolomie comprennent principalement la méthode de carbonatation, la méthode de dissolution acide, la méthode de lixiviation à l'ammoniac, la méthode saumure-dolomie et la méthode de lixiviation par complexation [3].

2.1 Méthode de carbonatation

La méthode de carbonatation est l'approche industrielle la plus couramment utilisée en raison de son procédé simple, de son faible coût et de sa facilité de mise en œuvre industrielle. Cette technologie repose sur la différence de solubilité entre CaCO₃ et Mg(HCO₃)₂ dans les solutions aqueuses, réalisant la séparation calcium-magnésium en contrôlant le pH final du processus de carbonatation [3].

Le flux du processus est le suivant : la dolomie est calcinée et digérée pour produire du lait de chaux de dolomie, qui est ensuite mis à réagir avec du CO₂ purifié provenant du gaz du four. Dans des conditions de processus contrôlées, du CaCO₃ précipite et de l'eau de magnésium lourde Mg(HCO₃)₂ est formée. Après séparation solide-liquide, du CaCO₃ léger est obtenu. Le filtrat, l'eau de magnésium lourde, est thermiquement décomposé pour produire un intermédiaire de carbonate de magnésium basique, qui est ensuite calciné pour produire du MgO [3].

La méthode de carbonatation offre les avantages d'un processus simple et d'un faible coût de production. Cependant, cette méthode repose uniquement sur le contrôle du processus pendant la carbonatation pour réaliser la séparation, ce qui rend le contrôle précis difficile en production réelle. Par conséquent, les produits de calcium et de magnésium résultants présentent souvent une pureté relativement faible [3]. Pour remédier à cela, diverses technologies améliorées ont été développées, notamment la récupération par lots, la carbonatation secondaire, la carbonatation sous pression et la carbonatation assistée par additifs.

2.2 Méthode de lixiviation à l'ammoniac

La méthode de lixiviation à l'ammoniac utilise la faible acidité des solutions de sels d'ammonium ((NH₄)₂SO₄, NH₄Cl, NH₄NO₃) pour réagir avec la chaux de dolomie digérée, produisant des solutions de sels de calcium et de magnésium. Selon les besoins, du NH₃ ou du CO₂ est ensuite introduit pour obtenir les produits de calcium et de magnésium correspondants [5]. Cette méthode implique des réactions douces, est facile à utiliser, sépare efficacement le calcium et le magnésium de la dolomie et donne des produits de haute pureté.

2.3 Méthode saumure-dolomie

La méthode saumure-dolomie consiste à ajouter goutte à goutte de la chaux de dolomie digérée dans de la saumure (MgCl₂) pour produire de l'hydroxyde de magnésium. Après filtration et séchage, de la poudre de Mg(OH)₂ est obtenue, tandis que le filtrat est traité davantage pour préparer du CaCO₃ [5]. Les avantages de cette méthode comprennent un faible coût de processus et une pollution minimale. Elle utilise efficacement les ressources en magnésium de la saumure et de la chaux de dolomie, réalisant une séparation relativement complète du calcium et du magnésium. Cependant, un inconvénient majeur est la génération de grandes quantités de solution de chlorure de calcium comme sous-produit, qui est difficile à gérer [5].

03 Progrès de la recherche sur les technologies de séparation

3.1 Améliorations de la séparation par méthode de carbonatation

Wang Wenze et al. [6] ont préparé du CaCO₃ léger en utilisant une méthode de carbonatation par transfert de phase avec de la poudre de dolomie calcinée comme matière première. Par des expériences à facteur unique et orthogonales, les conditions optimisées de transfert de phase ont été déterminées : rapport liquide-solide de 20 mL/g, n(citrate d'ammonium):n(CaO) = 4:3, température de réaction de 20°C et temps de réaction de 10 min. Les conditions de carbonatation optimisées étaient : pH final de 7,6, débit de CO₂ de 0,6 L/min, température de réaction de 65°C et vitesse d'agitation de 550 tr/min. Dans ces conditions, du carbonate de calcium avec une pureté de 98,18 % a été produit, présentant une taille de particule uniforme et une bonne dispersibilité. Après deux cycles de séparation calcium-magnésium de la poudre de dolomie calcinée, un "calcium exempt de magnésium" a été essentiellement obtenu, améliorant considérablement la pureté du produit calcique.

Wang Xin et al. [11] ont étudié l'extraction du calcium de la poudre de dolomie calcinée à l'aide d'une solution d'acide citrique-ammoniac. Les taux d'extraction de Ca²⁺ et de Mg²⁺ ont atteint respectivement 99,34 % et 6,11 %. La carbonatation du citrate de calcium a donné un CaCO₃ léger de type calcite avec ω(CaCO₃) = 98,2 % et une morphologie en fuseau. Le gâteau de filtration, après traitement ultérieur, a produit un échantillon de MgO avec ω(MgO) = 99,2 % et une forme de tige courte.

3.2 Progrès de la séparation par lixiviation à l'ammoniac

Fan Yuanyang et al. [5] ont utilisé de la chaux de dolomie et une solution d'ammoniac recyclée comme matières premières pour préparer des whiskers de carbonate de calcium et de l'hydroxyde de magnésium par un processus cyclique de distillation d'ammoniac, de précipitation de magnésium et de précipitation de calcium. Dans des expériences cycliques, un rapport molaire optimal Ca/Mg sur sel d'ammonium de 1:2 a été identifié, atteignant des taux d'extraction de 91,32 % pour Ca²⁺ et 90,95 % pour Mg²⁺. L'étude a confirmé que trois cycles étaient optimaux pour la préparation de whiskers de carbonate de calcium, le produit atteignant une teneur en carbonate de calcium de 98 %.

Deng Xiaoyang et al. [7] ont utilisé de la poudre de dolomie légèrement calcinée, du chlorure d'ammonium et du dioxyde de carbone comme matières premières pour préparer des cristaux de carbonate de calcium cubiques bien formés et uniformément répartis avec une taille de particule moyenne de 5 à 10 μm via un processus de distillation d'ammoniac et de précipitation de calcium sans utiliser d'agents de contrôle de la morphologie cristalline.

Jia Xiaohui et al. [8] ont proposé une méthode de séparation en deux étapes utilisant une solution de chlorure d'ammonium, extrayant d'abord le calcium puis le magnésium. Le taux d'extraction du calcium de la dolomie a dépassé 95 %.

Wang Dongyi et al. [10] ont préparé de l'hydroxyde de magnésium et des whiskers de carbonate de calcium par un processus de calcination, de distillation d'ammoniac et de précipitation. Le produit de whisker de carbonate de calcium préparé a atteint un rapport d'aspect de 20, une blancheur de 98,7 et un taux de conversion de Ca²⁺ de 80,75 %, avec recyclage des matériaux tout au long du processus.

04 Conclusion

Les technologies actuelles de séparation calcium-magnésium de la dolomie progressent rapidement. La méthode de carbonatation, la méthode de lixiviation à l'ammoniac et la méthode saumure-dolomie offrent chacune des avantages et des limites distincts. La méthode de carbonatation présente une technologie mature et un faible coût mais rencontre des défis en matière de contrôle de la pureté. La méthode de lixiviation à l'ammoniac offre une efficacité de séparation supérieure et une pureté de produit élevée mais implique des processus relativement complexes. La méthode saumure-dolomie permet une utilisation synergique des ressources en magnésium mais lutte avec l'élimination du chlorure de calcium sous-produit. Dans des conditions de laboratoire, les taux d'extraction du calcium approchent 99 %, atteignant essentiellement "le calcium exempt de magnésium" et jetant des bases solides pour la préparation ultérieure de carbonate de calcium de haute pureté.