Production de carbonate de calcium de haute pureté à partir de dolomite : contrôle de la morphologie et amélioration de la valeur du produit

01 Introduction : De la récupération des ressources calciques à l'utilisation à haute valeur ajoutée

La dolomite a une plage de température de décomposition théorique de 730 à 900 °C. Entre 730 et 790 °C, elle se décompose en MgO libre et CaCO₃, tandis que le CaCO₃ se décompose autour de 900 °C [2]. Basé sur le rapport Ca/Mg, la dolomite peut être classée en dolomite magnésitique (1,0-1,5), dolomite (1,5-1,7), dolomite micro-calcite (1,7-2,0), dolomite calcite (2,0-3,5) et dolomite pure (1,648) [1].

Après la séparation efficace du calcium et du magnésium, la conversion des ressources calciques séparées en produits de carbonate de calcium à haute valeur ajoutée avec une morphologie contrôlable est devenue un axe de recherche dans le traitement approfondi de la dolomite. Actuellement, grâce à des procédés tels que la carbonatation, la lixiviation à l'ammoniac et les méthodes à l'acide chlorhydrique, des produits de carbonate de calcium de haute pureté avec des morphologies diverses, y compris des formes cubiques, fusiformes, aciculaires et vaterite, peuvent être préparés à partir de la dolomite.

02 Principales voies de procédé pour la préparation du carbonate de calcium

2.1 Méthode de carbonatation pour la préparation du carbonate de calcium

La méthode de carbonatation produit du carbonate de calcium léger (nano) grâce à un système "calcination-carbonatation". Une purification supplémentaire donne des produits de carbonate de calcium de haute qualité, tandis que le filtrat est une solution récupérable de Mg(HCO₃)₂ [2]. Cependant, comme l'hydroxyde de calcium et l'hydroxyde de magnésium participent tous deux à la carbonatation pendant la préparation, l'obtention simultanée de produits de carbonate de calcium et d'hydroxyde de magnésium reste difficile [4].

Yu Feng et al. [12] ont utilisé une solution de dolomite raffinée à haute concentration comme matière première pour préparer des aiguilles de carbonate de calcium de type aragonite avec un rapport d'aspect élevé par la méthode de carbonatation. L'étude a examiné les effets de la température de carbonatation, de la vitesse d'agitation, du débit de CO₂ et du temps de vieillissement. Le produit de carbonate de calcium obtenu a atteint un rendement de 95 %, un rapport d'aspect d'aiguille de 30 à 35, une teneur en aiguilles de 99,7 % et une blancheur de 99,9 %, avec une distribution uniforme. L'analyse du mécanisme a indiqué que les ions Mg²⁺ inhibaient la croissance du carbonate de calcium de type calcite et favorisaient la croissance du carbonate de calcium de type aragonite, préférentiellement le long du plan cristallin (120).

2.2 Méthode de lixiviation à l'ammoniac pour la préparation du carbonate de calcium

La méthode de lixiviation à l'ammoniac implique la réaction de sels d'ammonium avec de la chaux de dolomite pour obtenir une solution de sel de calcium, suivie de l'introduction de CO₂ pour produire du carbonate de calcium. Cette méthode est facile à mettre en œuvre, implique des réactions douces et donne du carbonate de calcium de haute pureté.

Fan Tianbo et al. [9] ont utilisé une méthode modifiée de Solvay à la soude ammoniacale en utilisant la dolomite comme matière première sans aucun additif organique pour préparer du carbonate de calcium avec une teneur élevée en vaterite dans des conditions alcalines. L'échantillon obtenu avait une aire de surface spécifique de 32,653 m²/g et une taille de pore de 2,972 nm, offrant un espace favorable pour la fixation de biomolécules. L'analyse du mécanisme a révélé que le système tampon NH₄⁺-NH₃ augmentait non seulement la sursaturation du carbonate de calcium, mais améliorait également l'environnement de la solution, avec des traces de Mg²⁺ favorisant la formation de morphologies cristallines parfaites.

Jia Xiaohui et al. [8] ont réalisé la synthèse contrôlée de carbonate de calcium métastable vaterite et aragonite dans un système de réaction CaCl₂-NH₃-CO₂ en utilisant la solution de digestion riche en calcium obtenue. La teneur en vaterite a atteint 97,69 %, avec une aire de surface spécifique de 32,653 m²/g et une taille de pore moyenne de 2,972 nm.

2.3 Méthode à l'acide chlorhydrique pour la préparation du carbonate de calcium

Wu Feng et al. [2] ont utilisé la dolomite comme matière première, l'acide chlorhydrique comme agent de lixiviation et Ca(OH)₂ et NaOH comme régulateurs de pH pour préparer du carbonate de calcium léger de qualité industrielle par la méthode de carbonatation. Les résultats ont montré que la calcination de la dolomite à 900 °C pendant 30 min produisait de la dolomite légèrement calcinée avec une teneur en CaO d'environ 64,14 %. Dans des conditions de lixiviation optimisées (rapport solide-liquide de 1:4, agitation à 20 °C pendant 60 min, vieillissement pendant 2,0 h, ajustement du pH de la pulpe à 1,0 avec de l'acide chlorhydrique 3,0 mol/L, et agitation à 80 °C pendant 30 min), le taux de lixiviation de Ca²⁺ a atteint 99,38 %.

Un procédé d'ajustement de pH par étapes a été utilisé pour éliminer les ions fer et manganèse. Le filtrat a été carbonaté en faisant passer du CO₂ à un débit de 100 mL/min sous une vitesse d'agitation de 800 tr/min jusqu'à ce que le pH de la boue atteigne 7,6. Cela a donné du carbonate de calcium léger avec une taille de particule médiane D50 de 2,404 µm, une pureté moyenne de 99,04 % et une blancheur moyenne de 98,76 %. Le remplacement partiel de NaOH par Ca(OH)₂ pour ajuster le pH a effectivement réduit les coûts chimiques.

03 Contrôle de la morphologie du carbonate de calcium et performance d'application

3.1 Préparation de carbonate de calcium avec des morphologies diverses

En ajustant les conditions du procédé, des produits de carbonate de calcium avec diverses morphologies peuvent actuellement être préparés à partir de la dolomite :

• Fusiforme : Wang Xin et al. [11] ont produit du CaCO₃ léger de type calcite de forme fusiforme, d'environ 2 µm de longueur et 0,6 µm de largeur

• Aciculaire : Yu Feng et al. [12] ont préparé des aiguilles de carbonate de calcium de type aragonite avec un rapport d'aspect de 30 à 35 ; Wang Dongyi et al. [10] ont produit des aiguilles de carbonate de calcium avec un rapport d'aspect de 20

• Cubique : Deng Xiaoyang et al. [7] ont préparé des cristaux de carbonate de calcium cubiques avec une taille de particule moyenne de 5 à 10 µm

• Vaterite : Jia Xiaohui et al. [8] et Fan Tianbo et al. [9] ont préparé du carbonate de calcium avec des teneurs en vaterite de 97,69 % et des morphologies bien définies, respectivement

3.2 Validation des performances d'application

Fan Yuanyang et al. [5] ont mené des expériences d'addition de PVC en utilisant le produit d'aiguilles de carbonate de calcium préparé. Les résultats ont montré que le matériau PVC atteignait une déformation à la rupture maximale de 225 % et une contrainte à la rupture maximale de 13 MPa, indiquant une ténacité considérablement améliorée et fournissant un solide soutien à l'application pratique.

Fan Tianbo et al. [9] ont préparé du carbonate de calcium à haute teneur en vaterite avec une aire de surface spécifique de 32,653 m²/g et une taille de pore moyenne de 2,972 nm, offrant des caractéristiques structurelles favorables pour la fixation de biomolécules.

04 Conclusion

Des progrès significatifs ont été réalisés dans les technologies de préparation du carbonate de calcium à partir de la dolomite. Dans des conditions de laboratoire, la pureté du carbonate de calcium peut dépasser 99 %, avec des morphologies de produits diverses, y compris des formes cubiques, fusiformes, aciculaires et vaterite, caractérisées par une taille de particule uniforme et une blancheur élevée. La méthode de carbonatation, la méthode de lixiviation à l'ammoniac et la méthode à l'acide chlorhydrique offrent chacune des caractéristiques distinctes, permettant de sélectionner la voie de procédé appropriée en fonction de la morphologie du produit cible et des exigences de pureté. Avec les avancées continues dans la compréhension des mécanismes de contrôle de la morphologie et l'optimisation des conditions de procédé, les perspectives d'application industrielle pour la production de produits de carbonate de calcium à haute valeur ajoutée à partir de la dolomite sont prometteuses.