ARCHIVÉ - Transformer des déchets incinérés en produits de ciment à valeur ajoutée

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Le 06 mars 2006— Ottawa (Ontario)

Des chercheurs du CNRC travaillent à transformer les « cendres volantes » issues des déchets solides incinérés par les municipalités en produits de ciment à valeur ajoutée.

Ces travaux s'effectuent dans le cadre d'une collaboration entre l'Institut de technologie des procédés chimiques et de l'environnement du CNRC (ITPCE-CNRC), l'Institut de recherche en construction du CNRC (IRC‑CNRC) et A*Star, l'Agency for Science, Technology and Research de Singapour.

Les recherches de M. Patrick Mercier de l'ITPCE-CNRC ont d'ailleurs abouti à la publication d'un article primé dans Acta Crystallographica B – Structural Science qui sera suivi d'un autre, actuellement en révision, dans le Journal of Applied Crystallography.

Représentation polyédrique employée par les chercheurs du CNRC pour dériver les paramètres cristallochimiques d'une structure d'apatite.
Représentation polyédrique employée par les chercheurs du CNRC pour dériver les paramètres cristallochimiques d'une structure d'apatite.

Les cendres volantes sont un sous-produit de l'incinération des déchets solides, méthode d'élimination couramment employée dans plusieurs municipalités. Pour combattre la pollution de l'air causée par les incinérateurs, on épure les gaz de combustion avec de la poussière de calcaire. Cette dernière se combine aux métaux lourds toxiques présents dans les gaz avant qu'ils ne soient libérés dans l'atmosphère. Le résidu (cendres volantes) est un mélange chimique de métaux lourds solubles et de plusieurs minéraux en phase cristalline ou amorphe (non cristalline).

Dans le cadre du projet A*Star, piloté par Pamela Whitfield, de l'ITPCE‑CNRC, et Lyndon Mitchell, de l'IRC‑CNRC, M. Mercier étudie la propriété qu'ont les « apatites » d'immobiliser les métaux lourds, donc de stabiliser la composition chimique des cendres volantes, de sorte que les substances toxiques qu'elles renferment ne puissent sortir du matériau. Ajouter celui-ci à des dérivés du ciment ne poserait alors aucun risque et ce qui était auparavant un résidu toxique de l'incinération des déchets donnera un nouveau produit à valeur ajoutée. On trouve de l'apatite dans toutes les roches ou presque. C'est aussi le composant minéral des os et des dents.

M. Mercier travaille au sein du groupe des matériaux énergétiques de l'ITPCE‑CNRC. Il bénéficie d'une subvention du CRSNG. Avec ses collègues Yvon Le Page, Pamela Whitfield, Lyndon Mitchell, Isobel Davidson et Tim White (de Singapour), il a signé l'article « Geometrical Parameterization of the Crystal Chemistry of P63/m Apatites: Comparison with Experimental Data and Ab Initio Results », publié dans Acta Crystallographica B – Structural Science. Le rédacteur en chef de la revue a qualifié cet article collectif comme l'un des quatre meilleurs publiés dans le périodique en 2005. M. Mercier détient un baccalauréat en génie du Collège militaire royal de Kingston (Ont.) ainsi qu'une maîtrise en sciences et un doctorat en physique de l'Université d'Ottawa.

À la base des travaux de M. Mercier se trouvent les techniques de diffraction utilisées en cristallographie, notamment la diffraction des poudres aux rayons X, dont il se sert pour analyser et définir les paramètres cristallochimiques de l'apatite contenant des métaux lourds. Les métaux lourds et toxiques peuvent être par exemple du plomb, de l'arsenic, du cadmium ou du chrome. Avec le concours des chercheurs de Singapour, M. Mercier a mis au point une approche méthodique et minutieuse pour étudier la chimie des cristaux d'apatite. Il a ainsi créé un modèle cristallochimique de l'apatite qui relie la structure cristalline du minéral à sa composition chimique. Ensuite, il s'est servi du modèle pour comparer les résultats expérimentaux obtenus sur des structures d'apatites analysées par diffraction de monocristaux et par analyse de Rietveld. Selon M. Mercier, ses travaux illustrent clairement que l'étude cristallochimique des structures d'apatites a une application pratique, ainsi qu'on pourra le lire dans l'article qu'il a soumis au Journal of Applied Crystallography.

« Nous montrons que les paramètres cristallochimiques obtenus par analyse des moindres carrés pour l'apatite P63/m extraits directement par la technique d'affinement de Rietveld ont une précision de près d'un ordre de grandeur plus grand que ceux venant de l'analyse des résultats d'affinements cristallographiques effectués de la manière usuelle. Ils sont aussi plus cohérents avec les résultats issus de l'analyse de monocristaux », explique le chercheur.

M. Patrick Mercier
M. Patrick Mercier

Que signifie cette nouvelle approche pour la chimie des matériaux?

Dans le cadre du projet A*Star, il est manifeste qu'une structure minérale d'apatite peut engendrer des liaisons chimiques stables avec certains métaux toxiques. Bref, elle « emprisonnera » ou incorporera les substances nocives à l'intérieur du cristal. L'étape suivante consistera à prouver que les métaux toxiques ne peuvent s'échapper des matériaux apatitiques formés à partir de cendres volantes durant un conditionnement ultérieur.

En définissant les paramètres cristallochimiques d'autres structures comme on l'a fait pour l'apatite, on pourrait développer des matériaux inorganiques synthétiques présentant des propriétés physicochimiques « souhaitées ». Plus précisément, on pourrait combiner d'emblée l'approche cristallochimique aux méthodes quantiques de modélisation des matériaux dans les logiciels élaborés avec la coopération de Toth Information Systems inc. Ensuite, ces modèles permettraient de prévoir la structure de composés hypothétiques renfermant des métaux toxiques avant même de tenter leur synthèse.

Enfin, en développant et recensant les caractéristiques cristallographiques d'un éventail d'apatites de compositions chimiques variées, par le biais des méthodes appliquées et perfectionnées par M. Mercier, on pourrait « fabriquer » des matériaux analogues en fonction des propriétés structurales ou cristallochimiques bien précises nécessaires à telle ou telle application. Parmi les applications éventuelles, mentionnons la décontamination des sols, la fabrication de conducteurs d'oxygène-ions pour les électrolytes des piles à combustibles à oxyde solide, le remplacement des os humains et la dentisterie.


Renseignements : Relations avec les médias
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