Titre : PROCEDE DE DETERMINATION DE PARAMETRES DE MELANGE POUR LA PREPARATION D UNE SOLUTION D’ACIDE PHOSPHORIQUE COMPRENANT UNE TENEUR CONTROLEE EN UN OU PLUSIEURS DE SES CONSTITUANTS

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

La présente invention concerne un procédé de détermination des paramètres de mélange pour la préparation d’une solution d’acide phosphorique comprenant une teneur contrôlée en un ou plusieurs de ses constituants.

ETAT DE LA TECHNIQUE

L’acide phosphorique peut être fabriqué par voie thermique ou par voie humide.

L’acide phosphorique de voie humide est obtenu industriellement sous forme d’une solution par attaque de phosphate naturel par un acide fort tel que de l’acide chlorhydrique, de l’acide nitrique et/ou de l’acide sulfurique.

Il s’agit de la technique de fabrication la plus répandue, notamment pour sa plus grande simplicité de mise en oeuvre. Cependant, elle présente l’inconvénient de fournir un acide phosphorique chargé en impuretés, notamment Fe, Al, Cd, Cu, Zn, Pb, et U. Ces impuretés peuvent être gênantes selon la destination de l’acide phosphorique ainsi préparé, ce qui conduit à devoir réaliser des opérations d’épuration de l’acide brut pour le débarrasser des impuretés, et en particulier du cadmium.

Le cadmium a fait l’objet de plusieurs travaux visant à améliorer son extraction de l’acide phosphorique brut. Ces travaux font intervenir des procédés d’extraction par solvant, par échanges ioniques sur résines, par précipitation, ou encore par flottation ionique. L’agressivité chimique du milieu phosphorique ainsi que le coût élevé de ces procédés constituent cependant des freins majeurs à leur industrialisation.

Les procédés de filtration par membrane, dits procédés membranaires, se montrent capables de fournir des produits finis à haute valeur ajoutée, notamment grâce à la sélectivité des membranes.

Les procédés membranaires sont classés selon la taille des pores, le seuil de coupure et la perméabilité hydraulique des membranes à 25°C.

Dans le domaine de l’eau potable : la microfiltration est une barrière presque totale pour les matières en suspension et les bactéries.

Quant à l’ultrafiltration, elle permet non seulement l’élimination des impuretés mais aussi celle de plusieurs types de microorganismes.

L’osmose inverse est capable d’enlever les ions monovalents en plus des autres impuretés. La nanofiltration couvre un domaine entre l’osmose inverse et l’ultrafiltration. Elle est efficace aussi bien pour éliminer les impuretés telles que le cadmium, que les ions multivalents.

Le demandeur a réalisé plusieurs travaux de filtration de l’acide phosphorique par des procédés membranaires, sur des membranes commerciales non modifiées et des membranes commerciales modifiées par adsorption de différents polymères. Ces membranes font l’objet du document WO 2013/133684.

Ces travaux ont permis au demandeur de conclure que l’utilisation de membranes de nanofiltration modifiées améliore fortement la rétention des impuretés, en particulier celle des impuretés métalliques. En revanche, il semble difficile de retenir préférentiellement une impureté particulière par rapport à une autre. En d’autres termes, les procédés de purification de l’acide phosphorique par membrane de nanofiltration ne présentent pas une sélectivité suffisante pour permettre la préparation d’une solution d’acide phosphorique purifiée dont les teneurs en certaines impuretés métalliques déterminées correspondent à des teneurs théoriques choisies préalablement.

Cette faible sélectivité des membranes de nanofiltration par rapport aux impuretés métalliques de l’acide phosphorique peut être un frein économique à la décadmiation, c’est-à-dire au retrait du cadmium, par un procédé membranaire. Plusieurs secteurs industriels sont concernés, en particulier le secteur des engrais qui nécessite des qualités d’acide spécifiques qui présentent des teneurs optimales en certaines impuretés métalliques comme le fer ou le magnésium par exemple, mais aussi des concentrations particulières en P ₂ O ₅ .

BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION

Un but de l’invention est de surmonter les inconvénients précédents.

L’invention vise notamment à proposer un procédé de détermination des paramètres de mélange pour la préparation d’une solution d’acide phosphorique, permettant de fabriquer une solution d’acide phosphorique présentant une teneur contrôlée en un ou plusieurs de ses constituants chimiques, notamment en P ₂ O ₅ et en cadmium.

L’invention vise notamment à fournir un tel procédé, qui soit simple et rapide à mettre en oeuvre, tout en réduisant les quantités d’effluents néfastes pour l’environnement.

A cette fin, l’invention propose un procédé de détermination de paramètres de mélange pour la préparation d’une solution d’acide phosphorique comprenant une teneur contrôlée en au moins un de ses constituants chimiques, dite solution à préparer, ladite solution à préparer étant obtenue en mélangeant au moins deux solutions d’acide phosphorique, dites solutions à mélanger, présentant chacune une teneur différente en ledit constituant chimique, dont au moins une est un perméat résultant de la filtration d’une solution brute d’acide phosphorique au travers d’au moins une membrane de nanofiltration, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :

(1 ) la fourniture d’une teneur souhaitée (T _m ) en ledit constituant chimique dans la solution d’acide phosphorique à préparer, et d’un volume souhaité (V _m ) de ladite solution d’acide phosphorique à préparer,

(2) la détermination, par un ordinateur, à partir de la teneur souhaitée (T _m ) et du volume souhaité (V _m ) :

- d’au moins une combinaison d’au moins deux solutions d’acide phosphorique parmi les solutions d’acide phosphorique à mélanger,

- des volumes de chacune desdites solution d’acide phosphorique à mélanger de la combinaison, de sorte que le mélange des solutions d’acide phosphorique de la combinaison conduise à la solution d’acide phosphorique à préparer.

Dans le présent texte, « une cascade de filtration » correspond à un agencement de plusieurs membranes de nanofiltration dans lequel les membranes sont positionnées les unes à la suite des autres pour réaliser plusieurs filtrations successives de la solution d’acide phosphorique de départ. Dans une cascade de nanofiltration, le perméat d’une membrane correspond à la solution de départ, avant filtration, de la membrane suivante.

Selon des caractéristiques optionnelles mais avantageuses, éventuellement prises en combinaison :

- le procédé comprend en outre la fourniture du volume souhaité d’au moins une solution d’acide phosphorique à mélanger, distincte de la solution à préparer, la détermination par l’ordinateur de la combinaison des solutions d’acide phosphorique à mélanger et de leur volume étant réalisée à partir dudit volume souhaité de ladite solution d’acide phosphorique ;

- le procédé comprend en outre une étape de mélange des solutions de la combinaison déterminée par ordinateur, pour obtenir la solution d’acide phosphorique à préparer ;

- l’étape de mélange des solutions d’acide phosphorique à mélanger comprend le mélange d’au moins trois solutions d’acide phosphorique dont au moins deux sont des perméats résultant de la filtration de la solution brute de l’acide phosphorique au travers d’au moins deux membranes de nanofiltration d’une cascade de filtration ;

- le procédé comprend en outre une étape de mesure d’une teneur (T) dudit constituant chimique dans la solution d’acide phosphorique à préparer et du volume (V) de ladite solution d’acide phosphorique à préparer ;

- ledit constituant chimique est choisi parmi un ou plusieurs des constituants chimiques suivants : P2O5, Cd, Na, Ca, Mg, Al, Cu, Fe, Zn, Mn, Si, Co, V, Ni, Cr ; - au moins une membrane de nanofiltration est une membrane organique sur laquelle est a sorbé au moins un polymère hydrosoluble comprenant au moins une fonction amine, une fonction amine aromatique, une fonction acide, et/ou une fonction alcool ;

- le polymère hydrosoluble absorbé présente une masse molaire comprise entre 100 g/mol et 40000 g/mol.

Un autre objet de l’invention concerne un système de détermination de paramètres de mélange pour la préparation d’une solution d’acide phosphorique comprenant une teneur contrôlée en au moins un de ses constituants chimiques, dite solution à préparer, ladite solution à préparer étant obtenue en mélangeant au moins deux solutions d’acide phosphorique, dites solutions à mélanger, présentant chacune une teneur différente en ledit constituant chimique, dont au moins une est un perméat résultant de la filtration d’une solution brute d’acide phosphorique au travers d’au moins une membrane de nanofiltration, comprenant :

- une interface utilisateur,

- un ordinateur comprenant au moins un processeur, couplé à ladite interface utilisateur, l’interface utilisateur étant configurée pour permettre à un utilisateur de saisir une teneur souhaitée (T _m ) en ledit constituant chimique dans la solution d’acide phosphorique à préparer, et un volume souhaité (V _m ) de ladite solution d’acide phosphorique à préparer, l’ordinateur étant configuré pour, à partir de la teneur souhaitée (T _m ) et du volume souhaité (V _m ), déterminer :

- au moins une combinaison d’au moins deux solutions d’acide phosphorique parmi les solutions d’acide phosphorique à mélanger,

- des volumes de chacune desdites solution d’acide phosphorique à mélanger de la combinaison, de sorte que le mélange des solutions d’acide phosphorique de la combinaison conduise à la solution d’acide phosphorique à préparer, l’interface utilisateur étant en outre configurée pour afficher ladite combinaison et lesdits volumes à mélanger déterminés par l’ordinateur.

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées suivantes : [Fig 1]

La figure 1 est un schéma qui illustre la préparation de différentes solutions d’acide phosphorique par nanofiltration en série.

[Fig 2] La figure 2 est un schéma qui illustre la préparation de différentes solutions d’acide phosphorique par nanofiltration en série selon la figure 1 , ainsi que leur mélange pour obtenir une solution d’acide phosphorique à préparer.

[Fig 3]

La figure 3 est un schéma qui illustre la préparation de différentes solutions d’acide phosphorique par nanofiltration en série selon la figure 2, ainsi que l’acquisition par un ordinateur des volumes de ces solutions et des teneurs en un ou plusieurs de leurs constituants chimiques.

[Fig 4]

La figure 4 illustre une interface utilisateur, qui montre une combinaison de plusieurs solutions d’acide phosphorique présentant différentes qualités, destinées à être mélangées pour fabriquer une solution finale dont le volume, la teneur en P ₂ O ₅ , et la teneur en cadmium sont prédéterminés, selon un premier exemple de réalisation.

[Fig 5]

La figure 5 illustre une interface utilisateur similaire à celle de la figure 4, selon un deuxième exemple de réalisation, [Fig 6]

La figure 6 illustre une interface utilisateur similaire à celle des figures 4 et 5, selon un troisième exemple de réalisation.

DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION

L’invention concerne un procédé de détermination des paramètres de mélange pour la préparation d’une solution d’acide phosphorique comprenant une teneur contrôlée en au moins un de ses constituants chimiques.

Le constituant chimique dont la teneur est contrôlée, dit également constituant chimique d’intérêt, peut être la teneur massique en pentoxyde de phosphore ou anhydride phosphorique (%P ₂ O ₅ ) et/ou la teneur massique des éléments chimiques suivants considérés comme étant des impuretés : Cd, Na, Ca, Mg, Al, Cu, Fe, Zn, Mn, Si, Co, V, Ni, Cr.

L’invention se base sur un procédé de purification d’une solution d’acide phosphorique comprenant au moins une étape de filtration de l’acide phosphorique par une membrane de nanofiltration. Plusieurs étapes de filtration de la solution d’acide phosphorique peuvent être réalisées consécutivement, notamment deux, trois, ou quatre étapes, avec plusieurs membranes de filtration de structure chimique identique ou différente les unes des autres.

Selon un mode de réalisation préféré, la membrane de nanofiltration est une membrane organique sur laquelle est adsorbé au moins un polymère hydrosoluble comprenant au moins une fonction amine, une fonction amine aromatique, une fonction acide et/ou une fonction alcool.

De préférence, le polymère hydrosoluble adsorbé présente une masse molaire comprise entre 100 g/mol et 40000 g/mol.

Pour cette étape de filtration, on fait circuler la solution d’acide phosphorique sur une membrane, de préférence de manière tangentielle à ladite membrane. Partant d’un volume V0 de solution d’acide phosphorique brut, on recueille un perméat d’acide phosphorique purifié dont le volume est une fraction y*V0 du volume V0 initial. Le coefficient y est généralement compris entre 0,4 et 0,8, avantageusement compris entre 0,6 et 0,8.

De préférence, la concentration de l’acide phosphorique dans la solution est comprise entre 10 et 45% P ₂ O ₅ , de préférence entre 25 et 30% P ₂ O ₅ .

Le procédé selon l’invention peut être employé pour toute solution d’acide phosphorique, quelle que soit son origine.

L’acide phosphorique en solution est avantageusement de l’acide phosphorique de voie humide obtenu par l’action d’un acide fort, tel que l’acide chlorhydrique, l’acide nitrique et/ou l’acide sulfurique sur le phosphate naturel. L’acide phosphorique obtenu en solution est ensuite purifié par nanofiltration.

Les étapes du procédé de purification d’une solution d’acide phosphorique par filtration sur membrane de nanofiltration sont illustrées sur la figure 1 .

Selon une première étape optionnelle mais avantageuse, le procédé comprend une première étape de prétraitement de la solution d’acide phosphorique brut Sb de volume Vb de manière à en retirer à la fois les matières solides et les matières organiques, qui seraient susceptibles de colmater de manière irréversible les membranes de nanofiltration employées par la suite.

Cette étape usuelle d’un procédé de préparation et de purification de l’acide phosphorique est bien connue de l’homme du métier, et peut notamment inclure une clarification en vue d’obtenir une absorbance à 408 nm inférieure à 0,3 et une teneur réduite en particules solides.

A l’issue du prétraitement, la solution d’acide phosphorique prétraitée Sp de volume Vp qui sera ensuite purifiée présente une teneur en particules solides inférieure à 1%, de préférence inférieure ou égale à 0,7%, et une teneur en carbone organique inférieure à 1000 ppm, de préférence inférieure ou égale à 300 ppm.

Grâce à ce traitement préalable, la durée de vie et l’efficacité des membranes de nanofiltration utilisées pour la purification sont sensiblement améliorées.

On soumet ensuite la solution d’acide phosphorique ainsi traitée à une ou plusieurs étapes successives de filtration par une membrane. Partant du volume de solution d’acide phosphorique prétraité Sp, ou brut Sb si aucun prétraitement n’est réalisé, on recueille un premier perméat P1 d’acide phosphorique purifié après filtration sur la membrane NF1 , dont le volume V1 est une fraction y1 *Vp du volume Vp.

Le coefficient y1 est avantageusement compris entre 0,6 et 0,8.

Selon une seconde étape de filtration, on fait circuler le premier perméat P1 sur une membrane NF2, de préférence de manière tangentielle à ladite membrane.

La membrane NF2 employée dans la deuxième étape peut être la même que la membrane NF1 employée dans la première étape ou bien être une membrane différente mais présentant une structure chimique similaire.

On recueille ainsi un second perméat P2 d’acide phosphorique purifié dont le volume V2 est une fraction y2*Vp du volume Vp.

Le coefficient y2 est typiquement compris entre 0,4 et 0,8.

Selon une troisième étape de filtration, on fait circuler le deuxième perméat P2 sur une membrane NF3, de préférence de manière tangentielle à ladite membrane.

La membrane NF3 employée dans la troisième étape peut être la même que la membrane NF1 employée dans la première étape ou que la membrane NF2 employée dans la deuxième étape, ou bien être une membrane différente mais présentant une structure chimique similaire.

On recueille ainsi un troisième perméat P3 d’acide phosphorique purifié dont le volume V3 est une fraction y3*Vp du volume Vp.

Le coefficient y3 est typiquement compris entre 0,3 et 0,8.

Le troisième perméat est ensuite concentré via un système de concentration SC adapté à cet effet, afin d’obtenir une solution finale Sf d’acide phosphorique concentré de volume Vf, dont la teneur massique en P ₂ O ₅ est supérieure à celle du troisième perméat P3.

L’acide phosphorique purifié peut ensuite être valorisé, selon sa teneur, soit comme un acide alimentaire, soit comme le résultat d’une étape intermédiaire de purification, avant les traitements de finition (par exemple, une extraction liquide-liquide).

Le troisième perméat P3 est caractérisé par une teneur en un ou plusieurs constituants chimiques déterminés, notamment en impuretés, inférieure à celle du deuxième perméat P2, qui présente lui-même une teneur en ledit constituant chimique inférieure à celle du premier perméat P1 , qui présente lui-même une teneur en ledit constituant chimique inférieure à celle de la solution d’acide phosphorique initiale.

Ce constituant chimique est tout particulièrement le cadmium.

La solution d’acide phosphorique brut Sb, la solution prétraitée Sp, les solutions P1 , P2, et P3 obtenues à l’issue de chaque étape de filtration, ainsi que la solution finale Sf obtenue après l’étape de concentration, présentent chacune une qualité différente, c’est- à-dire une teneur T en constituant chimique d’intérêt différente.

Le procédé de détermination des paramètres de mélange selon l’invention permet de préparer une solution d’acide phosphorique comprenant une teneur contrôlée en au moins un de ses constituants chimiques, de préférence en P ₂ O ₅ et/ou en cadmium.

Le procédé de l’invention permet d’obtenir un volume et une qualité d’acide phosphorique sur mesure, à partir du mélange d’au moins deux des solutions d’acide phosphorique de qualités différentes obtenues à chaque étape du procédé de purification par membrane de nanofiltration décrit précédemment, c’est-à-dire à partir d’au moins deux solutions parmi : la solution d’acide phosphorique brut Sb, la solution prétraitée Sp, les solutions P1 , P2, et P3 obtenues à l’issue de chaque étape de filtration, ainsi que la solution finale Sf obtenue après l’étape de concentration.

Plus précisément, le procédé de l’invention comprend une première étape consistant à fournir une teneur souhaitée T _s en ledit constituant chimique dans la solution d’acide phosphorique à préparer Sm, ainsi qu’un volume souhaité V _s de ladite solution d’acide phosphorique à préparer.

A partir de la teneur souhaitée T _s et du volume souhaité V _s de la solution à préparer, une deuxième étape du procédé consiste à déterminer :

- au moins une combinaison d’au moins deux solutions d’acide phosphorique parmi les solutions d’acide phosphorique de qualités différentes, dites solutions à mélanger. En référence à la figure 2, chaque solution susceptible d’être incluse dans la combinaison est représentée par une flèche. Les flèches se rejoignent pour conduire à la solution d’acide phosphorique à préparer Sm ;

- les volumes de chacune desdites solution à mélanger de la combinaison, de sorte que le mélange des solutions d’acide phosphorique de la combinaison conduise à la solution d’acide phosphorique à préparer Sm.

On peut ensuite mélanger les solutions de la combinaison déterminée, afin d’obtenir la solution d’acide phosphorique à préparer.

De préférence, le nombre d’étapes de filtration par membrane est supérieur ou égal à 3, de préférence supérieur ou égal à 4, et de manière davantage préférée supérieur ou égal à 5. Un nombre de d’étapes de filtration élevé permet d’obtenir davantage de solutions d’acide phosphorique de qualités différentes susceptibles d’être combinées, ce qui permet d’une part de maximiser le rendement d’élimination du ou des constituants chimiques d’intérêts, notamment lorsqu’il s’agit d’impuretés, et d’autre part de maximiser l’ajustement sur mesure de la qualité de la solution d’acide phosphorique à préparer étant donné que les différentes étapes de filtration ont des rendements d’élimination différents les uns des autres. La détermination des combinaisons des solutions à mélanger ainsi que de leur volume respectif nécessite des calculs relativement longs et fastidieux, qui peuvent être source d’erreurs.

Il s’agit notamment d’écrire et de résoudre des systèmes de plusieurs équations à plusieurs inconnues, et ce pour chaque essai de mélange qu’il souhaite réaliser, c’est-à- dire chaque combinaison de solutions d’acide phosphorique envisagée.

Un exemple de calculs est donné dans l’exemple 3 dans la suite du présent texte.

C’est pourquoi l’invention se rapporte également à un procédé de détermination des paramètres de mélange pour la préparation d’une solution d’acide phosphorique tel que décrit précédemment, dans lequel l’étape de détermination des combinaisons des solutions d’acide phosphorique à mélanger et des volumes de chacune desdites solutions est réalisée par un ordinateur.

L’ordinateur comprend un dispositif de calcul permettant de réaliser les calculs nécessaires, un processeur configuré pour communiquer avec le dispositif de calcul afin de lui transmettre des instructions sur des calculs à réaliser et afin de recevoir de la part du dispositif de calcul les résultats de ces calculs.

L’ordinateur comprend en outre une interface utilisateur configurée pour communiquer avec le processeur. L’interface utilisateur permet à l’utilisateur de dialoguer avec l’ordinateur, afin de rentrer des instructions et de recevoir des informations sur l’état d’avancement et les résultats concernant la réalisation de ces instructions. A cet effet, l’interface utilisateur comprend de préférence un écran, qui peut avantageusement être tactile, et éventuellement un clavier et/ou un dispositif de pointage (souris).

L’ordinateur comprend en outre une mémoire pour stocker les informations qu’elle reçoit et enregistrer les algorithmes mis en oeuvre par le processeur.

L’utilisateur entre dans l’ordinateur via l’interface utilisateur des valeurs de différents paramètres physicochimiques concernant les solutions de qualités différentes de la chaîne de filtration. Ces paramètres comprennent, pour chaque solution, la teneur en au moins un de ses constituants chimiques, tels que sa teneur en : P ₂ O ₅ , Cd, Na, Ca, Mg, Al, Cu, Fe, Zn, Mn, Si, Co, V, Ni, Cr. Les paramètres peuvent également comprendre la température et la densité de la solution.

L’utilisateur entre un volume souhaité pour la solution d’acide phosphorique à préparer, ainsi qu’une teneur souhaitée en un ou plusieurs constituants chimiques dans ladite solution d’acide phosphorique à préparer. Le constituant chimique est de préférence sélectionné parmi : P ₂ O ₅ , Cd, Na, Ca, Mg, Al, Cu, Fe, Zn, Mn, Si, Co, V, Ni, Cr.

Selon un mode de réalisation préféré, l’utilisateur entre également un volume souhaité d’une ou plusieurs solutions à mélanger. Dans ce cas, les combinaisons de solutions à mélanger déterminées par l’ordinateur incluent les solutions dont le volume a été fixé par l’utilisateur. L’ordinateur détermine alors toutes les combinaisons de solutions d’acide phosphorique à mélanger, ainsi que les volumes de chacune des solutions de chaque combinaison, de sorte que le mélange des solutions d’acide phosphorique de chaque combinaison conduise à la solution d’acide phosphorique à préparer.

Pour ce faire, l’ordinateur transcrit les instructions de l’utilisateur, incluant les volumes, les teneurs, et éventuellement d’autres paramètres physicochimiques des solutions à mélanger et de la solution à préparer, sous forme de systèmes d’équations.

Les systèmes d’équation sont résolus par le dispositif de calcul, et les résultats sont transmis au processeur.

Le processeur traite les résultats reçus par le processeur en sélectionnant les résultats cohérents physiquement.

Le processeur envoie les résultats retenus, comprenant les combinaisons de solutions d’acide phosphorique retenues ainsi que les volumes de chacune des solutions de chaque combinaison, à l’interface utilisateur.

L’interface utilisateur comprend de préférence des indicateurs visuels, de préférence des indicateurs de couleurs, permettant à l’utilisateur de constater visuellement :

- qu’une solution a été retenue dans la combinaison pour la fabrication de la solution d’acide phosphorique,

- que le volume de cette solution retenue a une valeur positive.

Si ces deux conditions sont respectées, l’indicateur visuel renseignera l’utilisateur en conséquence, notamment en prenant une couleur déterminée. Dans le cas contraire, l’indicateur renseignera l’utilisateur que ces conditions ne sont pas respectées.

On peut prévoir que l’indicateur fournissent des indications différentes dans le cas où aucune des deux conditions n’est respectée et dans le cas ou seulement la première condition est respectée. Par exemple, si une solution n’est pas retenue, l’indicateur prend une première couleur, tandis que si ladite solution est retenue mais que le volume calculé a une valeur négative, l’indicateur prend une deuxième couleur.

L’utilisateur peut par la suite choisir une combinaison parmi celles retenues et réaliser la solution à préparer en mélangeant les solutions de la combinaison selon les volumes indiqués sur l’écran.

EXEMPLES

Exemple 1 : détermination d’une combinaison de solutions d’acide phosphorique à mélanger et de de leurs volumes pour la préparation d’une solution d’acide phosphorique présentant une teneur contrôlée en P?O et en Cd

On filtre une solution d’acide présentant une teneur en P ₂ O ₅ de 29% sur trois membranes de nanofiltration successives de même structure chimique, selon un procédé discontinu, batch alimenté du type de celui de la figure 1 . La membrane utilisée pour la première étape est de seuil de coupure 1000 g. mol ^-1 , les membranes utilisées pour les deuxièmes et troisièmes étapes sont de seuil de coupure 300 g. mol ^-1 . De manière connue, les molécules contenues dans l’acide phosphorique dont la masse molaire est supérieure au seuil de coupure de la membrane sont retenues par la membrane.

Pour la première filtration, la membrane de nanofiltration de type NF270 est capable de filtrer l’acide phosphorique et de retenir, par un mécanisme d’exclusion, des impuretés multivalentes, notamment Fe, Al, Cr, V, jusqu’à 65 % de la valeur totale desdites impuretés.

Les essais montrent des performances suivantes :

- le taux de rétention du fer, de l’aluminium, et du chrome est supérieur à 65 %,

- le taux de rétention du cadmium est de 35 %,

- la rétention de fluor est de 10 %.

Ces résultats montrent que le fluor participe de façon significative à l’électroneutralité du rétentat et à celle du perméat.

Pour la 2 ^e filtration, les impuretés métalliques trivalentes et divalentes suivantes ont été fortement retenues par la membrane :

- le taux de rétention du fer, de l’aluminium, et du chrome est supérieur à 85%,

- le taux de rétention du cadmium est de 72%,

- le taux de rétention du fluor est de 5%.

Ces résultats confirment que le fluor participe de façon significative à l’électroneutralité du rétentat et à celle du perméat.

Pour la 3ème filtration, la rétention, ou abattement, des impuretés métalliques et non métalliques est proche de celle de la 2ème filtration. De ce fait, on peut conclure que le seuil de coupure des impuretés influe sur l’abattement.

Le bilan des trois étapes de filtration conduit à un abattement supérieur à 99 % pour les impuretés majoritaires dans la solution de départ, supérieur à 90 % pour les impuretés minoritaires dans la solution de départ, et supérieur à 80 % pour les impuretés non métalliques comme le fluor par exemple.

Les résultats d’analyse des différentes solutions d’acide phosphorique de différentes qualités obtenues lors des étapes de filtration successives sont répertoriés dans le tableau 1 ci-après.

[Table 1]

Tableau 1 : Caractéristiques chimiques des solutions d’acide phosphorigues obtenues au cours du procédé de filtration

A partir des différentes solutions d’acide phosphorique de différentes qualités obtenues lors des étapes de filtration successives, présentant des teneurs en P ₂ O ₅ comprises entre 26% et 61 ,9% et des teneurs en cadmium comprises entre environ 1 ppm et 17 ppm (tableau 1), on envisage de préparer 10L d’une solution d’acide phosphorique présentant une teneur en P ₂ O ₅ de 42% et une teneur en cadmium de 7ppm.

Le volume de 10L, la teneur en P ₂ O ₅ de 42%, ainsi que la teneur en cadmium de 7ppm de la solution à préparer correspondent à des exigences industrielles dépendantes des applications ultérieures envisagées.

L’application informatique selon l’invention détermine les solutions d’acide phosphorique à combiner ainsi que leur volume, afin de préparer la solution d’acide phosphorique souhaitée.

La figure 4 représente une vue de l’interface utilisateur.

Sur cette figure, les tableaux Tb, Tp, T1 , T2, Tf, et Tm situés dans la partie haute de la figure, représentent les teneurs en plusieurs constituants chimiques : P ₂ O ₅ , Cd, Fe, Al, et Mg, dans chacune des solutions d’acide phosphorique de différentes qualités, dites solutions à mélanger, obtenues lors des étapes de filtration successives, respectivement Sb, Sp, P1 , P2, Sf, et Sm.

Il est possible de prévoir un tableau supplémentaire correspondant au perméat P3 obtenu directement après la troisième étape de filtration, un tel tableau n’étant pas représenté sur la figure 4.

Les valeurs des constituants chimiques de chacun des tableaux sont rentrées par l’utilisateur. Des curseurs sont prévus à cet effet.

Les valeurs qui figurent dans les tableaux Tb, Tp, T1 , T2 des solutions intermédiaires correspondent aux données dont l’utilisateur dispose, notamment grâce à des analyses chimiques des solutions obtenues lors du procédé.

Sur la figure 4, l’utilisateur a rentré :

- une teneur en P ₂ O ₅ de 57,36% et une teneur en Cd de 6 ppm, dans le tableau Tb, - une teneur en P ₂ O ₅ de 25,3% et une teneur en Cd de 13 ppm, dans le tableau Tp,

- une teneur en P ₂ O ₅ de 25,73% et une teneur en Cd de 14 ppm, dans le tableau T1 ,

- une teneur en P ₂ O ₅ de 25,95% et une teneur en Cd de 2 ppm, dans le tableau T2,

- une teneur en P ₂ O ₅ de 55,63% et une teneur en Cd de 0,03 ppm, dans le tableau Tf,

- une teneur souhaitée en P ₂ O ₅ de 42% et une teneur souhaitée en Cd de 7 ppm, dans le tableau Tm.

Les teneurs en Fe, Al, et Mg sont nulles dans tous les tableaux, car elles n’ont pas été rentrées par l’utilisateur dans les tableaux Tb, Tp, T1 , T2, et Tf, et l’utilisateur ne souhaite pas que la solution à préparer présente une teneur particulière en ces constituants et que le mélange des différentes solutions soit réalisé sur la base de ces teneurs particulières.

Les valeurs qui figurent dans le tableau Tf de la solution à préparer correspondent à des valeurs souhaitées par l’utilisateur pour la solution à préparer.

En dessous de chacun des tableaux Tb, Tp, T1 , T2, Tf, et Tm, des cases contiennent les volumes de chacune des solutions d’acide phosphorique intermédiaires Sb, Sp, P1 , P2, Sf, et de la solution à préparer Sm, pour une combinaison déterminée. Ces volumes sont notés respectivement Vb, Vp, V1 , V2, Vf, et Vm.

Comme décrit précédemment, le volume Vm est choisi préalablement par l’utilisateur, qui rentre sa valeur dans la case correspondante. Certains ou l’ensemble des volumes Vb, Vp, V1 , V2, et Vf sont déterminés par l’application en fonction du volume Vm.

Dans l’exemple de la figure 4, l’utilisateur choisit le volume Vm, et peut également choisir s’il le souhaite les volumes des solutions P2 et Sf à utiliser pour la solution à préparer grâce à des curseurs prévus à cet effet à côté des cadres situés sous les tableaux T2 et Tf correspondants.

Chaque cadran à aiguille situé en dessous desdits cadres indique la même valeur que le cadre sus-jacent correspondant. Les cadrans permettent de fournir à l’utilisateur un rendu visuel alternatif du volume indiqué dans les cadres afin d’en simplifier la lecture.

Sur la figure 4, les volumes V2 et Vf ont respectivement une valeur de 1 ,475 L (litres) et 1 ,58254 L.

Les volumes des solutions Sb, Sp, et P1 sont déterminés par l’ordinateur, et sont indiqués sont les cadres situés sous les tableaux Tb, Tp, et T1 correspondants. Contrairement aux volumes V2, et Vf, les volumes Vb, Vp, et V1 ne sont pas réglables par l’utilisateur. A la place des curseurs se trouvent des indicateurs de couleurs, permettant à l’utilisateur de constater visuellement :

- qu’une solution a été retenue dans la combinaison pour la fabrication de la solution d’acide phosphorique,

- que le volume de cette solution retenue a une valeur positive. Si ces deux conditions sont respectées, l’indicateur visuel prend une couleur verte. Si une solution n’est pas retenue, l’indicateur prend une couleur blanche. Si une solution est retenue mais que le volume calculé a une valeur négative, l’indicateur prend une couleur rouge.

Sur la figure 4, les volumes Vb, Vp, et V1 ont respectivement une valeur de 3,65099 L, 0,984067 L, et 2,30741 L. Les trois solutions Sb, Sp, et P1 correspondantes ont été retenues dans la combinaison pour la fabrication de la solution d’acide phosphorique, et leurs valeurs sont positives : l’indicateur prend une couleur verte.

Dans la partie basse de la figure 4 se trouvent des interrupteurs Ib, Ip, 11 , 12 et If pour chacune des solutions Sb, Sp, P1 , P2, et Sf. Si un interrupteur est activé par l’utilisateur, la solution correspondante pourra potentiellement être retenue dans une combinaison pour fabriquer la solution d’acide phosphorique. Si ledit interrupteur n’est pas activé, ladite solution ne sera pas prise en compte, et ne pourra donc pas être retenue.

Sur la figure 4, tous les interrupteurs sont activés : les solutions Sb, Sp, P1 , P2, et Sf peuvent toutes potentiellement être retenues dans une combinaison pour fabriquer la solution d’acide phosphorique.

En référence à la figure 4, on fixe un volume V2 pour la solution P2 à 1 ,475 L, et un volume Vf pour la solution Sf à 1 ,58254 L.

L’ordinateur a déterminé que, pour préparer 10 L d’une solution d’acide phosphorique présentant une teneur en P ₂ O ₅ de 42% et une teneur en Cd de 7%, il est possible de mélanger :

- 3,65099 L de solution Sb,

- 0,984067 L de solution Sp,

- 2,30741 L de solution P1 .

Exemple 2

On réalise les mêmes étapes de filtration par membranes que pour l’exemple 1 , et on utilise la même application.

Comme pour l’exemple 1 , on souhaite préparer 10 L d’une solution d’acide phosphorique présentant une teneur en P ₂ O ₅ de 42% et une teneur en Cd de 7%, comme illustré sur la figure 5.

On fixe un volume V2 pour la solution P2 à 0,456187, et un volume Vf pour la solution Sf à 5,18129.

En référence à la figure 5, l’ordinateur a déterminé que pour préparer la solution d’acide phosphorique souhaitée, il est possible de mélanger :

- 0,399327 L de solution Sb,

- 2,52569 L de solution Sp,

- 1 ,43751 L de solution P1 . Dans les deux exemples précédents, grâce au procédé de l’invention, l’utilisateur sait quelles solutions il doit mélanger et dans quelles proportions pour préparer la solution d’acide phosphorique présentant les teneurs souhaitées en P ₂ O ₅ et en Cd, sans avoir à réaliser des calculs longs, fastidieux, et pouvant être source d’erreur.

Il peut alors réaliser le mélange, et obtenir la solution d’acide phosphorique adaptée pour des applications spécifiques et conforme aux exigences applicables dans le domaine en question.

Exemple 3

L’essai est réalisé dans les mêmes conditions que l’exemple 1 . L’acide brut Sb et l’acide clarifié Sp utilisés pour ce procédé contiennent une teneur élevée en Cd : 40ppm et 37ppm respectivement.

L’augmentation de la concentration de cadmium dans l’acide phosphorique n’a aucune influence sur l’abattement du Cd dont l’abattement total est supérieur à 99%. L’augmentation de la concentration de cadmium ne change pas la sélectivité de la membrane de nanofiltration.

La même qualité (10 L) d’acide phosphorique que celle de l’exemple 1 a été obtenue. Ceci confirme que quel que soit le profil de l’acide de départ, l’invention permet d’obtenir la qualité souhaitée.

En référence à la figure 6, on fixe un volume V2 pour la solution P2 à 2,86095 L, et un volume Vf pour la solution Sf à 5,37109 L.

En référence à la figure 6, l’ordinateur a déterminé que pour préparer la solution d’acide phosphorique souhaitée, il est possible de mélanger :

- 0,09536 L de solution Sb,

- 1 ,52861 L de solution Sp,

- 0,14398 L de solution P1 .