Sels de gadolinium dans l’eau : solubilité, élimination et concentration
Le chlorure et le nitrate de gadolinium peuvent introduire du gadolinium dissous dans l’eau, tandis que le carbonate, l’oxalate, le phosphate et le fluorure sont des solides peu solubles. Le choix d’un procédé d’élimination ou de concentration exige plus qu’une mesure du gadolinium total : la forme chimique, le pH et les autres substances dissoutes comptent également.
Ce guide présente les sels de gadolinium courants disponibles dans le commerce et des calculs pratiques pour le traitement de l’eau. Pour en savoir plus sur la présence du gadolinium et ses voies de transfert dans l’environnement, consultez la page gadolinium dans l’eau.
Sels de gadolinium courants et solubilité dans l’eau
Le tableau décrit un comportement qualitatif, et non une concentration de saturation universelle. La température, la forme hydratée, l’acidité et les agents complexants peuvent modifier la quantité qui se dissout. Utilisez les données correspondant au produit exact et aux conditions d’exploitation lorsque vous préparez des solutions ou concevez un procédé.
| Sel | Formule représentative | Comportement dans l’eau | Intérêt pratique |
|---|---|---|---|
| Chlorure de gadolinium(III) hexahydraté | GdCl3·6H2O | Soluble dans l’eau. | Source soluble de Gd(III) ; l’hydrate contient moins de gadolinium par gramme que le chlorure anhydre. |
| Nitrate de gadolinium(III) hexahydraté | Gd(NO3)3·6H2O | Très soluble. | La préparation de la solution doit tenir compte des apports en gadolinium et en nitrate. |
| Sulfate de gadolinium(III) octahydraté | Gd2(SO4)3·8H2O | Soluble dans l’eau froide. | Vérifiez la solubilité en fonction de la température et la chimie des sulfates avant de concentrer une solution. |
| Carbonate de gadolinium(III) hydraté | Gd2(CO3)3·xH2O | Peu soluble dans l’eau. | Un solide en suspension n’est pas équivalent à du gadolinium dissous ; le degré d’hydratation variable influe sur les calculs de masse. |
| Oxalate de gadolinium(III) hydraté | Gd2(C2O4)3·xH2O | Peu soluble dans l’eau ; sa solubilité dépend de l’acidité et de la concentration en oxalate. | Présente un intérêt pour la précipitation et la récupération ; le gadolinium dissous résiduel doit être mesuré. |
| Phosphate de gadolinium(III) | GdPO4, également sous des formes hydratées | Très faible solubilité dans l’eau. | La formation d’un solide peut transférer le gadolinium dans les boues sans détruire l’élément. |
| Fluorure de gadolinium(III) | GdF3 | Peu soluble dans l’eau. | Le fluorure et le gadolinium doivent tous deux être pris en compte dans le traitement et la gestion des résidus. |
Les sels dissous diffèrent des chélates de gadolinium
Dans ces sels, le gadolinium est principalement trivalent, Gd(III). Après dissolution, sa répartition entre les ions hydratés, les complexes et les solides dépend de la composition de l’eau. Le nom du sel initialement ajouté ne décrit pas toutes les espèces présentes par la suite.
Les agents de contraste à base de gadolinium utilisés en IRM lient le gadolinium à des ligands organiques. Ces chélates peuvent rester dissous et se comporter différemment du Gd(III) non complexé. Un procédé testé avec du chlorure de gadolinium ne démontre donc pas une élimination équivalente d’un agent de contraste intact. Des recherches sur les eaux usées ont montré que l’élimination du gadolinium issu des agents de contraste est incomplète et qu’une analyse spécifique des composés est importante.
Élimination du gadolinium présent dans l’eau
Séparation des solides et précipitation
La décantation et la filtration peuvent séparer les particules contenant du gadolinium ; elles ne démontrent pas à elles seules l’élimination des espèces dissoutes. Lorsque la chimie permet la formation d’un sel peu soluble, la précipitation suivie d’une séparation des solides peut transférer le gadolinium dans un solide récupérable ou éliminable. Les études sur l’oxalate et le phosphate de gadolinium illustrent cette chimie, mais aucune ne fournit un pH de fonctionnement ou une dose universels pour les eaux usées.
Analysez l’eau concernée pour déterminer les teneurs résiduelles en gadolinium dissous et total, la consommation de réactifs, la séparation des solides et une éventuelle redissolution. Une forte complexation peut empêcher le comportement attendu d’une simple solution saline. L’ajout d’un agent précipitant modifie aussi l’eau traitée et produit un résidu qui doit être géré.
Adsorption et échange d’ions
L’adsorption et l’échange d’ions peuvent être étudiés pour le gadolinium dissous. Choisissez les matériaux en fonction des espèces présentes : une espèce Gd(III) chargée positivement et un chélate neutre ou chargé négativement ne se fixeront pas nécessairement sur le même matériau. Les ions concurrents, la matière organique, la capacité, la percée et la régénération déterminent les performances en pratique. Des recherches récentes sur la capture du gadolinium d’origine médicale soulignent la nécessité de tester des chélates précis et des conditions réalistes de concurrence ionique.
Pour évaluer un procédé, les informations utiles comprennent le débit, le pH, la température, le gadolinium total et dissous, les ions principaux, la matière organique et tout agent de contraste ou autre ligand connu. Les résultats des essais en laboratoire et à l’échelle pilote doivent permettre d’établir la concentration atteignable dans l’effluent et la composition des matériaux usagés, de la solution de régénération ou des boues.
Concentration : mg/L exprimés en Gd ou mg/L de sel
La concentration en gadolinium élémentaire et la concentration en sel sont deux grandeurs différentes. En utilisant une masse atomique du gadolinium de 157,25 g/mol :
mg/L exprimés en Gd = mg/L de sel × (nombre d’atomes de Gd par unité de formule × 157,25) / masse molaire du sel.
| Sel pur pesé | Masse molaire approximative | Gadolinium provenant de 100 mg/L de sel |
|---|---|---|
| Chlorure de gadolinium anhydre, GdCl3 | 263,60 g/mol | 59,7 mg/L en Gd |
| GdCl3·6H2O | 371,69 g/mol | 42,3 mg/L en Gd |
| Gd(NO3)3·6H2O | 451,35 g/mol | 34,8 mg/L en Gd |
Ces exemples supposent l’utilisation de l’hydrate pur indiqué et sa dissolution complète. Il faut tenir compte de la teneur du produit, de l’humidité et de toute fraction non dissoute. Une concentration de gadolinium de 1 mmol/L correspond à 157,25 mg/L en Gd. L’analyse du gadolinium total ne permet pas d’identifier le sel ou le chélate dont il provient.
Concentration et récupération du gadolinium
L’élimination du gadolinium du flux d’eau principal et sa récupération sous forme de produit utile sont deux objectifs distincts. Un solide récupéré ou une solution de régénération peut contenir d’autres terres rares et des contaminants. La concentration à elle seule ne garantit ni la pureté du produit ni sa valeur commerciale.
À titre d’exemple de bilan massique, 1 m3 d’eau contenant 10 mg/L en Gd renferme 10 g de gadolinium. La capture de 90 % de cette masse dans un volume liquide final de 10 L donnerait 900 mg/L en Gd, soit un facteur de concentration de 90. Il s’agit d’un calcul, et non d’un rendement de traitement attendu. Pour évaluer un procédé réel, tenez compte de tous les flux sortants, des solides résiduels et des pertes.
Sources
- ProChem : chlorure de gadolinium hexahydraté, nitrate de gadolinium et fluorure de gadolinium.
- Thermo Scientific Chemicals : sulfate de gadolinium octahydraté.
- American Elements : composés du gadolinium et carbonate hydraté.
- Savannah River National Laboratory : Solubilité du gadolinium en fonction de HNO3 et de l’oxalate.
- Synthèse et caractérisation d’un absorbeur de neutrons à base de phosphate de gadolinium.
- Analyse de spéciation et par dilution isotopique des agents de contraste à base de gadolinium dans les eaux usées.
- Stratégie durable pour empêcher le gadolinium d’origine médicale d’atteindre les eaux de surface.
- Royal Society of Chemistry : données atomiques du gadolinium.