Sels de samarium courants dans l’eau : solubilité, élimination et concentration
Les sels de samarium courants comprennent le chlorure, le nitrate et le sulfate, tandis que le carbonate, l’oxalate, le phosphate et le fluorure sont également pertinents en tant que solides peu solubles. Ce guide compare leur comportement dans l’eau et explique comment exprimer la concentration en samarium, l’éliminer de l’eau et le concentrer en vue de sa récupération.
Pour en savoir plus sur sa présence et son contexte environnemental, consultez la page Le samarium dans l’eau. Le terme « courants » désigne ici la chimie de laboratoire et des procédés, et non un classement des sels détectés dans les eaux naturelles. Une fois un sel dissous, sa formule initiale ne décrit pas toutes les espèces présentes : Sm(III) peut former des complexes dissous ou passer dans les solides.
Sels courants et solubilité dans l’eau
| Sel | Formule et exemples d’hydrates | Solubilité dans l’eau | Importance pratique |
|---|---|---|---|
| Chlorure de samarium(III) | SmCl3; SmCl3·6H2O | Soluble dans l’eau ; vérifier l’hydrate indiqué. | Sel soluble utilisé comme source de Sm. L’élimination de Sm n’élimine pas nécessairement le chlorure. |
| Nitrate de samarium(III) | Sm(NO3)3; généralement hydraté | Soluble dans l’eau. | Utilisé pour préparer des solutions de Sm ; le nitrate reste un paramètre distinct à prendre en compte pour la qualité de l’eau. |
| Sulfate de samarium(III) | Sm2(SO4)3; octahydrate | Solubilité limitée ; dépend fortement de la température et de la phase solide. Une étude indique 0,033 mol/kg d’eau pour l’octahydrate à 25 °C [7]. | Le sulfate forme aussi des complexes dissous ; une eau contenant du sulfate ne provoque pas automatiquement la précipitation de tout le Sm. |
| Carbonate de samarium(III) | Sm2(CO3)3·xH2O | Peu soluble dans l’eau ; l’acide favorise sa dissolution. | Produit potentiel de précipitation et de récupération. |
| Oxalate de samarium(III) | Sm2(C2O4)3·xH2O | Peu soluble ; le pH et l’excès de ligand influent sur la quantité de Sm dissous. | Utile pour la précipitation et la concentration des terres rares. |
| Phosphate de samarium(III) | SmPO4 | Faiblement soluble ; l’acidité et la complexation influent sur sa dissolution. | Peut immobiliser Sm dans une phase solide. |
| Fluorure de samarium(III) | SmF3 | Peu soluble dans l’eau. | Précipité possible ; l’ajout de fluorure introduit un contaminant supplémentaire et ne constitue pas une recommandation générale pour le traitement de l’eau. |
Il s’agit de comparaisons qualitatives, et non de concentrations à saturation. Toute valeur numérique de solubilité doit préciser la température, le pH, l’hydrate ou la phase solide, la composition de la solution et les unités. Les valeurs exprimées en g pour 100 g d’eau ne peuvent pas être utilisées directement comme des valeurs en g/L de solution. Les hydroxydes et les oxydes de Sm sont également des solides pertinents, mais ne figurent pas parmi les sels de ce tableau. [1–4]
Quels facteurs déterminent la quantité de samarium dissous ?
La solubilité est une propriété d’équilibre ; la concentration mesurée dépend aussi de la quantité introduite, du temps de séjour et de la séparation des solides. L’acidité, le carbonate, le sulfate, le phosphate, le fluorure et les ligands organiques peuvent modifier l’équilibre entre les ions Sm3+, les complexes dissous et les précipités. Une faible concentration en ions libres ne signifie pas nécessairement une faible concentration totale en Sm dissous. Les prévisions de précipitation doivent tenir compte de la complexation et des phases solides réellement présentes. [3,4]
Concentration : mg/L exprimés en Sm ou mg/L de sel
Exprimez les résultats en samarium élémentaire, par exemple en µg/L exprimés en Sm ou en mg/L exprimés en Sm, et précisez si l’échantillon représente la fraction dissoute ou la teneur totale. Ne confondez pas une dose de sel avec la quantité de Sm dissous restant après établissement de l’équilibre. Il n’existe pas de concentration représentative unique pour l’ensemble des eaux naturelles ou industrielles.
Concentration calculée en Sm (mg/L) = dose de sel (mg/L) × n × 150,36 / masse molaire du sel (g/mol).
Ici, n est le nombre d’atomes de Sm par unité de formule. Incluez l’eau de cristallisation dans la masse molaire et, le cas échéant, corrigez le calcul en fonction du titre du produit.
| Sel défini | Masse molaire approximative (g/mol) | Sm provenant de 100 mg/L de sel, valeur calculée |
|---|---|---|
| SmCl3, anhydre | 256.71 | 58,6 mg/L exprimés en Sm |
| SmCl3·6H2O | 364.80 | 41,2 mg/L exprimés en Sm |
| Sm(NO3)3·6H2O | 444.47 | 33,8 mg/L exprimés en Sm |
Ces exemples stœchiométriques supposent un produit pur, une dissolution complète et aucune perte ultérieure ; ils ne correspondent ni à des mesures de solubilité ni à des concentrations environnementales. Une concentration d’un mmol/L de Sm correspond à environ 150,36 mg/L exprimés en Sm. Inversement, 1 mg/L exprimé en Sm correspond à environ 6,65 µmol/L.
Élimination du samarium de l’eau
- Précipitation et séparation des solides : évaluer l’ajustement du pH et les agents précipitants appropriés sur l’eau à traiter. Les réactions impliquant les carbonates, les oxalates et les phosphates peuvent transférer les terres rares dans une phase solide. Faire suivre la précipitation d’une décantation ou d’une filtration ; la seule formation d’un précipité ne suffit pas à l’éliminer du flux d’eau. La coprécipitation peut produire des boues contenant plusieurs métaux. [4]
- Échange d’ions : capter le Sm dissous sur une résine adaptée, puis régénérer celle-ci pour récupérer le Sm dans un volume de liquide plus faible. La fixation du Sm(III) a été étudiée avec une résine échangeuse de cations acide ; l’acidité, les ions concurrents et le degré de chargement influencent les performances. Une capacité mesurée en laboratoire ne garantit pas la capacité opérationnelle d’une installation. [5]
- Adsorption et spéciation : la rétention par un adsorbant dépend du pH, des ions concurrents et des ligands. Une étude sur le samarium utilisant une résine fortement acide a montré que l’accumulation sur la résine était liée au Sm libre en solution dans les systèmes étudiés. Les mesures du Sm dissous total et des ions Sm libres ne sont donc pas interchangeables. [6]
La filtration seule cible les particules, et non les ions Sm libres dissous. Le choix du traitement doit reposer sur les caractéristiques mesurées de l’eau entrante, la concentration requise en sortie, les métaux concurrents et les flux de déchets ou de récupération produits. L’élimination du Sm ne suffit pas à établir que les concentrations de chlorure, de nitrate, de sulfate ou d’autres constituants dissous respectent les exigences de qualité de l’eau.
Concentration et récupération
L’élimination réduit la teneur en Sm de l’eau traitée ; la récupération permet de le recueillir sous forme d’un produit utile. L’élution d’une résine échangeuse d’ions peut concentrer le Sm dans un volume de liquide plus faible, tandis que la précipitation le concentre dans un solide. Aucune de ces étapes ne garantit à elle seule la séparation d’avec les terres rares voisines ni une pureté permettant la commercialisation du produit. [4,5]
Facteur de concentration dans le liquide = concentration de Sm dans l’éluat recueilli / concentration de Sm dans l’eau d’alimentation. Déterminer séparément le taux de récupération en divisant la masse de Sm recueillie par la masse de Sm dans l’eau d’alimentation. Par exemple, 1 m³ contenant 10 mg/L de Sm contient 10 g de Sm. Si 90 % du Sm sont récupérés dans 10 L, la concentration obtenue serait de 900 mg/L de Sm, soit un facteur de concentration de 90. Il s’agit d’un bilan massique illustratif, et non d’une prévision des performances du traitement.
Données nécessaires à l’évaluation du traitement
Les données utiles comprennent le débit, les concentrations de Sm dissous et total, le pH, la température, les principaux anions, les métaux concurrents, les matières en suspension et la concentration cible en sortie. Définir avec le laboratoire les modalités d’échantillonnage et de préparation analytique afin que les résultats relatifs au Sm dissous et au Sm total restent comparables. Les essais en laboratoire doivent mesurer le Sm résiduel, la séparation des solides, la consommation de réactifs et la composition de tout concentrat produit.
Sources et lectures complémentaires
- Santa Cruz Biotechnology : chlorure de samarium(III) hexahydraté.
- Stanford Materials : nitrate de samarium.
- Stanford Materials : composés du samarium.
- Han (2020) : caractéristiques de la précipitation des terres rares avec différents agents précipitants.
- Élimination du samarium(III) par l’échangeur faiblement acide Amberlite IRC-50 sous les formes (H+) et (Na+).
- Spéciation d’un lanthanide (Sm) à l’aide d’une résine échangeuse d’ions (2016).
- Solubilité et fonctions thermodynamiques du sulfate de samarium dans l’eau et les solutions d’acide sulfurique (1975).