Etude physico-chimique des fluides produits par la centrale géothermique de Bouillante (Guadeloupe) et des dépôts susceptibles de se former au cours de leur refroidissement

• Auteur / Autrice : Christelle Dixit
• Direction : Marie-Lise Bernard, Sarra Gaspard, Bernard Sanjuan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 03/04/2014
• Etablissement(s) : Antilles-Guyane
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale pluridisciplinaire (Pointe-à-Pitre ; 1996-2015)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Lise Bernard, Sarra Gaspard, Bernard Sanjuan, Bertrand Fritz, Ulises Javier Jauregui Haza, Jean-Louis Mansot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bouillante (Guadeloupe)

Techniques géothermiques

Silice

Mots clés libres

Silice amorphe

Fluide géothermal

Précipitation

Cinétique

Adsorption

Bouillante

Amorphous silica

Geothermal fluid

Precipitation

Kinetics

Adsorption

Bouillante field

Résumé

Le fluide chaud produit par les forages de la centrale géothermique de Bouillante (Guadeloupe) est enrichi en espèces dissoutes telles que la silice qui peuvent précipiter sous forme de dépôts solides lors de son refroidissement et gêner fortement la production électrique. L’un des principaux objectifs de ce travail de thèse a donc été d’améliorer l’état des connaissances sur les conditions physiques, chimiques et cinétiques de la précipitation de la silice amorphe à Bouillante. Après une étude des caractéristiques physico-chimiques des fluides et des dépôts associés au champ de Bouillante, des expériences sur la cinétique de précipitation de la silice, sur site, pour une large gamme de température (25 - 90°C) et de pH (4 - 12) ont été menées et analysées en détail.Pour l’ensemble de ces expériences, seule la polymérisation (réversible) de la silice dissoute, sous forme de suspensions colloïdales très stables en solution, a été observée. La modélisation des données expérimentales de cinétique montre que la vitesse de polymérisation de la silice suit une loi d’ordre 2 vis-à-vis de la silice dissoute jusqu’à l’équilibre en accord avec une dimérisation de la silice. Par contre, durant l’étape initiale de la réaction, une loi d’ordre 4 semble mieux adaptée, suggérant des réactions de polymérisation plus complexes avec formation de tétramères. La température a un effet limité sur la cinétique de polymérisation de la silice comparé à l’effet du pH qui est beaucoup plus important. L’énergie d’activation de la réaction globale est de 41 - 54 kJ pour des pH compris entre 5 et 8.La caractérisation de la silice précipitée a mis en évidence des différences notables entre la structure poreuse de la silice solide prélevée sur les installations de surface et celle de la silice colloïdale obtenue par polymérisation lors des expériences de cinétique, ce qui semble indiquer que des mécanismes différents interviennent dans ces deux contextes de précipitation de la silice dissoute.Le deuxième objectif de cette thèse était d’évaluer la possibilité de valoriser la silice extraite de l’eau géothermale de Bouillante dans un procédé de traitement des eaux naturelles par adsorption. Pour cela, les propriétés d’adsorption de la silice géothermale brute et fonctionnalisée par le poly(ethylèneimine) (ou PEI) ont été étudiées pour deux polluants : un colorant, le bleu de méthylène et un métal lourd, le plomb. Les résultats obtenus montrent que la silice brute possède une grande capacité d’adsorption vis-à-vis du bleu de méthylène. En outre, la fonctionnalisation de la silice par le PEI permet d’améliorer sa capacité d’adsorption vis-à-vis du plomb en solution, en accord avec un modèle cinétique du pseudo-second ordre suggérant une chimisorption. Le modèle d’isotherme de Redlich-Peterson est également en très bon accord avec les données expérimentales.

The hot geothermal fluid produced by the geothermal power plant of Bouillante (Guadeloupe) contains various dissolved components such as silica that can precipitate as solid deposits during their cooling and cause serious problems on the electricity generation. One of the aim of this study is to improve the understanding on the physical, chemical and kinetics conditions of the amorphous silica precipitation in the Bouillante geothermal field. After a study on the physical and chemical characteristics of the Bouillante fluids and deposits which can form during their exploitation, experiments on the kinetics of silica precipitation, on site, under a large range of temperature (25 – 90°C) and pH (4 – 12) have been carried out and analyzed in detail.During on site kinetics experimentations only dissolved silica polymerization (reversible) as colloidal gel, very stable in solution, was observed. Modeling of the experimental data showed that the kinetics polymerization is characterized by a 2-order kinetic law relative to dissolved silica until the equilibrium that is consistent with silica dimerization. On the other side, the initial stage of the reaction is better characterized by a 4-order kinetic law that suggested more complex polymerization reactions with tetramers formation.Temperature has a little effect on the polymerization kinetics compared with the pH which has an effect more important. The activation energy of silica precipitation calculated between 25 and 90°C, is about 41 - 54 kJ for pH ranging to 5 - 8.The characterization of the silica precipitate reveals significant differences in the porous structure of the silica collected on the surface installations and the one obtained from kinetic experiments that suggests different precipitation mechanisms. The second objective of this thesis was to evaluate the possibility to promote geothermal silica for the treatment of natural waters containing contaminants by adsorption. Adsorption properties of the untreated and functionalized by poly(ethylèneimine) (ou PEI) geothermal silica have been investigated for two pollutants: a colorant, the methylene blue and a heavy metal, the lead.Results showed that untreated silica has a great adsorption capacity concerning the methylene blue. Besides, silica functionalization by the PEI allows improving the adsorption capacity for lead in solution. The adsorption kinetics curves followed a pseudo-second order model consistent with a chimisorption. The isotherm model of Redlich-Peterson fitted well the experimental data.