Voies métallurgiques de lixiviation du plomb à partir du laiton

npj Materials Degradation volume 7, Numéro d'article : 69 (2023) Citer cet article

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Les composants en laiton au plomb (Pb) utilisés dans les canalisations d'eau sont sujets au lessivage du plomb après le soudage ou le brasage pendant l'installation. L'imagerie par rayons X par rayonnement synchrotron montre que dans l'état initial des échantillons de laiton de qualité eau potable, le Pb existe principalement sous forme de particules isolées ou liées entre elles allant du sous-micron à plusieurs microns. Lors du chauffage à la température de soudure habituelle d'environ 200 °C, la teneur en Pb fait rapidement surface via des voies de diffusion impliquant une structure interpénétrée Pb-laiton avec une relation d'orientation (11\(\bar{1}\))α-laiton//(220 )Pb; [011]α-laiton//[\(\bar{1}\)13]Pb. Lors du chauffage à la température de brasage habituelle de 700 °C, les particules de plomb fondent et se dilatent en volume, la teneur en plomb étant forcée dans le réseau de laiton de préférence le long des plans du laiton α, formant une phase de plomb de faible sphéricité ou même de grandes feuilles. . Lors de l'immersion dans l'eau, les particules de Pb à la surface sont oxydées pour former des aiguilles de PbO dans la direction normale des plans de PbO {\(\bar{2}\bar{2}2\)}PbO, qui sont ensuite facilement emportées par lessivage du Pb. .

Le plomb (Pb) est un métal lourd répandu qui est réglementé par les agences de protection de l'environnement car il pollue l'environnement1,2,3,4 et peut avoir des effets nocifs sur la santé tels que des dommages neurologiques et des issues de grossesse défavorables s'il est consommé5,6. La directive actuelle sur le plomb, révisée pour la dernière fois en 1993, stipule une concentration maximale acceptable de 10 µg/L, basée sur le niveau d'apport hebdomadaire tolérable provisoire de l'Organisation mondiale de la santé, en dessous duquel aucune augmentation de la plombémie et donc aucune augmentation anticipée des risques pour la santé ne devrait se produire. . Les intoxications causées par un excès de plomb dans l'eau potable se produisent encore aujourd'hui, principalement en raison du lessivage du plomb provenant des composants utilisés dans les systèmes de distribution et de plomberie. En conséquence, des réglementations et des normes techniques ont été élaborées par les juridictions concernant le plomb dans les composants utilisés dans les systèmes de canalisations d'eau potable. Par exemple, les normes britanniques précisent que les raccords en alliage de cuivre destinés à l’eau potable ne doivent pas contenir plus de 4 à 6 % en poids de Pb pour les vannes et 0,5 à 2,5 % en poids de Pb pour les robinets7. Parallèlement, selon les normes américaines, les surfaces mouillées des alliages de cuivre nominalement sans plomb destinés à l'eau potable peuvent toujours contenir du plomb jusqu'à 0,25 % en poids8.

La qualité de laiton dite sans plomb pour les applications d'eau potable (appelée ci-après pw-laiton) contient forcément du Pb9. De temps en temps, des fuites de plomb dans l'eau potable sont signalées dans le monde entier10,11,12,13,14,15,16,17,18, et une raison possible est due à la teneur en plomb des canalisations et des composants en laiton pw, en particulier dans conditions nouvellement installées19. Traditionnellement, le plomb est ajouté au laiton pour faciliter l'usinage, et étant donné la longue histoire d'utilisation du laiton pour fabriquer des composants d'eau potable et les grandes quantités de canalisations et de composants en laiton déjà installés, aucune juridiction n'a annoncé de plan ou de calendrier pour interdire l'utilisation du laiton. utilisation de laiton pw dans les tuyauteries. Il est intéressant de noter que malgré l’importance du problème, seule l’usinabilité du laiton améliorée par le plomb due à la surfaçage du plomb a été étudiée brièvement dans les années 197020, et la compréhension des voies métallurgiques du processus de lixiviation du plomb à partir du laiton est restée inexistante. En particulier, étant donné que le laiton et le Pb n'ont pas de limite de solubilité mutuelle dans le diagramme de phases21, on ne sait pas sous quelles formes le Pb existerait à l'intérieur du laiton pw, et comment le Pb migrerait vers la surface de l'échantillon pour provoquer une lixiviation dans l'eau en contact.

Des expériences récentes19 ont montré que le prétraitement thermique du laiton pw peut entraîner une lixiviation accélérée du plomb. Dans ces expériences, des traitements de préchauffage à 200 ou 700 °C ont été effectués avant les tests de lixiviation du plomb pour simuler le processus d'assemblage par brasage (200 °C) ou brasage (700 °C) pour l'installation de canalisations. À 200 °C, la teneur en Pb du laiton pw est encore à l'état solide, tandis qu'à 700 °C, le Pb devrait être fondu, mais dans les conditions finales de lixiviation du Pb lors des tests d'immersion, le Pb devrait être à l'état solide22. Une explication détaillée de la raison pour laquelle le prétraitement accélère la lixiviation du plomb nécessiterait une connaissance détaillée de la répartition du plomb dans le laiton initial ainsi que celle après le prétraitement. Par exemple, sur la figure 1 du présent travail (détails expliqués plus tard), l'état prétraité à 700 °C est lixivié à peu près au même rythme que l'état à 200 °C pour des temps de chauffage inférieurs à environ 20 minutes, mais le taux de lixiviation accélère considérablement après 20 minutes, ce qui indique peut-être une répartition non uniforme de la teneur en Pb à l'intérieur du laiton. Par conséquent, le présent article n’a pas pour objet de discuter de la façon dont la durée du prétraitement affecterait quantitativement le taux de lessivage du plomb. Une telle étude nécessiterait un contrôle systématique de la distribution initiale du Pb dans les échantillons de laiton, ce qui constituerait une tâche formidable étant donné la forte métastabilité ou instabilité de la ségrégation du Pb à l'intérieur du laiton en raison de l'immiscibilité mutuelle des deux phases.