Struvite

La struvite, ainsi nommée en l'honneur du minéralogiste et diplomate russe d'origine allemande Heinrich von Struve (de) en 1845, est un minéral de la famille des phosphates hydratés, soit un phosphate double d'ammonium et de magnésium hexahydraté de formule chimique NH₄MgPO₄ • 6 H₂O. Elle cristallise dans le système orthorhombique et ses cristaux, incolores, blancs à jaunâtres ou brun clair, sont en forme de pyramides ou de lamelles.

Général
Struvite Catégorie VIII : phosphates, arséniates, vanadates[1]
Struvite d'une usine de préparation chimique à Hanovre (Allemagne). Largeur de l'image : 7,5 mm.
Nom IUPAC	azane ; magnesium ; phosphoric acid ; hexahydrate
Numéro CAS	15490
Classe de Strunz	8.CH.40 8 PHOSPHATES, ARSENATES, VANADATES 8.C Phosphates without Additional Anions, with H2O 8.CH With large and medium-sized cations, RO4:H2O < 1:1 8.CH.40 Hazenite KNaMg2(PO4)2•14H2O Space Group Pmnb Point Group 2/m 2/m 2/m 8.CH.40 Struvite (NH4)MgPO4•6(H2O) Space Group P mn2₁ Point Group mm2 8.CH.40 Struvite-(K) KMg(PO4)•6(H2O) Space Group P mn2₁ Point Group mm2
Classe de Dana	40.01.01.01 Phosphates, arséniates et vanadates 40. Phosphates hydratés 40.1.1.1 Struvite Mg(NH₄)(PO₄) · 6H₂O
Formule chimique	H₁₆Mg N O₁₀P NH₄MgPO₄ • 6 H₂O
Identification
Masse formulaire[2]	245,4065 ± 0,0049 uma H 6,57 %, Mg 9,9 %, N 5,71 %, O 65,2 %, P 12,62 %,
Couleur	Incolore, blanc, blanc jaunâtre, blanc brunâtre, jaune à marron, ou gris clair ; blanc ou terne après déshydratation
Classe cristalline et groupe d'espace	orthorhombique pyramidal groupe de point mm2, groupe d'espace P mn21
Système cristallin	Orthorhombique
Réseau de Bravais	a = 6,945 Å b = 11,208 Å c = 6,135 Å Z = 2 volume de maille = 477,58 Å³
Clivage	Parfait sur {100}, bonne sur {001}
Cassure	Irrégulière, sub-chonchoïdale
Habitus	beaux cristaux bien formés tabulaires ou prismatiques, formes idiomorphes à lamellaires, parfois en forme de cercueils ou en plaque épaisse, dépôt de surface en milieu sec ou protégé
Jumelage	sur {001}.
Échelle de Mohs	1,5 à 2 (dureté entre celle du talc et du gypse)
Trait	blanc
Éclat	vitreux, mat
Propriétés optiques
Indice de réfraction	n_α = 1,495 ; n_β = 1,496 ; n_γ = 1,504
Biréfringence	Biaxial (+) δ = 0,009
Dispersion	2 v_z ~ 2V mesuré = 37.367° (2V calculé 40°)
Transparence	Transparente à translucide
Propriétés chimiques
Densité	1,705 à 1,711 (parfois 1,7)
Solubilité	bonne solubilité dans les acides, soluble dans l'eau chaude, peu soluble dans l'eau froide

Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

La struvite forme des calculs dans l'urine des humains et des animaux qui sont infectés par des organismes produisant de l'ammoniac. Leur production est facilitée par une basicité élevée de l'urine ainsi que par une forte excrétion de magnésium (régimes à base de plantes riches en magnésium). Chez le chat domestique, elle est également facilitée par une protéine spécifique de son urine.

Par extension de sens, la struvite désigne la lithiase où ce minéral apparaît.

Description

C'est un minéral tendre (dureté : 1,5 à 2) , et de faible densité (1,7). Les cristaux souvent bien formés sont incolores lorsqu'ils sont frais et intacts. La déshydratation les rend ternes et blanchâtres. Les cristaux sont piézoélectriques et pyroélectriques.

La struvite n'est véritablement stable que jusque vers 55 °C, elle se décompose partiellement en dittmarite NH₄)Mg(PO₄)•H₂O entre 100 °C et 200 °C, puis forme une phase amorphe vers 250 °C- 300 °C.

La struvite se dissout facilement dans les acides mais difficilement dans les liquides basiques à neutres[3]^,[4]. Elle est très faiblement soluble dans l'eau froide. Elle est soluble dans l'eau chaude.

D'un point de vue cristallochimique, la struvite donne son nom à un groupe isostructural. Le groupe de la struvite comprend outre celle-ci, la struvite potassique ou struvite K (KMgPO₄ • 6 H₂O) et la hazenite (KNa Mg₂(PO₄)₂ • 14 H₂O) qui elle est en outre sodo-potassique. Les cations ammonium, potassium et à moindre mesure sodium sont interchangeables dans cette structure hydratée, permettant des solutions solides à teneurs continues.

Découverte, gîtologie et autres occurrences ou gisements

La struvite a été décrite par le pharmacien et chimiste hambourgeois George Ludwig Ulex (1811-1883) pour la première fois en 1845 dans les égouts médiévaux de l'église saint Nicolas de Hambourg (Allemagne). Elle a été nommée die Struveit en l'honneur du consul de Hambourg, Heinrich Christoph Gottfried Struve (1772-1851), appartenant au service diplomatique russe, collectionneur de minéraux qui se souciait de la restauration de l'édifice[5].

Elle se forme à partir de matériaux organiques, comme les lits de tourbes ou très souvent les déjections putréfiées, les vieux fumiers secs à base de bouses ou de crottins, voire dans les aliments altérés par un milieu bactérien indésirable, par exemple dans les boîtes de conserve périmées. Elle peut se rencontrer dans les dépôts naturels de guano, par exemple à la Réunion, à Ballarat dans l'état de Victoria en Australie, au Cap en Afrique du Sud, à la grotte de Gcwihaba Cave au nord-ouest du Botswana... C'est pourquoi elle se nomme encore guanite[6].

On la trouve aussi dans certains quartiers d'Amsterdam en Hollande, à Aalborg au Danemark, au Venezuela, en Malaisie, au Québec, en Antarctique...

Minéraux associés à la struvite :

d'autres phosphates ou hydrogénophosphates, par exemple la newberyite Mg(PO₃OH) • 3 H₂O, la hannayite (NH₄)₂Mg₃(PO₃OH)₄ • 8 H₂O , la brushite CaHPO₄ • 2H₂O, la stercorite NH₄NaHPO₄ • 4 H₂O ou la dittmarite NH₄)Mg(PO₄) • H₂O ;
des minéraux nitrates comme la nitrocalcite, la nitromagnésite, la nitronatrite, la gwihabaite, la nitrobarite ou le nitre ;
des minéraux sels d'ammonium comme le salmiac, la biphosphammite (NH₄,K)(H₂PO₄), etc. ;
le gypse, la dolomite, les minéraux typiques des roches calcaires et dolomitiques notamment.

Présence dans les artefacts

Il arrive qu'on trouve de la struvite dans les conserves de fruits de mer, où son apparence est celle de petits éclats de verre (sa présence est inacceptable pour les consommateurs pour des raisons esthétiques, mais sans conséquence pour leur santé)[7].

Struvite des calculs rénaux

Cristaux de struvite dans l'urine d'un chien souffrant d'une infection de la vessie.

La struvite participe à la formation des calculs par précipitation depuis une urine alcaline. La struvite est le minéral le plus commun dans les calculs des voies urinaires chez le chien[8], mais on la trouve aussi chez le chat et l'homme. La formation de calculs de struvite est favorisée par les infections bactériennes qui hydrolysent l'urée en ammonium et élèvent le pH de l'urine à des valeurs neutres ou alcalines. Les organismes capables d'hydrolyser l'urée comprennent notamment Proteus, Pseudomonas, Klebsiella, Staphylococcus et Mycoplasma.

Même en l'absence d'infection, l'accumulation de cristaux de struvite dans la vessie est un problème récurrent chez le chat domestique, avec notamment pour symptôme la difficulté à uriner (qui peut être prise pour de la constipation) ou la présence de sang dans l'urine (hématurie). La cauxine, une protéine excrétée en grande quantité dans l'urine des chats et qui intervient dans la production d'une phéromone féline, provoque la nucléation des cristaux de struvite dans un système-modèle contenant les ions constitutifs de la struvite. Ceci peut expliquer en partie la production excessive de struvite chez le chat domestique[9]. Dans le passé, la chirurgie était nécessaire pour éliminer les calculs de la vessie des chats ; aujourd'hui, des régimes acidifiants et pauvres en magnésium permettent de dissoudre les calculs de struvite d'origine non infectieuse.

Les calculs des voies urinaires supérieures qui impliquent le bassinet du rein et se prolongent dans au moins deux calices sont qualifiés de calculs coralliformes. Bien que tous les types de calculs urinaires puissent évoluer en calculs coralliformes, environ 75 % d'entre eux sont constitués d'une matrice struvite-carbonate-apatite.

Calculs de struvite provenant de la vessie d'un chien
Cristaux de struvite dans une urine humaine de pH 9. On observe aussi de nombreux cristaux xénomorphes, plusieurs cellules épithéliales (squameuses et non squameuses) et quelques leucocytes.
Autre image de l'échantillon ci-contre.

Struvite des entérolithes

La struvite est un minéral commun dans les entérolithes (en) (concrétions intestinales) du cheval[10].

Struvite dans le traitement des eaux usées

Cristaux centimétriques de struvite dans la presse de la station d'épuration de Herrenhausen, Hanovre

La struvite[alpha 1] peut être un problème pour le traitement des eaux usées, en particulier quand la digestion anaérobie des déchets libère des ions ammonium et phosphate. Elle peut entartrer les canalisations, les bandes de transport, les centrifugeuses et les pompes, et boucher les tuyaux et d'autres équipements dont le digesteur lui-même. La struvite se forme quand les eaux usées contiennent de l'ammoniac, du magnésium et des phosphates dans des proportions molaires voisines de 1:1:1. Le magnésium peut être trouvé dans le sol, l'eau de mer et l'eau potable ; l'ammoniac résulte de la décomposition de l'urée des eaux usées ; et les phosphates proviennent de la nourriture et des savons et détergents. Ces éléments étant en place, la struvite est plus susceptible de se former dans un environnement de pH élevé, de forte conductivité, de basse température et de haute teneur en ammoniac, magnésium et phosphates.

Les dépôts de struvite dans un système de traitement des eaux usées peut engendrer une grande inefficacité de l'exploitation en raison de l'obstruction des tuyaux, pompes et autres équipements. Pour résoudre ce problème, on peut remplacer les tuyaux ou les désobstruer par l'emploi d'un nettoyeur haute-pression ou d'un broyeur mécanique, mais de nombreuses canalisations peuvent être souterraines et il faut prendre en compte le coût du travail et des temps d'arrêt. On fait plutôt appel aujourd'hui au nettoyage chimique, grâce au développement de produits de nettoyage efficaces pour éliminer la struvite ou en empêcher la formation[11]^,[12]^,[13].

La struvite se dissout complètement dans une solution d'acide sulfamique (2 à 4 % P/V) après 36 heures de recirculation.

Production et usages

Cristaux de struvite récupérée dans les urines par un procédé journalier.

Arrosage de mélange d'urine et de struvite, Allemagne.

L'utilisation de struvite comme engrais agricole à assimilation lente est attestée pour la première fois en 1857. Elle est aujourd'hui utilisée sous forme de poudre de 1 à 2 mm, de couleur légèrement rougeâtre, ou de granules compactés. Les teneurs minimales en garantie sont 4 % en N, 30% min en P₂O₅, 8 % min en Mg avec une humidité avoisinant 2 à 3% en masse, une teneur en fer inévitable de l'ordre de 0,03 à 0,05 % en masse expliquant la couleur. Impuretés et contaminants divers sont d'autant plus insignifiants que l'engrais est raffiné et purifié. Le minéral est également souvent décrit par l'acronyme anglais MAP pour Magnesium Ammonium Phosphate (Hexahydrate).

La récupération du phosphore des eaux usées sous forme de struvite et son recyclage comme engrais dans l'agriculture sont prometteurs[14], en particulier pour les stations d'épuration affectées par une abondance de fumier. On peut aussi ajouter des composés du magnésium à du digestat obtenu après méthanisation de déchets animaux pour précipiter de la struvite[15].

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Struvite » (voir la liste des auteurs).

Notes

Dans ce contexte industriel la struvite peut être désignée par le sigle MAP, pour magnesium ammonium phosphate (« phosphate d'ammonium et de magnésium »).

Références

La classification des minéraux choisie est celle de Strunz, à l'exception des polymorphes de la silice, qui sont classés parmi les silicates.
Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
(en) Struvite sur Webmineral.
(en) Struvite sur Mindat.
Ulex, Svenska Vetenskapsakademien, Stockholm, Handlingar [Akademie Stockholm, Öfv.]: 3: 32 (1845) et Ulex, Annalen der Physik, Halle, Leipzig: 58: 99 (1846)
Teschemacher, Philosophical Magazine and Journal of Science: 28: 546, (1846)
(en) Connie Thompson, « Suspected "glass" in canned fish actually natural crystal », Komo News, 10 mars 2011 (consulté le 28 août 2013).
(en) « Uroliths », Shiloh Shepherd Genetic Task Force, février 2014 (consulté le 7 février 2014).
(en) K. Matsumoto et M. Funaba, « Factors affecting struvite (NH₄MgPO₄•6 H₂O) crystallization in feline urine », Biochim Biophys Acta., vol. 1780 issue=2, n^o 2,‎ février 2008, p. 233-9 (DOI 10.1016/j.bbagen.2007.09.013).
(en) M. G. Blue et R. W. Wittkopp, « Clinical and structural features of equine enteroliths », Journal of the American Veterinary Medical Association, vol. 179, n^o 1,‎ juillet 1981, p. 79-82 (PMID 7251465).
(en) Robert T. Burns, Lara B. Moody, Forbes R. Walker et D. Raj Raman, « Laboratory and In-Situ Reductions of Soluble Phosphorus in Liquid Swine Waste Slurries », Environmental Technology, vol. 22,‎ 2001, p. 1273-1278 (ISSN 0959-3330, DOI 10.1080/09593332208618190, lire en ligne, consulté le 16 juillet 2011).
(en) Mark Hume, « Sewage plant carries sweet smell of phosphorus », sur The Globe And Mail (consulté le 8 juillet 2014).
(en) Brian Morton, « Reclaiming minerals from waste water to make fertilizer », sur The Vancouver Sun (consulté le 5 juin 2013)
(en) « Dutch-French deal to open European market for struvite recovered from waste water », sur dutchwatersector.com, 27 octobre 2016 (consulté le 12 avril 2019).
(en) Liliana Del Pilar Castro-Molano, Kenia Paola Vecino-Gutierrez, Luisa Jasbleidy Diaz-Moyano, Jaime Jaime Jaimes-Estevez et Humberto Escalante-Hernandez, « Lighting the anaerobic digestion process in rural areas: struvite from cattle manure digestate », Revista Colombiana de Biotecnología, vol. 20, n^o 2,‎ juillet 2018, p. 78-88 (DOI 10.15446/rev.colomb.biote.v20n2.71184).

Voir aussi

Bibliographie

Henri-Jean Schubnel, avec Jean-François Pollin, Jacques Skrok, Larousse des Minéraux, sous la coordination de Gérard Germain, Éditions Larousse, Paris, 1981, 364 p. (ISBN 2-03-518201-8), entrée Struvite p. 312.
(en) Maheen Gull et Matthew A. Pasek, Is Struvite a Prebiotic Mineral ?, Life (Basel), 3(2), juin 2013, pages 321–33 article en ligne doi: 10.3390/life3020321
(en) Marlon V. Ramlogan, Ashaki A. Rouff, "An investigation of the thermal behavior of magnesium ammonium phosphate hexahydrate", Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2 juillet 2015, pp 1-8.
(en) V. Babić-Ivančić, J. Kontrec et L. Brečević, "Formation and transformation of struvite and newberyite in aqueous solutions under conditions similar to physiological", Urological Research, Volume 32, Issue 5, october 2004, pp 350-356.

Liens externes

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[11] Dans ce contexte industriel la struvite peut être désignée par le sigle MAP, pour magnesium ammonium phosphate (« phosphate d'ammonium et de magnésium »).

[1] La classification des minéraux choisie est celle de Strunz, à l'exception des polymorphes de la silice, qui sont classés parmi les silicates.

[2] Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.

[Webmineral-3] (en) Struvite sur Webmineral.

[Mindat-4] (en) Struvite sur Mindat.

[5] Ulex, Svenska Vetenskapsakademien, Stockholm, Handlingar [Akademie Stockholm, Öfv.]: 3: 32 (1845) et Ulex, Annalen der Physik, Halle, Leipzig: 58: 99 (1846)

[6] Teschemacher, Philosophical Magazine and Journal of Science: 28: 546, (1846)

[7] (en) Connie Thompson, « Suspected "glass" in canned fish actually natural crystal », Komo News, 10 mars 2011 (consulté le 28 août 2013).

[8] (en) « Uroliths », Shiloh Shepherd Genetic Task Force, février 2014 (consulté le 7 février 2014).

[9] (en) K. Matsumoto et M. Funaba, « Factors affecting struvite (NH₄MgPO₄•6 H₂O) crystallization in feline urine », Biochim Biophys Acta., vol. 1780 issue=2, n^o 2,‎ février 2008, p. 233-9 (DOI 10.1016/j.bbagen.2007.09.013).

[pmid7251465-10] (en) M. G. Blue et R. W. Wittkopp, « Clinical and structural features of equine enteroliths », Journal of the American Veterinary Medical Association, vol. 179, n^o 1,‎ juillet 1981, p. 79-82 (PMID 7251465).

[12] (en) Robert T. Burns, Lara B. Moody, Forbes R. Walker et D. Raj Raman, « Laboratory and In-Situ Reductions of Soluble Phosphorus in Liquid Swine Waste Slurries », Environmental Technology, vol. 22,‎ 2001, p. 1273-1278 (ISSN 0959-3330, DOI 10.1080/09593332208618190, lire en ligne, consulté le 16 juillet 2011).

[13] (en) Mark Hume, « Sewage plant carries sweet smell of phosphorus », sur The Globe And Mail (consulté le 8 juillet 2014).

[14] (en) Brian Morton, « Reclaiming minerals from waste water to make fertilizer », sur The Vancouver Sun (consulté le 5 juin 2013)

[15] (en) « Dutch-French deal to open European market for struvite recovered from waste water », sur dutchwatersector.com, 27 octobre 2016 (consulté le 12 avril 2019).

[16] (en) Liliana Del Pilar Castro-Molano, Kenia Paola Vecino-Gutierrez, Luisa Jasbleidy Diaz-Moyano, Jaime Jaime Jaimes-Estevez et Humberto Escalante-Hernandez, « Lighting the anaerobic digestion process in rural areas: struvite from cattle manure digestate », Revista Colombiana de Biotecnología, vol. 20, n^o 2,‎ juillet 2018, p. 78-88 (DOI 10.15446/rev.colomb.biote.v20n2.71184).