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Première journée Scientifique du GDR PROMETHEE

Le 6 Octobre 2016

 

Les membres du GDR Prométhée se sont réunis le 6 Octobre 2016 pour la première journée scientifique du GDR. Cette journée scientifique a été l'occasion aux membres du GDR de faire connaissance et d'échanger sur les procédés hydrométallurgiques.

La journée a été ponctuée de trois keynotes données par des industriels extérieurs au GDR dans la matinée et par un après-midi de réflexion sur les systèmes complexes et les filières liés à hydrométallurgie.

Vous pouvez télécharger les présentations des keynotes et les conclusions du travail de réflexion en cliquant sur le lien suivant 

 

Lien public pour récupérer le CR de la journée et les présentations

Réflexion du GDR sur les systèmes complexes et les filières liés à l'hydrométallurgie

 

Les débuts de l’hydrométallurgie remontent au 7ème siècle avec la transmutation apparente du fer en cuivre par les alchimistes, qui était en fait une simple réaction de cémentation inconnue à cette époque. La découverte de l’eau régale au 8ème siècle permis aux alchimistes arabes de dissoudre l’or sans utiliser de mercure. Ce n’est qu’au 16eme siècle que l’hydrométallurgie à l’échelle industrielle commença réellement avec le développement de la lixiviation en tas en Espagne et en Allemagne pour le traitement de minerais de pyrite contenant du cuivre. En 1887, les procédés de cyanuration virent le jour pour la production de l’or. Le 20ème siècle a connu l’émergence de nouveaux procédés hydrométallurgiques innovants basés pour certains sur une nouvelle chimie comme l’électrolyse du cuivre en 1912 au Chili, ou encore entre 1924 et 1930 le développement de la lixiviation ammoniacale des minerais de nickel, les premiers procédés de lixiviation sous pression de ZnS en présence d’oxygène ou encore la lixiviation des sulfures de cuivre par des solutions de chlorure ferriques. L’essor de l’hydrométallurgie a ensuite été accéléré avec le projet US Manhattan dans les années quarante avec le développement de technologies d’extraction par solvants et d’extraction sur résine pour la production de l’uranium. Enfin, dans les années soixante avec la découverte du rôle des micro-organismes dans les processus de lixiviation ouvra la voie aux procédés de biolixiviation.

Aujourd’hui, la métallurgie extractive doit relever de nouveaux enjeux pour permettre à notre société de pouvoir se développer mais aussi pour anticiper de potentiels rapports de forces géopolitiques. L’hydrométallurgie est un domaine particulièrement adapté pour relever ces défis. Parmi eux, l’hydrométallurgie doit pouvoir s’adapter pour traiter efficacement des minerais à faible teneur contenus dans des matrices polymétalliques dont la composition peut varier fortement dans le temps (en particulier dans les procédés hydrométallurgiques pour le recyclage). Ces procédés hydrométallurgiques doivent aussi être économiquement viables (dans une société où la fluctuation des ressources est sans précédent, peu énergivores et respectueux de l’environnement.

Une vision systémique de la chaîne de valeur de l’extraction des ressources à la fabrication des matériaux à partir des ressources jusqu’à leur utilisation et leur fin de vie est indispensable. Ainsi, l’innovation dans le domaine de l’hydrométallurgie repose sur des compétences croisées et sur la faculté de pouvoir favoriser les échanges de compétences dans des domaines très variés touchant notamment aux procédés de traitement physique et physicochimique des minerais et des déchets, à la physicochimie des procédés de mise en solution et de purification, et à l’industrialisation durable des procédés hydrométallurgiques.

Pour les procédés de traitement physique et physicochimique des minerais et des déchets, il est indispensable de bien caractériser les matériaux qui seront traités en termes de cristallinité, de textures polyphasiques, de libération afin de choisir les technologies adéquates à une comminution la moins énergivore possible et produisant le moins de particules fines possible, source de perte de matière. Ces procédés doivent pouvoir minimiser la quantité de déchets générés et réduire la consommation d’eau en favorisant les voies sèches. Ils doivent aussi être adaptés aux matériaux complexes de la mine urbaine qui sont multi-métalliques et à faible contraste de propriétés physicochimiques en développant de nouveaux schémas de concentration, qui peuvent être basés sur la modification des propriétés locales des matériaux à traiter, pour faciliter leur séparation par des techniques de tri avancées et variées, comme le tri optique.

En ce qui concerne la physicochimie des procédés de mise en solution et de purification, les enjeux recouvrent des approches cinétiques, thermodynamiques et technologiques. La cinétique des procédés de mise en solution est souvent limitée par la croissance de couches de surface qui rendent difficile le transfert des réactifs aux interfaces. Il faut pouvoir développer des méthodes d’étude et de caractérisation in-situ des interfaces et acquérir des données cinétiques et thermodynamiques pour mieux décrire les mécanismes complexes prenant place au cours de la lixiviation. Les opérations de purification par extraction liquide-liquide et solide-liquide et par précipitation sélective doivent être en rupture avec les procédés déjà existants en développant respectivement de nouveaux matériaux d’adsorption organiques et inorganiques, de nouvelles molécules extractantes sélectives et efficaces et en améliorant les modèles de précipitation-cristallisation. L’automatisation des essais de screening de molécules, le développement de systèmes micro-fluidiques et de méthodes d’analyse en ligne doivent pouvoir contribuer à cela. La modélisation des processus impliqués dans ces opérations de mise en solution et de purification est aussi une étape clé pour pouvoir développer des procédés pouvant opérer de façon optimale à tout moment aussi bien en termes de performance d’extraction, de consommation énergétique que de rejet d’effluents. Tous ces points contribueront au développement de procédés performants, propres et compétitifs capable de traiter des ressources primaires et secondaires complexes.

L’industrialisation durable des procédés hydrométallurgiques repose sur l’accélération de la transition des petites échelles vers les grandes échelles, la conception et l’optimisation multi-objectifs de toute la filière de retraitement et la maîtrise des procédés de production de matières secondaires et de leur réutilisation. Il faut pour cela avoir une représentation claire de la chaîne de valeurs dans son ensemble et des flux de matières. Finalement, l’industrialisation des procédés hydrométallurgiques et l’innovation dans ce domaine repose aussi sur la mise en place de formations de haut niveau dans les universités et les écoles d’ingénieur à tous les stades de la vie.

Au cours de la Journée Scientifique 2016 du GDR Prométhée qui s’est tenue le 6 Octobre 2016 sur le site de l’ENSG à Vandoeuvre-lès-Nancy, Mme Loe-Mie (JGI-HYDROMETAL), Monsieur Christmann (consultant, KRYSMINE) et Monsieur Cathelineau (Université de Lorraine – Laboratoire GéoRessources) ont animé 3 groupes en parallèle autour de la définition des clés du développement d’une hydrométallurgie capable de relever les défis du 21ème siècle inhérents à la gestion durable des ressources minérales non énergétiques complexes:

  • La flexibilité ou agilité du procédé de traitement hydrométallurgique pour une adaptation rapide aux variations des matières à traiter et aux opportunités économiques

Ce besoin de flexibilité avait été évoqué par J. Thiry dans le contexte du traitement des minerais à forte teneur en U, dont la teneur varie considérablement sur des échelles de temps courtes. Il s’agit donc bien d’un thème fédérateur, qui réunit des problématiques propres au recyclage et au traitement des ressources primaires.

Les thèmes suivants ont été discutés en liaison avec la problématique de la flexibilité du procédé hydrométallurgique:

  • L’usine du futur est une réponse aux attentes de l’industrie manufacturière en matière d’agilité des procédés de fabrication. La question qui est posée concerne l’analyse des procédés hydrométallurgiques à travers le prisme des principes et technologies de l’usine du futur.
  • L’intensification des procédés, avec notamment le couplage ou hybridation de procédés.
  • Le développement de l’interface entre la minéralurgie et l’hydrométallurgie, pour une prise en compte des propriétés des minerais dans les procédés hydrométallurgiques.
  • La co-valorisation des métaux présents dans le flux à traiter, thème évoqué aussi par M. Cathelineau dans sa présentation et au cœur de la question de la flexibilité du procédé hydrométallurgique.
  • Le traitement de flux dilués et poly-éléments.
  • L’échantillonnage des flux de matière en entrée d’installation, aussi mentionné par J. Thiry dans sa présentation, qui nécessite de quantifier non seulement des paramètres opératoires comme pression et T°, mais aussi les teneurs en éléments des flux à traiter, avec les problématiques de mesure en ligne. Cette question d’échantillonnage des flux matière est aussi commune au traitement de la mine urbaine et des ressources primaires et secondaires.

D’autres thèmes fédérateurs ont été mentionnés en sus des précédents :

 

  • La problématique de la récupération des terres rares reste un enjeu important pour HYDROMETAL.
  • Le traitement de minerais primaires oxydés présente de réels enjeux en termes de recherche, contrairement aux minerais sulfurés pour lesquels des solutions hydrométallurgiques ont été développées depuis longtemps.
  • L’interface entre la biologie et les procédés pour l’amélioration des procédés bio-hydrométallurgiques, qui implique une meilleure interface entre les biologistes et les chercheurs en procédés.
  • Le traitement hydrométallurgique des effluents et des sols.

De l’avis général, il est ressorti que la recyclabilité des matériaux doit être prise en compte dès leur conception, et que l’économie de la fonctionnalité ne doit pas être le seul facteur pris en compte dans le développement de nouveaux matériaux. Il est donc nécessaire que la communauté du GDR sensibilise les concepteurs de matériaux pour que ces considérations soient intégrées au cahier des charges de développement des nouveaux matériaux. Dans le même registre, il apparaît nécessaire de conduire une analyse prospective des matériaux du futur, pour anticiper les problèmes à venir de retraitement de ces matériaux.

  • Quelle hydrométallurgie pour quels systèmes complexes et quelles filières ? »

Le diagnostic général concernant le recyclage est qu’il est une condition nécessaire mais non suffisante pour faire face aux demandes croissantes des industries (qui sont celles de la société). Il faut donc continuer de s’intéresser aux ressources primaires.

Les nouveaux minerais seront des minerais plus pauvres, plus difficiles à traiter, et qu’il sera judicieux de traiter ces minerais pour en extraire l’ensemble des métaux présents afin de faire cesser « l’écrémage » actuel, la plupart des exploitations ne s’intéressant qu’aux parties riches en un seul métal.

Les nouveaux objets seront donc complexes, avec de grandes hétérogénéités de concentrations aussi bien pour les éléments valorisables que les pénalisants.

Pour cela il faudra développer :

  • une hydrométallurgie plus propre, plus économe en matière (eau, acides, …)
  • des extractants stables et robustes
  • des prétraitements susceptibles de réduire les volumes à traiter ou qui faciliteront le traitement ultérieur

 

Les difficultés auxquelles les traiteurs vont devoir faire face seront :

  • une hydrométallurgie complexe : les problèmes liés à la présence en abondance de majeurs susceptibles de gêner l’extraction des éléments en traces (par exemple, problème du fer)
  • l’évaluation économique du coût des procédés dans un monde économique peu prévisible (économie multicritère), des collaborations avec des économistes seraient souhaitables afin de savoir si telle recherche peut vraiment déboucher sur des solutions industrielles rentables
  • s’adapter aux évolutions des besoins et des demandes (par exemple, nouvelles générations d’alliages, comme les alliages à haute entropie, qui peuvent déplacer l’intérêt des utilisateurs vers des groupes d’éléments différents)

 

Enfin un certain nombre de questions ouvertes subsistent :

  • doit-on s’intéresser aux milieux non usuels (liquides ioniques, autres solvants) qui peuvent constituer des axes de recherche pour des problèmes spécifiques ?
  • la législation permettra-t-elle de forcer à dépolluer (driver environnemental ?) sinon co-exploiter les autres métaux : c’est actuellement une des activités en hydrométallurgie , soit « inerter » des pénalisants non rejetables (As, Se, Cr, Cd, ..)) dans le milieu naturel

 

En ce qui concerne le recyclage il conviendra d’évaluer dans le cas de multi-recyclage, si un nombre maximal de phases de recyclage peut constituer un frein. Il sera enfin utile de connaître les chaines de valeur des métaux stratégiques.

Les domaines d'application de l'hydrométallurgie et de la biohydrométallurgie sont très diversifiés :

  • traitement des minerais: biooxydation des minerais sulfurés permettant, par exemple, l'extraction de l'or ou de métaux rares; extraction du cuivre ou du zinc à partir de leurs minerais oxydés. L'hydrométallurgie est indispensable à une valorisation efficiente des minéralisations oxydées de zinc, souvent à très hautes teneurs.
  • Valorisation des métaux contenus dans les résidus miniers (haldes d'exploitation, résidus de laverie) ou métallurgiques (scories) permettant en même temps la réhabilitation environnementale de sites pollués.
  • Valorisation de déchets industriels, notamment ceux liés aux produits électriques ou électroniques en fin de vie par extraction des métaux contenus dans ces déchets, les déchets électroniques pouvant contenir une grande diversité de métaux, dont certains très rares, à des teneurs parfois très supérieures à celles observées dans les minerais naturels.
  • Décontamination de sites et de sols pollués.
  • Extraction de métaux à partir de l'eau:
    • dessalement de l'eau de mer,
    • extraction de métaux à partir de saumures géothermales, des eaux de lacs salés ou des eaux connées de champs d'hydrocarbures.
    • extraction de métaux à partir d'eaux et d'effluents industriels liquides, dont les boues de stations d'épuration.
    • extraction de certains métaux requérant le recours à des techniques d'échanges d'ions ou d'extraction à l'aide de ligands (notamment uranium et terres rares)

Les technologies de ces domaines peuvent permettre une covalorisation de plusieurs métaux contenus dans un même minerai. Elles se prêtent an développement de services spécifiques à l'aide de plates-formes mobiles, répondant à des problèmes ponctuels, tels que le traitement d'un résidu particulier.

Développements à conduire :

  • Développer le Smart engineering, à bas coût de main d'œuvre. Pour cela renforcer les liens entre physico-chimistes, automaticiens, et ingénieurs procédés ;
  • Tri intelligent : analyse en ligne pour caractériser les flux à traiter ;
  • Développer la co-extraction organique et minérale visant notamment la récupération des micro-polluants;
  • Croiser les connaissances, compiler les données existantes, croiser les données provenant de différents secteurs ;
  • Intégrer les aspect législatifs et politiques français et européens relatifs aux matières premières et aux déchets.