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RÉSUMÉ
L’hydrométallurgie a été initialement développée pour extraire des métaux contenus dans des minerais (ressources primaires). Depuis plusieurs décennies, l’hydrométallurgie a dû s’adapter à la nature de plus en plus complexe des minerais et elle est la technologie de choix pour traiter les ressources secondaires (résidus miniers et déchets à recycler). Elle permet d’extraire et de séparer efficacement des éléments métalliques contenus dans des matières premières ou secondaires complexes, et de produire des sels métalliques ou des métaux ultra-purs pour faire face à la demande dans de nombreux domaines stratégiques. Cet article présente les différentes opérations unitaires des procédés hydrométallurgiques et la physicochimie impliquée dans ces opérations.
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Alexandre CHAGNES : Professeur des universités - Directeur scientifique du LabEX RESSOURCES21 Université de Lorraine – GéoRessources – UMR CNRS 7359, 2, rue du Doyen Marcel-Roubault, 54505 Vandœuvre-lès-Nancy (France)
INTRODUCTION
Les procédés de la métallurgie extractive reposent sur une première étape minéralurgique qui a pour but de concentrer les métaux contenus dans les ressources à traiter (ressources primaires issues de la mine, ressources secondaires issues des activités minières ou de recyclage) afin de faciliter les étapes mises en œuvre en aval et de réduire les volumes de flux à traiter, donc la dimension des installations industrielles, et ainsi le coût de traitement (CAPEX et OPEX). Les étapes en aval du procédé minéralurgique peuvent faire intervenir une voie pyrométallurgique ou une voie hydrométallurgique.
La pyrométallurgie a été la première voie employée pour valoriser les métaux contenus dans les ressources primaires dès l’Antiquité. L’hydrométallurgie, quant à elle, n’a vu le jour qu’à partir de la fin du XIXe siècle. On peut par exemple citer le procédé de cyanuration de l’or qui a été développé en 1887 et celui de l’argent, en 1900, ou encore l’électrolyse du zinc, réalisée industriellement à partir de 1916. L’hydrométallurgie s’est fortement développée depuis le début du XXe siècle et elle continue de prendre le pas sur les procédés pyrométallurgiques pour la production de nombreux métaux contenus dans les ressources primaires (Zn, Ni, Cu, terres rares) mais aussi plus récemment pour le recyclage (récupération des terres rares dans les aimants permanents, recyclage des déchets d’équipements électriques et électroniques dont les batteries lithium-ion, etc.).
Par rapport à la pyrométallurgie, l’hydrométallurgie est moins coûteuse en énergie puisque les opérations sont effectuées à des températures bien inférieures. Le facteur de taille est aussi à considérer, car de petites unités peuvent être conçues à des coûts réduits. Elle permet aussi le traitement de minerais plus pauvres tout en améliorant le raffinage et le rendement d’extraction.
Nous verrons tour à tour, dans cet article, les diverses étapes d’un traitement hydrométallurgique, des éléments de dimensionnement ainsi que des exemples de traitements de minerais et de déchets.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de juil. 1988 par André CHESNÉ, Dominique PAREAU
- Version archivée 2 de juin 2000 par Laurent RIZET, Pierre-Emmanuel CHARPENTIER
- Version archivée 3 de sept. 2000 par Laurent RIZET, Pierre-Emmanuel CHARPENTIER
DOI (Digital Object Identifier)
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Purification et élaboration du produit (semi)-fini
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3. Lixiviation
La lixiviation consiste à mettre en solution, sous forme ionique, les métaux recherchés. Le but est de déterminer le type de lixiviat optimal en termes de consommation et de coût de réactif, de solubilisation minimale d’impuretés et d’entretien du matériel. La lixiviation fait intervenir les étapes suivantes (figure 2) :
-
le réactif diffuse de la solution vers la surface du matériau, où il s’adsorbe ;
-
la réaction chimique ayant lieu à la surface du matériau conduit à la formation d’une espèce soluble ;
-
le produit de la réaction se désorbe de la surface et diffuse vers la solution.
3.1 Agents de lixiviation
En fonction du métal à extraire et du solide à traiter (nature des impuretés présentes), différentes solutions de lixiviation peuvent être employées. Les plus courantes sont :
-
l’eau ;
-
les acides ;
-
les bases ;
-
des solutions complexantes ;
-
des solutions oxydantes ;
-
des solutions bactériennes.
Elle permet de solubiliser les sulfates (ZnSO4) ou les chlorures formés après des opérations de grillage. Le tableau 1 rassemble quelques minéraux solubles dans l’eau, et donc pour lesquels l’eau peut effectivement être utilisée comme agent de lixiviation. L’eau a l’avantage d’être peu coûteuse et d’être non corrosive. Elle ne peut toutefois lixivier que quelques minéraux. L’eau est aussi utilisée pour laver des résidus afin d’éliminer des sels avant l’étape de lixiviation. Le lavage de cendres produites lors de l’oxydation thermique de sulfures de molybdène riches en oxyde de rhénium permet de valoriser le rhénium contenu dans ces cendres sous forme d’acide perrhénique :
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SHIH (Y.J.), CHIEN (S.K.), JHANG (S.R.), LIN (Y.C.) - Chemical leaching, precipitation and solvent extraction for sequential separation of valuable metals in cathode material of spent lithium ion batteries. - J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 100, p. 151-159 (2019).
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(2) - LI (L.) et LU (J.Y.R) - Ascorbic-acid-assisted recovery of cobalt and lithium from spent Li-ion batteries. - J. Power Sources, 218 p. 21-27 (2012).
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(3) - GOLMOHAMMADZADEH (R.J.), FARAJI (F.), RASHCHI (F.) - Recovery of lithium and cobalt from spent lithium ion batteries (LIBs) using organic acids as leaching reagents: A review. - Resource Conservation and Recycling,136, p. 418-435 (2018).
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(4) - LEWIS (A.E.) - Review of metal sulphide precipitation. - Hydrometallurgy, 104(2), p. 224-234 (2010).
-
(5) - CHAGNES (A.), SWIATOWSKA (J.) - Lithium process chemistry: resources, extractions, batteries and recycling. - Elsevier (2015).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Fragmentation appliquée aux minerais métalliques.
-
Biotechnologies dans la métallurgie extractive – Microbiologie et extraction des métaux.
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