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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.
L'expertise technique et scientifique de référence
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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Dimensionnement d’un procédé hydrométallurgique
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4. Purification et élaboration du produit (semi)-fini
La lixiviation est rarement sélective. La solution contient des impuretés qui peuvent perturber l’élaboration du métal désiré ou nuire à sa pureté. Il est donc nécessaire soit de purifier la solution issue de l’étape de lixiviation, dans une étape de purification, soit d’extraire sélectivement les espèces métalliques d’intérêt en laissant en solution les impuretés, au cours d’une étape d’extraction sélective. Au cours de cette étape, les espèces métalliques peuvent être extraites tour à tour afin de les séparer et de produire un sel métallique pur, par précipitation par exemple. Les techniques mises en place pour extraire, séparer ou purifier sont la plupart du temps les mêmes que celles utilisées pour élaborer le produit semi-fini ou fini. Dans cette partie, nous présenterons les principales opérations unitaires utilisées pour extraire, séparer, purifier et pour élaborer le produit (semi)-fini, sans distinction particulière.
4.1 Cémentation
Cette opération, qui n’a rien à voir avec la cémentation des aciers (enrichissement superficiel en carbone pour augmenter la dureté), est la plus couramment mise en œuvre en hydrométallurgie. Elle consiste en la précipitation d’un métal, à partir d’une solution aqueuse d’un de ses sels, par un autre métal, par le biais d’une réaction d’oxydo-réduction. Un métal déplace donc un autre métal moins électronégatif, présent sous la forme d’un sel. Plus le potentiel d’un métal en solution est élevé, plus il est noble, et plus sa réduction par un autre métal sera aisée (une étude théorique de ce phénomène est présentée au § 5.3).
Cette technique permet des rendements d’extraction élevés, et elle est particulièrement employée dans l’hydrométallurgie du zinc. La solution de lixiviation subit deux...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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
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Fragmentation appliquée aux minerais métalliques.
-
Biotechnologies dans la métallurgie extractive – Microbiologie et extraction des métaux.
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