Un nouveau procédé de biolixiviation mécaniquement assisté – BIOMECALIX

La méthodologie a consisté à concevoir, élaborer puis exploiter un réacteur expérimental de 4 L. Une part importante du travail a consisté à étudier séparément certains aspects (efficacité de la lixiviation attritive abiotique, impact de particules fines sur les micro-organismes), avant de mettre en place un protocole expérimental permettant l’étude du procédé complet.
Les essais ont été menés dans des conditions biocompatibles (pH = 1, T = 42 °C), sur un concentré de chalcopyrite issu d’un site minier. L’interprétation des essais s’est basée sur de très nombreuses caractérisations physiques (granulométrie des poudres, masse des solides), chimiques (composition chimique et structurale des solides et de la phase aqueuse) et biologiques (comptage de biomasse, analyses bactériennes) menées avant, pendant et après les essais et permettant l’établissement de bilans matières et biologiques les plus précis possibles.

Les avancées majeures du projet BIOMECALIX sont :
- La démonstration de l’efficacité de la lixiviation attritive pour la dépassivation de la chalcopyrite,
- Une meilleure compréhension de l’influence des paramètres sur les phénomènes de passivation,
- La démonstration de l’effet positif de la présence de particules fines (< 20 µm) sur la croissance et l’activité des populations bactériennes utilisées en biolixiviation,
- La mise en évidence de conditions de fonctionnement permettant aux bactéries d’être actives en présence de billes, ouvrant la possibilité de minimiser la consommation d’acide et d’obtenir un meilleur rendement de dissolution du cuivre que dans un procédé abiotique.

Les perspectives de ces travaux, en vue d’une meilleure compréhension du procédé hybride de biolixiviation attritive de la chalcopyrite, sont notamment l’étude approfondie de l’effet de ces paramètres et la capacité d’adaptation des bactéries à l’environnement attritif.

L’étude du procédé de lixiviation attritive sera poursuivie par le LGC dans le cadre du projet LULABAT (PEPR « Recyclage, recyclabilité et ré-utilisation des matières ») pour le cas d’application du recyclage des batteries au lithium. Grâce à la synergie née de la collaboration entre les équipes du LGC et du BRGM au cours du projet BIOMECALIX, d’autres travaux seront menés en collaboration dans le cadre du PEPR « Sous-sol, Bien commun » (2 actions communes financées dans ce PEPR), portant sur les problématiques des procédés de lixiviation des minerais sulfurés.

Publication dans des revues à comité de lecture
A. Dakkoune, F. Bourgeois, A. Po, C. Joulian, A. Hubau, S. Touzé, C. Julcour, A.-G. Guezennec, L. Cassayre, Hydrometallurgical Processing of Chalcopyrite by Attrition-Aided Leaching, ACS Engineering Au. 3, 3, 195–209 (2023).
doi.org/10.1021/acsengineeringau.2c00051

Communication à des congrès (sélection sur résumé)

A. Po, A. Hubau, C. Joulian, A. Dakkoune, C. Julcour, F. Bourgeois, S. Touze, L. Cassayre, A-G. Guezennec, Bioleaching of chalcopyrite: the effect of particle size on passivation, bacterial growth and activity, 24th International Biohydrometallurgy Symposium (IBS), 20-23 Novembre 2022, Perth, Australie.

A. Dakkoune, A. Dufourny, C. Julcour, L. Cassayre, F. Bourgeois, Attrition et lixiviation : deux procédés synergiques pour les procédés hydrométallurgiques limités par la passivation, 18ème congrès de la Société Française de Génie des Procédés, 7-10 novembre 2022, Nantes, France.

A. Po, A. Hubau, C. Joulian, M. Assarra, G. Laurent, A. Dakkoune, C. Julcour, F. Bourgeois, L. Cassayre, A-G. Guezennec, Effet de l’attrition sur les communautés bactériennes dans un procédé de biolixiviation, 18ème congrès de la Société Française de Génie des Procédés, 7-10 novembre 2022, Nantes, France.

Communication à des séminaires et colloques

C. Laskar, A. Dakkoune, C. Julcour, F. Bourgeois, B. Biscans, L. Cassayre, Le procédé d'attrition-lixiviante en hydrométallurgie: Une synergie matériau-dépendante, Journées annuelles du GDR Prométhée, 15-16 juin 2023, Nîmes, France.

A. Dakkoune, F. Bourgeois, A. Po, C. Joulian, A. Hubau, S. Touzé, C. Julcour, A.-G. Guezennec, L. Cassayre, Amélioration de la dissolution de la chalcopyrite par le procédé d'attrition lixiviante, Journées annuelles du GDR Prométhée, 24-25 mars 2022, Toulouse, France.

A. Po, A. Hubau, C. Joulian, A. Dakkoune, C. Julcour, F. Bourgeois, S. Touze, L. Cassayre, A-G. Guezennec, Impact of particle size on chalcopyrite bioleaching, 8th PROMETIA Scientific Seminar, 1er Décembre 2021, Seville, Espagne.

Dans le contexte des procédés hydrométallurgiques dédiés à la récupération de métaux, l’étape de lixiviation consiste à dissoudre des particules solides (minerais, déchets à recycler) dans une phase aqueuse. Dans l’objectif de l’amélioration des rendements, d’une meilleure utilisation des ressources et de la réduction des effluents, le projet BIOMECALIX vise à étudier l’intérêt et la faisabilité d’un procédé de lixiviation innovant, compétitif et éco-efficient. Ce procédé hybride combine les avantages de la biolixiviation (température et acidité modérées, production in situ du réactif oxydant par des microorganismes) et de l’attrition lixiviante (broyage in situ, abrasion des couches de passivation grâce à un media broyant agité). Le cas d’application est la chalcopyrite, mais le cadre est général aux procédés de lixiviation faisant intervenir une réaction redox.
Un tel couplage soulève plusieurs enjeux scientifiques : (i) La levée des deux barrières cinétiques majeures (réaction redox grâce aux bactéries et passivation grâce à l’attrition) permet-elle d'atteindre les rendements prévus par la thermodynamique ? (ii) Quel est l’impact des contraintes hydrodynamiques et mécaniques sur les microorganismes ? (iii) Quelle est l’étape limitante : la croissance ou l’activité bactérienne, le transfert gaz-liquide (oxygène nécessaire à l’activité bactérienne), les réactions de dissolution, l’attrition des couches de passivation ?
La méthodologie proposée combine des travaux expérimentaux dans différents types de réacteurs et des travaux de modélisation. Le projet s’appuie sur un consortium composé d’experts en génie des procédés, ingénierie des réacteurs, thermodynamique, modélisation, microbiologie et hydrométallurgie, au Laboratoire de Génie Chimique (LGC) et au Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM). Il est prévu de recruter un doctorant, un post-doctorant et six stagiaires au cours des 42 mois du projet.
Le programme de travail comporte quatre tâches techniques. Les deux premières tâches portent sur l’adaptation des procédés non couplés (actuellement développés par chacun des partenaires) aux conditions d’un réacteur hybride. Ainsi, l’attrition lixiviante sera étudiée dans des conditions biocompatibles (pH modéré, T entre 40 et 55°C, apport en oxygène) au LGC, tandis que le BRGM évaluera l’impact des conditions existantes dans un réacteur d’attrition (rapport solide/liquide élevé, présence d’un média broyant, contraintes hydrodynamiques) sur les microorganismes. Une troisième tâche visera à établir la preuve de concept du procédé hybride, en se basant sur une sélection raisonnée des paramètres opératoires, et en menant des campagnes expérimentales dans un réacteur développé pour le projet. En parallèle, une quatrième tâche s’attachera à proposer un modèle de lixiviation intégrant équilibres thermodynamiques, lois cinétiques liées aux différents phénomènes, et contraintes de cisaillement. Ce modèle viendra appuyer l’établissement des bilans du procédé, pour finalement élaborer un outil de simulation du procédé hybride. Cet outil servira pour une évaluation technico-économique et l’établissement d’une comparaison quantitative (énergétique et environnementale) du procédé hybride par rapport aux procédés existants pour le traitement de la chalcopyrite, en voies aqueuse et pyrométallurgique.
L’impact attendu par le projet est en premier lieu scientifique, puisqu’il aborde plusieurs questions fondamentales et récurrentes portant sur divers aspects des opérations de (bio)lixiviation. L’ensemble des résultats pourraient ouvrir la voie au développement de nouveaux procédés de lixiviation pour d’autres types de ressources (primaires ou déchets), avec un impact économique important. Par ces perspectives, le projet s’inscrit donc pleinement dans les enjeux de l’Axe 3 du défi Stimuler le renouveau industriel du plan d’action de l’ANR, et, plus spécifiquement, du thème Procédés économes, intensifiés et nouveaux milieux.