Extraction durable de métaux de valeur dans les résidus de bauxite – RECALL

Méthodes et approches :

Le projet RECALL développe une approche intégrée et interdisciplinaire pour concevoir des procédés durables de valorisation des résidus de bauxite. Il s’appuie sur un consortium réunissant le CEREGE (géosciences, coordination), l’ICSM (chimie de la séparation) et l’Aix-Marseille School of Economics (économie de l’environnement), en interaction avec des partenaires socio-économiques tels que HYMAG’IN (valorisation du fer). Cette complémentarité couvre l’ensemble de la chaîne de valeur, de la caractérisation des matériaux à l’évaluation socio-économique des procédés.

La méthodologie repose sur six work packages (WP) interconnectés. Le WP0 assure la coordination. Le WP1 fournit une caractérisation multi-échelle et une spéciation fine des métaux d’intérêt (TR, Fe, Ga), indispensables au développement de procédés sélectifs. Le WP2 développe des stratégies de lixiviation innovantes en conditions douces (milieu aqueux, molécules inspirées du vivant), couplées à des techniques de séparation solides/liquides (membranes, résines) afin d’optimiser sélectivité et efficacité. Le WP3 explore la valorisation du fer, initialement sous forme de magnétite, avec co-extraction potentielle de Ga et Sc, dans une logique de co-valorisation et de réduction des déchets. Deux voies sont étudiées (extraction des métaux critiques avant ou après valorisation du fer) afin d’identifier les configurations les plus performantes. Le WP4 met en œuvre une analyse coût-bénéfice étendue (SCBA) intégrant les externalités environnementales et sanitaires, afin d’évaluer les gains de bien-être social et d’orienter les choix techniques via des boucles de rétroaction. Enfin, le WP5 assure la diffusion et la valorisation des résultats.

L’originalité du projet réside dans l’intégration forte entre développement de procédés et évaluation socio-économique. En dépassant une approche strictement technico-économique, RECALL vise à identifier des solutions optimales au regard du bien-être social, en arbitrant entre rendement, sélectivité et réduction des impacts. Cette approche systémique constitue un levier pour l’émergence de filières durables de valorisation des déchets industriels dans une perspective d’économie circulaire

Évolutions au cours du projet:

Le projet ciblait initialement un résidu de bauxite d’Altéo (Gardanne, bauxite guinéenne), avec un focus sur l’extraction des TR, du Ga et du fer. Toutefois, l’étude de dépôts anciens d’origine provençale a mis en évidence des variations majeures de teneurs et de spéciation des terres rares selon l’origine du minerai (Couturier et al., 2024). Le périmètre a donc été élargi à sept résidus contrastés (origine, âge, mode de stockage) pour les WPs 1 et 2. Dans ce contexte, l’étude du Ga n’a pas pu être approfondie. Par ailleurs, des évolutions stratégiques chez HYMAG’IN ont conduit à tester la production de ferrites, en substitution de la magnétite initialement envisagée pour valoriser le fer.

Ce projet a permis d’identifier les principaux verrous et leviers pour la valorisation des terres rares (TR) et du fer contenues dans les résidus de bauxite (BR), en articulant spéciation, extraction et procédés de purification dans une approche intégrée et durable.

Les résultats montrent que la spéciation des TR constitue un facteur déterminant pour leur extractabilité. Elle dépend principalement de l’origine des bauxites (latéritiques vs karstiques). Dans les BR latéritiques, les TR lourdes sont majoritairement présentes sous forme de phosphates très stables (type xénotime), tandis que la spéciation des TR légères est plus diverse et complexe. À l’inverse, dans les BR karstiques, les TR lourdes sont adsorbées ou incorporées dans des phases secondaires (oxyhydroxydes de fer, hydroxyapatite), et la présence de CeO2 a été observée. Cette variabilité explique les différences de comportement lors de l’extraction. Les travaux ont démontré que des procédés d’extraction à pH modéré utilisant des acides organiques faibles permettent une dissolution sélective contrôlée par la spéciation. A titre d'exemple, jusqu'à 80% des TR légères des BR latéritiques peuvent être extraites à pH 2,7–4,5, avec une bonne sélectivité vis-à-vis des TR lourdes, du Fe et de l’Al. Les TR lourdes quand à elles sont plus solubles pour les BR karstiques avec des taux d'extraction pouvant atteindre 60%.

En aval, des ligands et résines biosourcés ont été développés pour le traitement des lixiviats. Les résines formophénoliques présentent des capacités d’adsorption de 0,38 à 0,75 mmol/g, des cinétiques rapides et une sélectivité modulable par le pH, permettant l’extraction efficace des lanthanides dans des milieux complexes. Une étape complémentaire de précipitation sélective du calcium, notamment via des billes d’alginate en mode batch et continu, a été validée comme solution de purification.

Par ailleurs, les résultats montrent que la valorisation des BR peut être couplée à celle du fer : des transformations hydrothermales permettent la formation de ferrites (jusqu’à 77 % massique pour NiZn), bien que des limitations subsistent en termes de pureté et de propriétés fonctionnelles .

Enfin, une analyse intégrée des coûts et bénéfices à l’échelle des filières souligne le potentiel du recyclage des TR à partir de BR pour réduire les impacts environnementaux et sanitaires par rapport à l’extraction primaire . Ces résultats démontrent la faisabilité de stratégies d’extraction « à la carte » adaptées à la spéciation des BR, ouvrant la voie à des procédés sobres, sélectifs et compatibles avec une économie circulaire des terres rares.

Les résultats du projet RECALL ouvrent de nombreuses perspectives:

Quantification des stocks:

La question de l’estimation des stocks de TR dans les résidus de bauxite entreposés dans le sud-est de la France s’inscrit pleinement dans la stratégie nationale d’inventaire des métaux critiques, à la fois dans le sous-sol et dans les gisements secondaires. Les résultats obtenus dans ce projet renforcent la nécessité de quantifier ces stocks, en particulier en Provence. Cette démarche fait l’objet d’une proposition dans le cadre d’un appel à projets du PEPR « Sous-sol, bien commun » pour lequel C. Levard est partenaire.

Résidus de bauxite comme source secondaire de TR ?

Les travaux réalisés, notamment sur la caractérisation et la lixiviation des terres rares, seront présentés à l’industriel Carrester, qui développe des procédés innovants de valorisation des ressources secondaires, afin d’évaluer la possibilité de tests d’extraction sur leur ligne pilote. Cette entreprise participait par ailleurs au comité consultatif d’acteurs de l’expertise CNRS sur les terres rares que j’ai pilotée.

Changement d’échelle:

Les travaux réalisés ont été conduits à l’échelle du laboratoire, sur de faibles volumes. La prochaine étape consistera à transposer ces résultats à l’échelle pilote afin de tester la robustesse des procédés et d’optimiser les conditions opératoires en vue d’une éventuelle industrialisation.

1. Arrachart, G.; Couturier, J.; Dourdain, S.; Levard, C.; Pellet-Rostaing, S., Recovery of rare earth elements (REEs) using ionic solvents. Processes 2021, 9, (7), 1202.
2. Lallemand, C.; Ambrosi, J. P.; Borschneck, D.; Angeletti, B.; Chaurand, P.; Campos, A.; Desmau, M.; Fehlauer, T.; Auffan, M.; Labille, J.; Roche, N.; Poizat, L.; Collin, B.; Rose, J.; Levard, C., Potential of Ligand-Promoted Dissolution at Mild pH for the Selective Recovery of Rare Earth Elements in Bauxite Residues. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2022, 10, (21), 6942-6951.

Dans le cadre d'une économie circulaire, le projet RECALL (Récupération douce de métaux de valeur dans les résidus de bauxite) vise à extraire les métaux à valeur ajoutée d'un déchet industriel dans le but global de réduire la pression sur les ressources minérales naturelles et d'analyser ses conséquences en termes de bien être humains.

Avec l’augmentation de la population mondiale (9 milliards de personnes en 2050), la demande en matières premières augmente rapidement, en particulier dans les pays nouvellement industrialisés. En raison des réserves limitées et de l'augmentation exponentielle de la demande en matières premières, il est urgent de changer de paradigme pour identifier des sources alternatives et des stratégies d'extraction plus durables. En particulier, la Commission européenne a identifié un certain nombre de matériaux et de secteurs confrontés à des défis spécifiques. Parmi eux, l'accès à certaines matières premières minérales (dont les métaux critiques) a été identifié comme une préoccupation mondiale croissante face à des conflits géostratégiques complexes ou à des obstacles technologiques. En raison de l'importance économique des métaux critiques (ils sont présents dans de nombreuses applications émergentes, y compris les énergies renouvelables) et de leur risque d'approvisionnement élevé, la production de ces métaux à partir de sources secondaires semble être clé pour soutenir ces nouveaux secteurs économiques.

Dans ce contexte, le projet interdisciplinaire et intersectoriel RECALL vise à développer des processus durables (en milieu aqueux à température relativement basse et sans utilisation de solvants et d'acides minéraux forts) pour récupérer le fer et les métaux critiques (terres rares, gallium et scandium) à partir de résidus de bauxite tout en explorant l'impact économique du procédé développé en termes de bien-être social dans lequel les impacts potentiels sur l'environnement et la santé sont pris en compte.

En plus d'un WP dédié à la coordination du projet, le projet RECALL repose sur cinq WP qui visent à développer des procédés d'extraction séquentielle pour les métaux critiques (WP2) et le fer (WP3) sur la base d'une caractérisation approfondie des résidus à différentes étapes du procédé (WP1). Des proxys de biomolécules naturelles seront utilisées comme extractants dans des conditions douces. Le WP4 quantifiera la réduction des externalités négatives (par exemple, les impacts environnementaux et sanitaires du processus que nous développerons) par rapport aux protocoles hydro-pyro-métallurgiques traditionnels, et guidera les processus développés dans WP2 et WP3 via des boucles de rétroaction. Nous pensons que la prise en compte du bien-être social, qui va bien au-delà des performances techniques du procédé, ouvrira la voie à la valorisation industrielle d'un déchet controversé qui est actuellement peu ou pas valorisé. En particulier, nous pensons que cette approche interdisciplinaire nous permettra de mieux anticiper les problèmes de marché qui pourraient empêcher la montée en puissance de la technologie.

Enfin, WP5 propose entre autre une action innovante de sensibilisation envers la société avec la conception et la construction d'un module d'exposition sur le concept de « mine urbaine » dans le cadre d'une exposition grand public sur l'économie circulaire qui se tiendra en 2022 près de Marseille.

Ce projet sera un tremplin pour cette thématique identifiée comme stratégique par le CEREGE et permettra d’initier des collaborations internationales (Horizon Europe). Ce projet d’intérêt scientifique, économique et sociétal est soutenu par l’institut de l’économie circulaire