CE04 - Innovations scientifiques et technologiques pour accompagner la transition écologique

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

Extraction durable de métaux de valeur dans les résidus de bauxite

Dans un contexte d’économie circulaire, le projet interdisciplinaire RECALL vise à développer des processus durables pour récupérer le fer et les métaux critiques 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.

Enjeux et objectifs

Avec une population mondiale estimée à plus de 9 milliards d'habitants en 2050, la demande de matières premières augmente rapidement. Dans ce contexte, la Commission européenne a identifié un certain nombre de matériaux confrontés à des défis spécifiques. Parmi ceux-ci, l'accès à certaines matières premières (y compris les métaux critiques) a été identifié comme une préoccupation mondiale croissante face à des conflits géostratégiques complexes. <br />La liste des métaux critiques établie par l'UE est fondée sur deux paramètres : l'importance économique et le risque associé à leur approvisionnement. Une pénurie de ces matériaux pourrait constituer un frein pour le déploiement de plusieurs technologies stratégiques, notamment le numérique et les énergies renouvelables qui contiennent de nombreux métaux critiques, dont les éléments de terres rares. Au-delà des métaux critiques, toutes les ressources minérales sont confrontées à une augmentation sans précédent de la demande, y compris les métaux de base tels que le fer (Fe), l'aluminium (Al) et le cuivre (Cu) soulignant ainsi le besoin urgent d'identifier des stratégies d'exploitation minière durables qui préservent les réserves naturelles et l'environnement. <br /> <br />Un changement de paradigme est nécessaire pour identifier des sources et des stratégies d'extraction alternatives. En particulier, dans le cadre d'une économie circulaire, il est urgent de produire ces métaux critiques à partir de sources secondaires tels que les produits en fin de vie, les résidus miniers, les déchets urbains et industriels. Cependant, les taux de recyclage de ces métaux, y compris les éléments de terres rares, sont encore inférieurs à 1 %. <br /> <br />Parmi les sources secondaires, les déchets électroniques ont fait l'objet de nombreuses recherches car ils contiennent souvent des concentrations élevées en métaux critiques. Bien que moins étudié, les déchets miniers et industriels contiennent des concentrations critiques plus faibles mais sont produits dans des volumes tellement importants que l’extraction des métaux critiques qu’ils contiennent pourrait largement satisfaire la demande annuelle actuelle. Par exemple, on estime que la production annuelle mondiale de résidus de bauxite provenant de la production d'alumine est d'environ 150 millions de tonnes. Avec une concentration moyenne en terres rares d'environ 1 000 mg/kg dans les résidus de bauxite, environ 150 000 tonnes de ces métaux pourraient être extraites chaque année, soit plus que la production mondiale en 2016 (126 000 tonnes). <br /> <br />Dans un contexte d’économie circulaire, le projet interdisciplinaire RECALL vise à développer des processus durables 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.

Les premiers travaux réalisés lors des 18 premiers mois ont permis d’avancer les objectifs des WPs 1, 2 et 3:

WP1. Caractérisation/spéciation des résidus de bauxite
Une analyse multi-échelle des résidus de bauxite de l’entreprise Altéo (Gardanne, France) a permis de déterminer la composition chimique, la minéralogie et la spéciation des terres rares lourdes dans les résidus. Si la composition chimique et la minéralogie sont conformes à ce qui a pu être décrit dans la littérature pour ce type de résidus (présence d’oxyhydroxydes de fer en majorité avec une concentration totale en terres rares de 712 mg/kg), nous avons pu caractériser pour la première fois la spéciation des terres rares lourdes par spectroscopie d’absorption des rayons X. Ces dernières sont présentes sous la forme de particules de phosphates de terres rares de 5 µm de diamètre.

WP2. Extraction sélective de métaux critiques
Des premiers tests de lixiviation sélective des terres rares ont été réalisés par dissolution assistée par ligands en utilisant des acides organiques bio-inspirés à faible poids moléculaires et à des pH modérés (entre 2 et 5). Des premiers résultats prometteurs publiés cette année (Lallemand et al. 2022) ont été obtenus avec de l’acide citrique notamment qui permet une certaine sélectivité de la dissolution vis-à-vis d’éléments majeurs tels que le Fe et le Ti par exemple. La compréhension des mécanismes de dissolution est en cours d’investigation avec l’utilisation d’une série de ligands organiques avec des groupements fonctionnels et des propriétés physico-chimiques variables. La partie extraction solide-liquide sera réalisée dans les mois qui viennent à l’ICSM dans le cadre d’un contrat de postdoctorat en cours de recrutement.

WP3. Valorisation du Fer
Des premières expériences de transformation des résidus de bauxite en nano-magnétites ont été réalisés par le partenaire Hymag’In (voie 1) en conditions hydrothermales douces et en présence de co-déchet ferreux. Les premiers résultats montrent une transformation partielle des oxyhydrooxydes de fer (la goethite est transformée en magnétite contrairement à l’hématite). Une analyse chimique des différents produits obtenus après réaction (nano-magnétites et résidus solide) ne montre pas de phénomène de concentration de terres rares dans l’un ou l’autre produit. En ce qui concerne la valorisation du fer, les efforts vont désormais se concentrer sur la voie 2 initialement proposée (valorisation du fer après extraction sélective des terres rares).

WP5. Valorisation, communication.
Deux articles scientifiques de rang A ont été publiés.
Des conférences sur la thématique « Ressources minérales et transition : un besoin de sobriété ! » ont été données à destination du grand public

La compréhension des mécanismes de dissolution est en cours d’investigation avec l’utilisation d’une série de ligands organiques avec des groupements fonctionnels et des propriétés physico-chimiques variables. La partie extraction solide-liquide sera réalisée dans les mois qui viennent à l’ICSM dans le cadre d’un contrat de postdoctorat en cours de recrutement.

En ce qui concerne la valorisation du fer, les efforts vont désormais se concentrer sur la voie 2 initialement proposée (valorisation du fer après extraction sélective des terres rares).

Enfin, l'évaluation économique du procédé sera développé dans le cadre d'un doctorat qui débute le 01/10/2022 à l'AMSE.

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

Coordinateur du projet

Monsieur Clément LEVARD (Centre National de la Recherche Scientifique Délégation Provence et Corse - Centre européen de recherche et d'enseignement de géosciences de l'environnement)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

HYMAG'IN
CNRS DR12 - CEREGE Centre National de la Recherche Scientifique Délégation Provence et Corse - Centre européen de recherche et d'enseignement de géosciences de l'environnement
ICSM Institut de Chimie Séparative de Marcoule
AMSE Aix Marseille School of economics

Aide de l'ANR 516 972 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2021 - 48 Mois

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