Valorisation et dépollution des résidus de mines de tungstène – VARTA

Le projet est structuré en différentes tâches correspondant chacune à une approche complémentaire : (1) échantillonnage et caractérisation des résidus, (2) production d'un concentré, (3) approche hydrométallurgique pour extraire le tungstène et gérer l'arsenic, (4) conception d'un schéma de procédé incluant une analyse technico-économique.

Les travaux ont été consacrés à l’évaluation, au traitement et à la valorisation de résidus miniers riches en tungstène, en particulier en France et sur le site de Salau. L’exploitation de données historiques et de documents anciens a permis d’élaborer des cartes interactives recensant les anciens sites miniers et leur potentiel métallifère. Chaque site est évalué par une note d’intérêt, facilitant l’identification de ressources résiduelles, des risques environnementaux associés (arsenic, métaux lourds, radioactivité) et des possibilités de remédiation ou de valorisation économique.

Les études minéralurgiques montrent que la récupération de la scheelite dépend fortement de la granulométrie et du degré de libération. Les séparateurs gravimétriques de type Falcon UF permettent de récupérer plus de 70 % de scheelite libérée, mais présentent des limites pour les particules très fines (< 5 µm). De bonnes performances sont obtenues pour l’arsénopyrite, contrairement aux oxy-hydroxydes de fer, ce qui limite la récupération de l’arsenic. Les meilleurs schémas testés conduisent à un concentré enrichi en WO₃ avec un rendement proche de 60 %.

Une méthodologie innovante de simulation probabiliste des procédés, fondée sur des données de minéralogie quantitative automatisée, a été développée. Elle intègre les incertitudes d’échantillonnage et de granulométrie grâce au bootstrap et à des simulations Monte-Carlo. Les résultats montrent que les approches déterministes classiques tendent à surestimer les performances, soulignant l’intérêt d’une prise en compte explicite des incertitudes pour l’aide à la décision.

Parallèlement, des travaux de chimie extractive ont mis en évidence l’efficacité de l’hydroxyde double lamellaire et d’acides carboxyliques pour la dissolution de la scheelite, l’acide oxalique étant le plus réactif mais associé à une libération d’arsenic. Les analyses environnementales (ACV) indiquent que la reprise des résidus accroît les impacts environnementaux par rapport à leur inertage, malgré un intérêt en termes de récupération du tungstène. Les études économiques montrent toutefois que le procédé alcalin est le plus rentable, même avec un prix de l’APT modéré.

Enfin, les travaux sur les résidus peu oxydés confirment la nécessité de lavages préalables et montrent que la lixiviation en milieu carbonate offre des rendements en tungstène proches de 50 %, avec moins de contraintes que les procédés acides.

Les essais menés avec différentes techniques de séparation basées sur les propriétés physiques des particules ont montré que ces techniques ne permettent pas de séparer sélectivement les minéraux porteurs d’arsenic. Afin de lever ce verrou, il apparaît pertinent de réaliser des essais avec une technique basée sur les propriétés physico-chimiques des particules. En particulier, il serait intéressant d’évaluer les performances de la flottation en utilisant un équipement dédié à la flottation des particules ultra-fines. En effet, la flottation conventionnelle ne permettant pas de séparer efficacement des particules de taille inférieure à 40 µm, il est indispensable d’utiliser un dispositif dédié tel que le réacteur Imhoflot G-cell dédié à la flottation des particules de taille inférieure à 20 µm.

Les perspectives identifiées relatives à la simulation probabiliste des procédés minéralurgiques à partir de données de minéralogie quantitative automatisée portent sur l’intégration complète de la méthodologie dans un logiciel de simulation de procédés fondé sur des modèles phénoménologiques avancés, ainsi que sur l’amélioration de certaines hypothèses, notamment en ce qui concerne la modélisation fine des séparateurs et les corrections stéréologiques des données MLA. Dans cette optique, le projet constitue une étape structurante vers une simulation géométallurgique probabiliste réaliste et robuste.

Concernant la purification du tungstène en milieu carbonate, une étude de la séparation soit sur des résines échangeuses d’ions soit par extraction liquide-liquide paraît pertinente, avec un double objectif de simplification et de concentration à l’élution ou à la désextraction.

En complément des modèles de séparation de phases développés par le LGC, il semble pertinent d’envisager des modèles dans les différents domaines techniques nécessaires : optimisation de procédés (PROSIM), ACV (modèle paramétrique ajustable aux éléments d’intérêt et aux polluants rencontrés) et technico-économique (outil COUPRO en cours de déploiement au CEA), qui seraient adaptables à différents types de ressources primaires ou secondaires.

- F. Ajami, D. Giaume, G. Lefèvre, « Extraction of tungsten from mine tailings: LDH- and EDTA-assisted scheelite dissolution », Goldschmidt 2023, 10-14 juillet 2023, Lyon (France)
- F. Ajami, D. Giaume, G. Lefèvre, « Utilisation d’un Hydroxyde Double Lamellaire pour l’extraction du tungstène des résidus miniers », Journées de l’Association Française de l’adsorption, 26-27 janvier 2023, Nancy
- G. Lefèvre, F. Ajami, M. Rakotomalala, « Extraction de métaux critiques à partir de ressources secondaires : complexité et opportunité de la chimie en solution des polyoxométallates », Journées Scientifiques du GDR Prométhée, 15-16 juin 2023, Nîmes

Les résidus miniers ont souvent un impact environnemental dramatique sur l'environnement proche, les rivières et les eaux souterraines. Malheureusement, la plupart d'entre eux ont été générés il y a de nombreuses années et les sociétés minières qui les exploitaient n'existent plus pour assumer la responsabilité de l'assainissement des sols. Cependant, dans certains cas, le traitement et la valorisation des résidus pourraient être combinés, la dépollution efficace du sol étant réalisée en même temps que l’extraction de métaux de ces mines secondaires. L’accès plus facile au minerai par rapport aux mines primaires permettrait une consommation d'énergie plus faible puisque l’étape de broyage a déjà été réalisée. Le projet VARTA vise à atteindre simultanément ces deux objectifs dans le cas des résidus de la mine de Salau. Salau est un gisement de classe mondiale qui a été partiellement exploité entre 1975 et 1986. Les résidus (environ 1 Mt) sont stockés sous forme de deux tas, provenant d'un minerai de tungstène de type skarn ou de type veine. L'arsénopyrite présente pourrait être une source d'arsenic qui peut être lessivé et contaminer les eaux de surface, surtout à partir de la partie altérée des résidus. Ces résidus contiennent encore environ 0,4 % de WO3 en raison de la richesse initiale du minerai, une teneur supérieure à celle de la plupart des mines de tungstène actuelles, et de l'or entre 1 et 3 g/t. Le tungstène figure sur la liste des matières premières critiques de l'UE 2020 en raison de sa consommation mondiale croissante et de sa nature peu substituable. La valorisation des anciens résidus pourrait aider l'Europe à réduire sa dépendance.
L'objectif clé de VARTA est de développer une approche innovante basée sur un traitement dédié du minerai combiné à un nouveau procédé hydrométallurgique permettant la récupération du tungstène et potentiellement d'autres métaux valorisables (or, cuivre...), et la gestion d'un élément dangereux (arsenic) des résidus de la mine de Salau. Tout d'abord, le retraitement des résidus permettrait de valoriser et de purifier dans une certaine mesure la fraction résiduelle. Un défi réside dans l'altération superficielle des résidus suite à leur stockage pendant plusieurs années, qui pourrait avoir un impact négatif pour le procédé de concentration par flottation. Un procédé innovant permettant d'extraire à la fois les éléments toxiques (As) et valorisables (W) grâce à l'utilisation d'hydroxydes doubles lamellaires (LDH), des matériaux spécifiques dotés de propriétés d'échange d'anions, sera développé. Les propriétés chimiques des LDH ouvrent la voie à de nouvelles stratégies de traitement combinant lixiviation et séparation en une seule étape, tout en améliorant les performances de séparation. En particulier, la possibilité d'extraire W et As par des LDH en solution faiblement acide est une avancée majeure qui simplifie et réduit l'empreinte des procédés chimiques en combinant les étapes de lixiviation et de séparation, limitant le nombre d'opérations individuelles et améliorant les performances de récupération. Enfin, le potentiel d'industrialisation de l'ensemble du procédé sera évalué en combinant l'évaluation de la valeur économique des résidus, la mise à l'échelle du schéma de procédé complet, l'analyse du cycle de vie (ACV) et l’analyse technico-économique (TE).
Le potentiel de valorisation des résidus, dans son ensemble, sera obtenu pour confirmer l'intérêt de la gestion future de ces résidus. Une telle approche pourrait être reproduite sur de nombreuses anciennes mines historiques de W et conduire à satisfaire à la fois les priorités stratégiques de recyclage des métaux et les objectifs de restauration de l'environnement, et contribuer à développer de nouvelles stratégies minières plus efficaces avec moins d'étapes de traitement et un impact environnemental réduit.