Métaux stratégiques

 

Enjeux

Le développement de nouvelles technologies à haute valeur ajoutée a considérablement accéléré et diversifié la consommation mondiale de ressources minérales métalliques au cours des dernières décennies. Le nombre de métaux utilisés dans l’industrie a ainsi doublé depuis le début du vingtième siècle. Une vingtaine de nouveaux éléments est aujourd’hui devenue indispensable à de nombreuses applications dont la production d’énergie décarbonée, le stockage d’énergie, l’informatique, les télécommunications et l’aéronautique.

Dépendante pour ses approvisionnements en matières premières métalliques, l’Europe est aujourd’hui vulnérable vis-à-vis de la volatilité des prix et du risque de pénurie. A ce titre, la Commission européenne a publié et met régulièrement à jour, une liste de métaux dits « stratégiques », dont certains sont présents dans les DEEE.

La Chaire Mines urbaines souhaite contribuer à l’optimisation du recyclage des métaux stratégiques contenus dans les DEEE, qui constituent un gisement complexe, dispersé et hétérogène, dont la qualité et la quantité évoluent au rythme des avancées technologiques.

 

Travaux de la chaire

Les travaux de la chaire portant sur le recyclage des métaux stratégiques s’articulent autour de quatre volets :

  • Vérification de la compatibilité des flux de collecte de DEEE avec les procédés de traitement
  • Anticipation des évolutions à venir des DEEE et de leur compatibilité avec les filières actuelles
  • Développement de procédés d’extraction de métaux présents en faibles concentrations dans les DEEE
  • Développement de méthodologies analytiques  miniaturisées pour la caractérisation des produits et le suivi des procédés avant et après recyclage

 

Équipes impliquées

Équipe Ressources et Matériaux pour un Monde Durable – Institut de Recherche de Chimie Paris – Paris (France)

  • Pr Philippe Barboux : Films minces, nanoparticules, matériaux pour le stockage de l’énergie
  • Pr. Gérard Cote : Hydrométallurgie et cycle du combustible nucléaire
  • Pr Michel Minier : Biotraitements
  • Dr Grégory Lefèvre : Colloïdes et chimie des interfaces
  • Doctorante Agathe Hubau [Chaire Mines Urbaines] : Bioleaching des D3E.

 

Équipe Procédés, Plasmas, Microsystèmes – Institut de Recherche de Chimie Paris – Paris (France)

  • Pr Daniel Morvan : Purification du silicium par plasma et analyse élémentaire
  • Dr Frédéric Rousseau : Développement de procédés plasmas (froid et thermique) pour le dépôt de couches minces dédiées à l’environnement et à l’aéronautique
  • Doctorant Jonathan Cramer [Chaire Mines Urbaines] : Valorisation des D3E par traitement plasmas
  • Dr Olivier Lesage (postdoctorant de juillet 2014 à décembre 2015) [Chaire Mines Urbaines] : Valorisation des D3E par traitement plasmas

 

Équipe Métallurgie Structurale – Institut de Recherche de Chimie Paris – Paris (France)

  • Pr Frédéric Prima : Alliages métalliques complexes (applications biomédical, aéronautique et recyclage)

 

Équipe Synthèse, Electrochimie, Imagerie et Systèmes Analytiques pour le Diagnostic – UTCBS, Unité de Technologies Chimiques et Biologiques pour la Santé (UTCBS) UMR CNRS 8258 – U INSERM 1022

  • Dr. Fethi Bedioui : Electrochimie, analyse, capteurs
  • Pr. Anne Varenne : Electrochimie, analyse, capteurs
  • Doctorant Jérémie Gouyon  [Chaire Mines Urbaines] 

 

Expertise déployée

L’ensemble des équipes impliquées constitue une association pluridisciplinaire entre des spécialistes de la physico-chimie des procédés, des chimistes des matériaux, des physicochimistes des colloïdes et des spécialistes des sciences analytique mettant en commun leurs compétences à l’interface des matériaux et des procédés.  Elle est à même de proposer des solutions innovantes susceptibles de lever les verrous technologiques rencontrés par l’industrie dans le domaine des matières premières et de l’énergie : cycle électronucléaire (de l’extraction de l’uranium, chimie des circuits caloporteurs, à la gestion des déchets), cycle de vie des matières premières (hydrométallurgie, biolixiviation, élaboration, recyclage et refabrication), stockage d’énergie électrochimique (matériaux d’électrode pour batteries, supercondensateurs, redox flow et électrolytes pour batteries lithium-ion), analyse et suivi de procédés.

 

Équipements mis en œuvre  

  • Equipement d’extraction liquide-liquide, colonnes chromatographiques
  • Torche plasma de puissance pour l’extraction sélective des éléments stratégiques contenues dans les déchets électriques / électroniques
  • Four à arc
  • Technique d’analyse LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy)
  • ICP-AES
  • Microscopie électronique à balayage (SEM-FEG)
  • Analyse Dispersive en Energie (EDX)
  • Laboratoire sur puces (Lab-on-a-chip)

 

Références antérieures 

Collet, A. Chagnes, B. Courtaud, J. Thiry, G. Cote, Solvent Extraction of Uranium from Acidic Sulfate Media by Alamine®336: Computer Simulation and Optimization of the Flowsheets, Journal of Chemical Technology and Biotechnology 84 1331-1337 (2009).

Chagnes, M-N. Rager, B. Courtaud, J. Thiry, G. Cote, Speciation of vanadium (V) extracted from acidic sulfate media by trioctylamine in n-dodecane modified with 1-tridecanol, Hydrometallurgy 104 20-24 (2010).

Chagnes, C. Fossé, B. Courtaud, J. Thiry, G. Cote, Chemical degradation of the mixture of trioctylamine (extractant) and 1-tridecanol (phase modifier) in acidic sulfate media in the presence of vanadium (V), Hydrometallurgy, 105 (3-4), 328-333 (2011).

Beltrami, G. Cote, H. Mokhtari, B. Courtaud, A. Chagnes, Modelling of the extraction of uranium (VI) from concentrated phosphoric acid by synergistic mixtures of bis-(2-ethylhexyl)-phosphoric acid and tri-n-octylphosphine oxide, Hydrometallurgy 129-130, 118-125 (2012).

Cholico-Gonzalez, M. Avila-Rodrigues, G. Cote, A. Chagnes, Chemical properties of trihexyl(tetradecyl)phosphonium chloride and bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinic acid mixtures : interactions study by FT-IR and NM spectroscopies », Journal of Molecular Liquids 187, 165-170 (2013).

Pospiech, A. Chagnes, Highly selective extraction of Zn(II) and Cu(II) from aqueous chloride solutions by mixture of Cyanex 272 and Aliquat 336, Separation Science and Technology 50 (9), 1302-1309.

Beltrami, G. Cote, H. Mokhtari, B. Courtaud, B. A. Moyer, A. Chagnes, A review on the recovery of uranium(VI) from wet phosphoric acid by solvent extraction processes, Chemical Reviews 114 (24) 12002–12023 (2014).

J-P. Deblonde, A. Moncomble, G. Cote, S. Bélair, A. Chagnes, Experimental and computational exploration of the UV-visible properties of hexaniobate and hexatantalate ions, RSC Advances 5, 7619-7627 (2015).

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Manzoni, A. Denquin, P. Vermaut, IP. Orench, F. Prima, RA. Portier, “Shape memory deformation mechanisms of Ru-Nb and Ru-Ta shape memory alloys with transformation temperatures”, Intermetallics 52 57-63 (2014).

Elma, F. Prima, T. Gloriant, B. Bolle, Y. Zhong, E. Patoor, R. Laheurte, “Effects of thermomechanical process on the microstructure and mechanical properties of a fully martensitic titanium-based biomedical alloy”, Journal of the mechanical behavior of biomedical materials 18 47-56 (2013).

2PM

Bacos, F. Rousseau, D. Morvan, “Forming an oxide layer on a component made of a permeable material or a stack material, comprises coating a carrier gas loaded with droplets of at least one precursor of the oxide in a low pressure plasma with component to be coated”, Patent number WO2015082819-A1 (2015).

MA, F. Rousseau, F. Donsanti, D. Lincot, D. Morvan, “Deposition of ZnO thin films from aqueous solution in a low power plasma reactor”, Surface and coating technology 276 186-194 (2015).

Rousseau, C. Fourmond, F. Prima, MHV. Serif, O. Lavigne, D. Morvan, P. Chereau, “Deposition of thick and 50% porous YpSZ layer by spraying nitrate solution in a low pressure plasma reactor”, Surface and Coatings technology 206 (7) 1621-1627 (2011).

Rousseau, S. Awamat, D. Morvan, “A flexible low pressure plasma process for the deposition of complex thick oxide coatings”, High Temperature Material Processes 13 (3-4) 381-398 (2009).

Rousseau, M. Nikravech, S. Awamat, D. Morvan, J. Amouroux, “Optical emission spectroscopy of a supersonic low-pressure plasma reactor used to synthesis SOFC cathodes thin layer”, High Temperature Material Processes 10 (3) 431-444 (2006).

Ladner, F. d’Orlyé, C. Perréard, B. Da Silva, C. Guyon, M. Tatoulian, S. Griveau, F. Bedioui, A. Varenne, Surface functionalization of COC microfluidic materials by plasma and click chemistry processes. Plasma Process. Polym. Volume 10, Issue 11, pages 959–969, November 2013

Ladner, F. d’Orlyé, C. Perréard, B. Da Silva, C. Guyon, M. Tatoulian, S. Griveau, F. Bedioui, A. Varenne, Surface Functionalization by Plasma Treatment and Click Chemistry of a New Family of Fluorinated Polymeric Materials for Microfluidic Chips. Plasma Processes and polymers, SOUMIS. Volume 11, Issue 6, pages 518–523,June 2014