Métaux stratégiques

 

Enjeux et objectifs

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. En effet, dans les DEEE, les métaux les plus présents (en quantité) sont l’acier (47,8%), le cuivre, l’étain, le cobalt, l’indium et le tantale. Des métaux tels que l’or, l’argent, le silicium, le palladium, le platine, le lithium, le magnésium, le nickel, le molybdène, le niobium, les terres rares (dysprosium, néodyme, praséodyme, terbium, yttrium erbium, samarium), le gallium, l’indium, et le rhodium, sont aussi largement employés et se retrouvent à des concentrations supérieures à celles des gisements naturels.

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 dans les DEEE s’articulent autour de quelques 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
 

 

Voici quelques exemples de projets :

  Extraction de l’antimoine des DEEE  
  Objectifs et enjeux  
         
 
  • Détecter, identifier et quantifier l’antimoine dans les plastiques de DEEE
  • L’extraire des plastiques à retardateurs de flamme par voies hydrométallurgiques et plasmas
  • Aboutir à une preuve de concept et à la qualification de briques de procédé capables de récupérer simplement rapidement et efficacement l’antimoine des mines urbaines de plastiques DEEE

Les plastiques ignifuges contenant du brome et de l’antimoine sont éliminés en incinérateur à haute température, permettant la récupération du brome mais un difficile recyclage de l’antimoine. Cet élément fait partie des éléments les plus critiques pour l’UE tant pour son utilisation dans l’industrie que pour l’hyperconcentration des mines. Des alternatives à l’incinération existent, telles que le procédé CreaSolv de l’Institut Fraunhofer en Allemagne, permettant la récupération sélective de l’antimoine sous forme de Sb2O3. Ce présent projet cherche à accroître l’offre de recyclage de l’antimoine en proposant des voies françaises de récupération.

 
         
  Principaux résultats  
 
  • Élaboration d’une méthode pour l’extraction de 95% de l’antimoine à partir de plastiques de DEEE réels
  • Extraction de plus de 95% du brome par ce procédé
  • Récupération de plus de 95% de la fraction plastique pour un recyclage classique
 
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  Caractérisation et échantillonnage de déchets d’équipements électriques et électroniques  
  Objectifs et enjeux  
         
 

Proposer un modèle permettant d’évaluer l’incertitude lors de la mesure de teneur d’un lot de D3E. Travaux basés sur la théorie de l’échantillonnage équiprobable de Pierre Gy. Il reste à vérifier que les sources d’erreurs liées à une prise d’échantillonnage imparfaite peuvent être rendues négligeable, et que l’erreur restante peut se calculer.

    • Établir un prix de vente juste des D3E entre collecteur/recycleur
    • Pouvoir mieux évaluer les rendements lors du recyclage
    • Mieux connaître de manière générale les propriétés physiques et mécaniques des D3E
 
         
  Principaux résultats  
 
  • Constitution d’une large base de données permettant de différencier les différents types de fragments de D3E, de connaitre leurs proportions et leurs propriétés physiques et mécaniques. Permet de relier la masse d’un fragment typique à sa taille triée par un tamis. On met en évidence d’importantes différences entre le D3E et des objets plus classiques comme le minerai.
  • Constitution d’une large base de données des teneurs. On met principalement en évidence les différences de distribution d’un élément à l’autre même à teneur identique, responsables de larges écarts en termes d’erreur d’échantillonnages. Ces distributions à élément fixe sont similaires entre les deux lots étudiés, suggérant que les résultats obtenus ici peuvent se généraliser à la plupart des D3E.

  • L’erreur mesurée empiriquement correspond effectivement à l’erreur que nous pouvons prédire avec nos données, suivre les protocoles d’échantillonnage classique permet donc bien de rendre la plupart des erreurs négligeables. L’erreur mesurée est due uniquement aux hétérogénéités de masse et teneur de nos fragments et peut donc se calculer. Une majorité de cette erreur vient du prélèvement de D3E avant analyse finale, pas suffisamment broyés. Jouer sur la finesse du broyage semble donc être le meilleur levier actuellement pour diminuer l’erreur d’échantillonnage.

 
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Expertise déployée et équipes impliquées

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.