Thèse Récupération de Métaux Critiques à Partir des Mâchefers de Taille Fine par Hydrométallurgie à l'Échelle Pilote H/F - Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-Chimie des Matériaux et des Interfaces.
Direction de la thèse : Lenka SVECOVA ORCID 0000000324392646
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Les sociétés modernes génèrent une quantité croissante de déchets, avec une production annuelle de déchets municipaux estimée à 2 milliards de tonnes à l'échelle mondiale. Selon les projections, ce chiffre devrait atteindre 3,4 milliards de tonnes par an d'ici 2050. Une proportion croissante de ces déchets est traitée par incinération, ce qui permet de diminuer leur volume et masse et de les valoriser sous forme thermique et/ou de produire de l'électricité. En revanche, les deux sous-produits issus de l'incinération, les cendres volantes et les mâchefers d'incinération des déchets non-dangereux (MIDND), ne trouvent pas systématiquement de voies de valorisation. Si les particules les plus grossières des MIDND sont largement valorisées, notamment dans les sous-couches routières, les fractions les plus fines - qui représentent pourtant près d'un tiers du contenu total en métaux lixiviables - ne trouvent aujourd'hui aucune filière de valorisation. Elles sont donc le plus souvent enfouies, ce qui constitue une perte de ressources significative. La concentration en certains métaux, comme le cuivre ou le zinc, atteint dans ces résidus des niveaux comparables à ceux des minerais à basse teneur actuellement exploités. Cette observation a conduit à envisager leur valorisation comme une nouvelle source de métaux stratégiques, essentiels à la transition énergétique. Les MIDND peuvent ainsi être considérés comme des mines urbaines.
Des travaux poussés ont été menés au laboratoire LEPMI ces dernières années sur le développement d'un procédé hydrométallurgique pour la récupération des métaux jugés comme d'intérêt dans la fraction fine des MIDND à l'échelle laboratoire. Le procédé mis en place lors des travaux de thèse de Mme Perrin, permet la récupération sélective du cuivre et du zinc, en passant par une étape de prélavage, lixiviation, précipitation du Zn, filtration, électrodéposition du Cu, calcination et électroraffinage du Cu. Des rendements de récupération de 90% pour le Cu et 70% pour le Zn ont été obtenus à l'échelle du laboratoire [1,2].

Les sociétés modernes génèrent une quantité croissante de déchets, avec une production annuelle de déchets municipaux estimée à 2 milliards de tonnes à l'échelle mondiale. Selon les projections, ce chiffre devrait atteindre 3,4 milliards de tonnes par an d'ici 2050. Une proportion croissante de ces déchets est traitée par incinération, ce qui permet de diminuer leur volume et masse et de les valoriser sous forme thermique et/ou de produire de l'électricité. En revanche, les deux sous-produits issus de l'incinération, les cendres volantes et les mâchefers d'incinération des déchets non-dangereux (MIDND), ne trouvent pas systématiquement de voies de valorisation. Si les particules les plus grossières des MIDND sont largement valorisées, notamment dans les sous-couches routières, les fractions les plus fines - qui représentent pourtant près d'un tiers du contenu total en métaux lixiviables - ne trouvent aujourd'hui aucune filière de valorisation. Elles sont donc le plus souvent enfouies, ce qui constitue une perte de ressources significative. La concentration en certains métaux, comme le cuivre ou le zinc, atteint dans ces résidus des niveaux comparables à ceux des minerais à basse teneur actuellement exploités. Cette observation a conduit à envisager leur valorisation comme une nouvelle source de métaux stratégiques, essentiels à la transition énergétique. Les MIDND peuvent ainsi être considérés comme des mines urbaines.
Des travaux poussés ont été menés au laboratoire LEPMI ces dernières années sur le développement d'un procédé hydrométallurgique pour la récupération des métaux jugés comme d'intérêt dans la fraction fine des MIDND à l'échelle laboratoire. Le procédé mis en place lors des travaux de thèse de Mme Perrin, permet la récupération sélective du cuivre et du zinc, en passant par une étape de prélavage, lixiviation, précipitation du Zn, filtration, électrodéposition du Cu, calcination et électroraffinage du Cu. Des rendements de récupération de 90% pour le Cu et 70% pour le Zn ont été obtenus à l'échelle du laboratoire [1,2].L'objectif principal du projet de thèse est de transposer le procédé hydrométallurgique de récupération du cuivre et du zinc à l'échelle pilote. Le up-scaling de l'échelle laboratoire à l'échelle pilote entraine plusieurs défis. Notamment, la maîtrise moindre des paramètres globaux, tel que l'homogénéité de l'écoulement, les interactions entre le solide et l'agent de lixiviation, etc., ainsi que le passage des conditions discontinues (en batch) à un procédé continu.

L'objectif principal du projet de thèse est de transposer le procédé hydrométallurgique de récupération du cuivre et du zinc à l'échelle pilote. Le up-scaling de l'échelle laboratoire à l'échelle pilote entraine plusieurs défis scientifiques et techniques, comme la maîtrise de l'homogénéité des écoulements, les interactions solide/liquide, et la transition d'un procédé batch (discontinu) vers un procédé continu. Si le passage à l'échelle pilote des étapes de précipitation, filtration, électrodéposition, calcination et électroraffinage peut s'avérer moins complexe, le up-scaling de l'étape de lixiviation, c.à.d. la dissolution des métaux en solution - soulève, quant à elle, des enjeux scientifiques et technologiques majeurs. En effet, au fur et à mesure que le lixiviant s'écoule à travers le lit de particules, la dissolution des métaux modifie à la fois la composition chimique du lixiviant et la structure physique des particules de MIDND, créant des gradients dynamiques de porosité, de réactivité et de perméabilité et jouant ainsi sur les transferts de matière complexifiant ainsi leur modélisation. La thèse se consacrera donc plus précisément à cette étape.

Afin de se rapprocher au plus près des conditions industrielles (lixiviation par percolation à travers un lit fixe), l'étude sera réalisée sur une colonne de percolation. Cette étape sera mise en place en deux temps : (i) d'abord dans une colonne laboratoire de faible diamètre, afin d'optimiser les paramètres de l'écoulement et le couplage entre « écoulement » et « spéciation » (ii) ensuite dans une colonne pilote de plus grand diamètre, pour simuler la lixiviation dans des conditions proches de la réalité (lixiviation par percolation).

La lixivation en lit fixe, pertinente industriellement de par sa facilité de mise en oeuvre, pose toutefois un défi de compréhension et d'optimisation. En effet, les transferts sont fortement couplés aux caractéristiques de l'écoulement. Ce dernier est un écoulement biphasique en milieux poreux, très sensible aux propriétés de la phase solide, aux conditions initiales et aux limites, à cause des phénomènes de mouillage et de capillarité. Afin de caractériser et de maîtriser l'écoulement dans la colonne, des essais de mouillabilité seront réalisés. Plusieurs solutions sont envisageables pour augmenter le taux de mouillabilité, tel que l'utilisation d'un gaz inerte avant le passage du liquide dans la colonne, ou le lavage préalable avec un réactif liquide inerte ou le rajout d'un tensioactif. Des anomalies dans l'écoulement, tel que les effets capillaires seront étudiés et optimisés. La porosité du lit de l'échantillon solide sera également étudiée et suivi toute au long du procédé de lixiviation.

Des études précédentes menées au laboratoire lors du stage de Mme Castro ont montré que le débit d'alimentation de la colonne est un paramètre clé par rapport à l'efficacité de la lixiviation des mâchefers [3]. Ce paramètre sera donc optimisé. En parallèle, la cinétique de la lixiviation sera suivie. La percolation sera menée en circuit ouvert et en boucle fermée, avec la recirculation de l'effluant, afin d'aller vers une gestion optimale des effluents.

L'étude expérimentale sera accompagnée par une étude de modélisation et simulation du procédé de lixiviation avec un double objectif : (i) comprendre les mécanismes de lixiviation présents dans le milieu poreux, afin d'optimiser l'efficacité de la lixiviation et (ii) proposer des paramètres opératoires à échelle industrielle, à partir des essais de lixiviation à échelle pilote. Pour répondre à ces objectifs, les mécanismes de lixiviation liés à l'écoulement dans la colonne seront étudiés par une méthodologie de modélisation couplée réaction-transport. Le logiciel PhreeqC, dédié à la modélisation des solubilités minérales à l'équilibre thermodynamique en phase aqueuse, a été souvent utilisé pour décrire la spéciation dans les milieux poreux d'origine naturelle ou anthropique [4,5]. En plus de sa capacité de modéliser des mécanismes géochimiques de précipitation/dissolution/complexation dans un milieu minéral ou organique, l'avantage de ce logiciel réside aussi dans sa très large base de données (LLNL, MinteQ etc). Des tentatives de modélisation de la lixiviation des MIDND dans des conditions d'équilibre thermodynamique avec PhreeqC ont donné des résultats satisfaisants dans le passé [4]. Néanmoins, le transport des polluants dans le milieu poreux, i.e. le lit de MIDND à lixivier, n'a pas été encore modélisé. Même si PhreeqC permet de rajouter un module de transport à la simulation, celui-ci est assez simpliste, prenant en compte uniquement une diffusion 1D. En revanche, les paramètres de l'écoulement pourraient être modélisés d'une manière plus complète à l'aide d'un logiciel dédié aux phénomènes de transport, tel que COMSOL multiphysique. Le couplage entre PhreeqC et COMSOL a déjà été réalisé sur des matrices naturelles, tel que le sol en contact avec les eaux souterraines ou l'air atmosphérique (pour les mécanismes en phase gaz) [6,7].

Dans un second temps, le up-scaling sera modélisé à l'aide du logiciel USIM-PAC du génie de procédés dédié au domaine des mines disponible au LEPMI. Les données expérimentales serviront de base, afin de valider le modèle développé. Les simulations numériques serviront ensuite à l'optimisation des procédés à l'échelle pilote, ainsi qu'au passage à l'échelle industrielle.

Master ou ingénieur en génie des procédés, avec une formation expérimentale solide. Des compétences dans le numérique seront appréciées.