Extraction et purification des éléments de terres rares et autres métaux à partir des déchets de piles non triés.

Otron, Aba Marie Anne-Antoine (2025). Extraction et purification des éléments de terres rares et autres métaux à partir des déchets de piles non triés. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 262 p.

Prévisualisation

PDF Télécharger (6MB) | Prévisualisation

Résumé

Avec l’essor des nouvelles technologies, le marché des piles et des batteries rechargeables ne cesse de croître. Peu importe leur typologie, leur gestion en fin de vie soulève des problématiques tant au niveau de leur contenu que de leur quantité. Ces déchets contiennent des teneurs élevées en éléments et métaux toxiques (le zinc, le manganèse, le nickel, le cadmium, etc.) mais, qui ont aussi un fort intérêt économique. Dans l’ensemble des procédés développés, un tri est préalablement intégré car, les piles sont traitées en fonction de leur composition chimique. Ce tri reste largement manuel et nécessite une logistique bien définie qui limite le potentiel du recyclage. L'objectif de ce projet est de développer une filière technologique permettant l’extraction et la purification des éléments de terres rares (ETR) et autres métaux à partir des déchets de piles non-triés ou de piles mélangées. Les travaux réalisés comportent trois axes. Le premier étant d’optimiser les conditions de solubilisation des ETR et autres métaux provenant des déchets de piles nickel-hydrure métalliques (Ni-MH) ; le deuxième axe implique de développer et d'évaluer la performance économique d'un processus complet de récupération du nickel (Ni), du cobalt (Co) et des ETR à partir des déchets de piles Ni-MH. Le troisième et dernier axe vise la définition d’un procédé technologique d’extraction et de récupération des ETR et autres métaux (zinc (Zn), manganèse (Mn), cadmium (Cd), cobalt (Co) et nickel (Ni)) dans les déchets de piles non triés. Dans la mise en œuvre de l’optimisation des conditions de solubilisation des ETR à partir des déchets de piles Ni-MH, les métaux contenus dans la poudre de pile ont été analysés. Il en ressort de cette caractérisation les teneurs majoritaires suivantes : 548 g/kg de nickel, 45 g/kg de lanthane, 32 g/kg de cobalt, 22 g/kg de zinc, 15 g/kg de néodyme, 12 g/kg de samarium et 11 g/kg de cérium. À la suite de la solubilisation des métaux en présence d’acide sulfurique (H2SO4), l’optimisation des conditions opératoires (concentration en acide, pourcentage solide/liquide, temps de lixiviation et température) s’est faite avec un plan d’expérience et une approche statistique en utilisant la méthode de Box-Behnken. Le meilleur rendement a été obtenu avec 2 M de H2SO4, un ratio solide/liquide de 10%, à 60°C pendant 90 min. Ces paramètres optimaux ont permis de solubiliser 81% de Ni, 99% de Co, 70% des ETR. Après l’étape d’optimisation de la lixiviation, la mise en place de la filière de traitement du Ni, du Co et des ETR à partir des déchets de piles Ni-MH débute par la précipitation sélective des ETR au moyen du NaOH à pH 1,6. Dans le but d’augmenter le rendement de précipitation obtenu, le précipité a été purifié après une resolubilisation dans de l’acide nitrique. Le Ni et le Co sont séparé à la suite d’une extraction par solvant à l'acide phosphorique bis(2-éthylhexyle) (D2EHPA) suivie d’une autre à l'acide phosphinique bis(2,4,4-triméthylpentyl) (Cyanex 272). À la fin du processus, les ETR, le Ni et le Co ont été récupérés sous forme d'oxydes après leurs précipitations sous forme d'oxalates. Les oxydes de terres rares, de nickel et de cobalt obtenus ont des puretés respectives de 97,6%, 97,2% et 93,2%. Concernant l’étude technicoéconomique, elle a été menée à l'aide du logiciel SuperPro Designer. Dans cette modélisation, la capacité de l'usine de production a été fixée à 1,0 t de poudre de piles usée par heure pour une période de fonctionnement de 8 h / j et 250 jours par an. L'investissement total en immobilisation a été estimé à 26,9 millions de dollars avec une période de récupération de 1,58 an. Pour une durée de vie du projet de 15 ans, la valeur actualisée nette de ce projet est estimée à 95,9 M$, avec un taux d'intérêt de 7%. Le taux de rendement interne estimé à 46,1%, a été considéré comme acceptable et économiquement viable. Pour la réalisation du procédé visant à extraire les métaux à valeur des déchets de piles non triés, la lixiviation est réalisée en deux étapes avec comme agent lixiviant l’acide sulfurique associé à du métabisulfite de sodium (Na2S2O5). Elle a entraîné la solubilisation de 84% de ETR, 100% de Fe, 100% de Zn, 100% de Cd, 100% de Mn, 100% de Ni et 97% de Co. Les ETR sont ensuite récupérés par précipitation de doubles sulfates, suivis d'une étape de reprécipitation sous forme d'oxalates. Le précipité produit est calciné pour former un concentré d'oxyde de terres rares d’une pureté de 95%. Après la récupération des ETR, le fer est éliminé par précipitation d'hydroxyde à pH 4, tandis que le zinc est séparé par extraction par solvant (30% Cyanex 272 + 5% phosphate de tributyle, rapport Organique/Aqueux = 0,4, pH 2,5-2,8) et électrodéposé avec une pureté de 99,96% à pH 2. Postérieurement, le Cd et le Mn sont séparés des autres métaux par extraction par solvant (30% D2EHPA + 5% TBP, rapport O/A = 2, pH 2,7-2,9) et précipités sélectivement sous forme de sulfure de cadmium avec une pureté de 83% à pH 7-8 et de carbonate de manganèse à pH 9,5-10,5. Le carbonate de manganèse est ensuite calciné pour produire de l’oxyde de manganèse de pureté 96%. Dans la continuité de l’extraction sélective, le cobalt est séparé du nickel par extraction par solvant (10% Cyanex 272 + 5% TBP, rapport O/A = 1, pH 5,7-6,5). Ces deux métaux sont récupérés par formation d'oxalates et calcinés par la suite pour former de l'oxyde de cobalt (pureté de 79%) et de l'oxyde de nickel (pureté de 97%).

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Blais, Jean-François
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Tran, Lan Huong
Mots-clés libres:	déchets de piles; éléments de terres rares; métaux; oxyde; lixiviation; précipitation; extraction par solvant; électrodéposition; plan d’expérience; étude technico-économique
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	21 oct. 2025 17:46
Dernière modification:	21 oct. 2025 17:46
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16617

Gestion Actions (Identification requise)

Modifier la notice