Métallurgie extractive - Extractive metallurgy

La métallurgie extractive est une branche de l' ingénierie métallurgique dans laquelle les processus et les méthodes d'extraction des métaux à partir de leurs gisements minéraux naturels sont étudiés. Le domaine est une science des matériaux , couvrant tous les aspects des types de minerai, le lavage, la concentration, la séparation, les procédés chimiques et l'extraction du métal pur et de leurs alliages pour répondre à diverses applications, parfois pour une utilisation directe en tant que produit fini, mais le plus souvent dans une forme qui nécessite un travail supplémentaire pour atteindre les propriétés données en fonction des applications.

Le domaine de la métallurgie extractive ferreuse et non ferreuse a des spécialités qui sont génériquement regroupées dans les catégories du traitement des minéraux , de l' hydrométallurgie , de la pyrométallurgie et de l' électrométallurgie en fonction du processus adopté pour extraire le métal. Plusieurs procédés sont utilisés pour l'extraction du même métal en fonction de l'occurrence et des exigences chimiques.

Traitement des minéraux

Le traitement du minerai commence par l'enrichissement, consistant dans un premier temps à décomposer le minerai aux tailles requises en fonction du processus de concentration à suivre, par concassage, broyage, tamisage, etc. Par la suite, le minerai est physiquement séparé de toute impureté indésirable, en fonction de la forme de l'occurrence et/ou le processus ultérieur impliqué. Les procédés de séparation tirent parti des propriétés physiques des matériaux. Ces propriétés physiques peuvent inclure la densité, la taille et la forme des particules, les propriétés électriques et magnétiques et les propriétés de surface. Les principales méthodes physiques et chimiques comprennent la séparation magnétique, la flottation par mousse , la lixiviation, etc., grâce auxquelles les impuretés et les matériaux indésirables sont éliminés du minerai et le minerai de base du métal est concentré, ce qui signifie que le pourcentage de métal dans le minerai est augmenté. Ce concentré est ensuite soit traité pour éliminer l'humidité, soit utilisé tel quel pour l'extraction du métal ou transformé en formes et formes pouvant subir un traitement ultérieur, avec une manipulation aisée.

Les corps minéralisés contiennent souvent plus d'un métal précieux. Les résidus d'un processus précédent peuvent être utilisés comme alimentation dans un autre processus pour extraire un produit secondaire du minerai d'origine. De plus, un concentré peut contenir plus d'un métal précieux. Ce concentré serait ensuite traité pour séparer les métaux précieux en composants individuels.

Hydrométallurgie

L'hydrométallurgie s'intéresse aux procédés impliquant des solutions aqueuses pour extraire les métaux des minerais. La première étape du processus hydrométallurgique est la lixiviation , qui implique la dissolution des métaux précieux dans la solution aqueuse et/ou un solvant approprié. Une fois la solution séparée des solides du minerai, l'extrait est souvent soumis à divers processus de purification et de concentration avant que le métal précieux ne soit récupéré soit dans son état métallique, soit sous forme de composé chimique. Cela peut inclure la précipitation , la distillation , l' adsorption et l'extraction par solvant . L'étape de récupération finale peut impliquer une précipitation, une cimentation ou un processus électrométallurgique. Parfois, des procédés hydrométallurgiques peuvent être effectués directement sur le minerai sans aucune étape de prétraitement. Le plus souvent, le minerai doit être prétraité par diverses étapes de traitement minéral, et parfois par des procédés pyrométallurgiques.

Pyrométallurgie

Diagramme d'Ellingham pour l'oxydation à haute température

La pyrométallurgie implique des processus à haute température où des réactions chimiques ont lieu entre les gaz, les solides et les matériaux en fusion. Les solides contenant des métaux précieux sont traités pour former des composés intermédiaires pour un traitement ultérieur ou convertis en leur état élémentaire ou métallique. Les procédés pyrométallurgiques impliquant des gaz et des solides sont caractérisés par des opérations de calcination et de grillage . Les processus qui produisent des produits fondus sont collectivement appelés opérations de fusion . L'énergie requise pour soutenir les processus pyrométallurgiques à haute température peut provenir de la nature exothermique des réactions chimiques en cours. Typiquement, ces réactions sont l'oxydation, par exemple du sulfure en dioxyde de soufre . Souvent, cependant, de l'énergie doit être ajoutée au processus par la combustion de combustible ou, dans le cas de certains processus de fusion, par l'application directe d'énergie électrique.

Les diagrammes d'Ellingham sont un moyen utile d'analyser les réactions possibles, et donc de prédire leur résultat.

Électrométallurgie

L'électrométallurgie implique des processus métallurgiques qui se déroulent dans une certaine forme de cellule électrolytique . Les types les plus courants de procédés électrométallurgiques sont l' électroextraction et l' électroraffinage . L'électroextraction est un procédé d'électrolyse utilisé pour récupérer des métaux en solution aqueuse, généralement à la suite d'un minerai ayant subi un ou plusieurs procédés hydrométallurgiques. Le métal d'intérêt est plaqué sur la cathode, tandis que l'anode est un conducteur électrique inerte. L'électroraffinage est utilisé pour dissoudre une anode métallique impure (généralement issue d'un processus de fusion) et produire une cathode de haute pureté. L'électrolyse au sel fondu est un autre processus électrométallurgique par lequel le métal précieux a été dissous dans un sel fondu qui agit comme électrolyte, et le métal précieux s'accumule sur la cathode de la cellule. Le processus d'électrolyse du sel fondu est conduit à des températures suffisantes pour maintenir à la fois l'électrolyte et le métal produit à l'état fondu. Le champ d'application de l'électrométallurgie a un chevauchement important avec les domaines de l'hydrométallurgie et (dans le cas de l'électrolyse des sels fondus) de la pyrométallurgie. De plus, les phénomènes électrochimiques jouent un rôle considérable dans de nombreux procédés de traitement des minéraux et d'hydrométallurgie.

Ionométallurgie

Le traitement des minéraux et l'extraction des métaux sont des processus très énergivores, qui ne sont pas exempts de produire de grands volumes de résidus solides et d'eaux usées, qui nécessitent également de l'énergie pour être traités et éliminés. De plus, à mesure que la demande de métaux augmente, l'industrie métallurgique doit s'appuyer sur des sources de matériaux à plus faible teneur en métaux provenant à la fois de matières premières primaires (par exemple, minerais) et/ou secondaires (par exemple, scories, résidus, déchets municipaux). Par conséquent, les activités minières et le recyclage des déchets doivent évoluer vers le développement de filières de traitement des minéraux et des métaux plus sélectives, efficaces et respectueuses de l'environnement.

Des opérations de traitement des minéraux sont nécessaires dans un premier temps pour concentrer les phases minérales d'intérêt et rejeter la matière indésirable physiquement ou chimiquement associée à une matière première définie. Le processus, cependant, demande environ 30 GJ/tonne de métal, ce qui représente environ 29% de l'énergie totale dépensée pour l'exploitation minière aux États-Unis. Pendant ce temps, la pyrométallurgie est un important producteur d'émissions de gaz à effet de serre et de poussières nocives. L'hydrométallurgie entraîne la consommation de volumes importants de lixiviants tels que H2SO4, HCl, KCN, NaCN qui ont une mauvaise sélectivité. De plus, malgré les préoccupations environnementales et les restrictions d'utilisation imposées par certains pays, la cyanuration est toujours considérée comme la principale technologie de traitement pour récupérer l'or des minerais. Le mercure est également utilisé par les mineurs artisanaux dans les pays moins développés économiquement pour concentrer l'or et l'argent à partir de minéraux, malgré sa toxicité évidente. La bio-hydrométallurgie utilise des organismes vivants, tels que des bactéries et des champignons, et bien que cette méthode ne nécessite que l'apport d'O2 et de CO2 de l'atmosphère, elle nécessite de faibles rapports solide-liquide et de longs temps de contact, ce qui réduit considérablement rendements espace-temps.

L'ionométallurgie utilise des solvants ioniques non aqueux tels que les liquides ioniques (ILs) et les solvants eutectiques profonds (DESs), ce qui permet le développement de schémas d'écoulement en boucle fermée pour récupérer efficacement les métaux en intégrant, par exemple, les opérations unitaires métallurgiques de lixiviation et électrogainage. Il permet de traiter les métaux à des températures modérées dans un environnement non aqueux qui permet de contrôler la spéciation des métaux, tolère les impuretés et présente en même temps des solubilités et des rendements de courant appropriés. Cela simplifie les voies de traitement conventionnelles et permet une réduction substantielle de la taille d'une usine de traitement des métaux.

Extraction de métaux avec des fluides ioniques

Les DES sont des fluides généralement composés de deux ou trois composants bon marché et sûrs qui sont capables de s'auto-associer, souvent par le biais d'interactions de liaisons hydrogène, pour former des mélanges eutectiques avec un point de fusion inférieur à celui de chaque composant individuel. Les DES sont généralement liquides à des températures inférieures à 100 °C, et ils présentent des propriétés physico-chimiques similaires aux IL traditionnelles, tout en étant beaucoup moins chers et plus respectueux de l'environnement. La plupart d'entre eux sont des mélanges de chlorure de choline et d'un donneur de liaison hydrogène (par exemple, urée, éthylène glycol, acide malonique) ou des mélanges de chlorure de choline avec un sel métallique hydraté. D'autres sels de choline (par exemple acétate, citrate, nitrate) ont des coûts beaucoup plus élevés ou doivent être synthétisés, et le DES formulé à partir de ces anions est généralement beaucoup plus visqueux et peut avoir des conductivités plus élevées que le chlorure de choline. Cela se traduit par des taux de placage plus faibles et une puissance de projection plus faible et pour cette raison, les systèmes DES à base de chlorure sont toujours préférés. Par exemple, Reline (un mélange 1:2 de chlorure de choline et d'urée) a été utilisé pour récupérer sélectivement le Zn et le Pb à partir d'une matrice d'oxyde métallique mixte. De même, l'Ethaline (un mélange 1: 2 de chlorure de choline et d'éthylène glycol) facilite la dissolution des métaux dans le polissage électrolytique des aciers. Les DES ont également démontré des résultats prometteurs pour récupérer des métaux à partir de mélanges complexes tels que Cu/Zn et Ga/As, et des métaux précieux à partir de minéraux. Il a également été démontré que les métaux peuvent être récupérés à partir de mélanges complexes par électrocatalyse en utilisant une combinaison de DES comme lixiviants et d'un agent oxydant, tandis que les ions métalliques peuvent être simultanément séparés de la solution par électrolyse.

Récupération de métaux précieux par ionométallurgie

Les métaux précieux sont des éléments chimiques métalliques rares, naturels, de grande valeur économique. Chimiquement, les métaux précieux ont tendance à être moins réactifs que la plupart des éléments. Ils comprennent l'or et l'argent, mais aussi les métaux dits du groupe du platine : ruthénium, rhodium, palladium, osmium, iridium et platine (voir métaux précieux). L'extraction de ces métaux de leurs minéraux hôtes correspondants nécessiterait généralement la pyrométallurgie (p. ex. grillage), l'hydrométallurgie (cyanuration) ou les deux comme voies de traitement. Les premières études ont démontré que le taux de dissolution de l'or dans l'éthaline se compare très favorablement à la méthode de cyanuration, qui est encore améliorée par l'ajout d'iode comme agent oxydant. Dans un procédé industriel, l'iode a le potentiel d'être utilisé comme électrocatalyseur, moyennant quoi il est récupéré en continu in situ à partir de l'iodure réduit par oxydation électrochimique à l'anode d'une cellule électrochimique. Les métaux dissous peuvent être déposés sélectivement à la cathode en ajustant le potentiel de l'électrode. Le procédé permet également une meilleure sélectivité car une partie de la gangue (par exemple, la pyrite) a tendance à se dissoudre plus lentement.

La sperrylite (PtAs 2 ) et la monchéite (PtTe 2 ), qui sont généralement les minéraux de platine les plus abondants dans de nombreux gisements orthomagmatiques, ne réagissent pas dans les mêmes conditions dans l'éthaline car ce sont des disulfures (pyrite), des diarséniures (sperrylite) ou des ditellurures (calavérite) et monchéite), minéraux particulièrement résistants à l'oxydation de l'iode. Le mécanisme de réaction par lequel la dissolution des minéraux de platine a lieu est toujours à l'étude.

Récupération de métaux à partir de minéraux sulfurés par ionométallurgie

Les sulfures métalliques (p. ex. pyrite FeS 2 , arsénopyrite FeAsS, chalcopyrite CuFeS 2 ) sont normalement traités par oxydation chimique soit en milieu aqueux, soit à haute température. En fait, la plupart des métaux de base, par exemple l'aluminium, le chrome, doivent être réduits (électro)chimiquement à des températures élevées, ce qui entraîne une demande énergétique élevée et parfois de grands volumes de déchets aqueux sont générés. En milieu aqueux, la chalcopyrite, par exemple, est plus difficile à dissoudre chimiquement que la covellite et la chalcocite en raison d'effets de surface (formation d'espèces polysulfures). La présence d' ions Cl a été suggérée pour modifier la morphologie de toute surface de sulfure formée, permettant au minéral sulfuré de lessiver plus facilement en empêchant la passivation. Les DES fournissent une concentration élevée en ions Cl et une faible teneur en eau, tout en réduisant le besoin de concentrations supplémentaires élevées de sel ou d'acide, contournant ainsi la plupart des oxydes chimiques. Ainsi, l'électrodissolution de minéraux sulfurés a montré des résultats prometteurs dans les milieux DES en l'absence de couches de passivation, avec la libération dans la solution d'ions métalliques qui pourraient être récupérés de la solution.

Lors de l'extraction du cuivre des minéraux de sulfure de cuivre avec l'éthaline, la chalcocite (Cu 2 S) et la covellite (CuS) produisent une solution jaune, indiquant que le complexe [CuCl 4 ] 2− se forme. Pendant ce temps, dans la solution formée de chalcopyrite, les espèces Cu 2+ et Cu + coexistent en solution en raison de la génération d' espèces Fe 2+ réductrices à la cathode. La meilleure récupération sélective du cuivre (>97 %) à partir de la chalcopyrite peut être obtenue avec un DES mixte de 20 % en poids d'acide ChCl-oxalique et de 80 % en poids d'éthaline.

Récupération de métaux à partir de composés oxydés par ionométallurgie

La récupération des métaux des matrices oxydées est généralement réalisée à l'aide d'acides minéraux. Cependant, la dissolution électrochimique des oxydes métalliques dans le DES peut permettre d'augmenter la dissolution jusqu'à plus de 10 000 fois dans des solutions à pH neutre.

Des études ont montré que les oxydes ioniques tels que le ZnO ont tendance à avoir une solubilité élevée dans ChCl:acide malonique, ChCl:urée et Ethaline, qui peuvent ressembler aux solubilités dans les solutions acides aqueuses, par exemple HCl. Les oxydes covalents tels que TiO 2 , cependant, ne présentent pratiquement aucune solubilité. La dissolution électrochimique des oxydes métalliques dépend fortement de l'activité protonique du HBD, c'est-à-dire de la capacité des protons à agir comme accepteurs d'oxygène, et de la température. Il a été rapporté que les fluides ioniques eutectiques de pH inférieurs, tels que ChCl:acide oxalique et ChCl:acide lactique, permettent une meilleure solubilité que celle de pH plus élevé (par exemple, ChCl:acide acétique). Par conséquent, différentes solubilités peuvent être obtenues en utilisant, par exemple, différents acides carboxyliques comme HBD.

Perspectives

Actuellement, la stabilité de la plupart des liquides ioniques dans des conditions électrochimiques pratiques est inconnue, et le choix fondamental du fluide ionique est encore empirique car il n'y a presque pas de données sur la thermodynamique des ions métalliques pour alimenter les modèles de solubilité et de spéciation. De plus, aucun diagramme de Pourbaix n'est disponible, aucun potentiel redox standard et aucune connaissance de la spéciation ou des valeurs de pH. Il faut noter que la plupart des procédés rapportés dans la littérature impliquant des fluides ioniques ont un Technology Readiness Level (TRL) 3 (preuve de concept expérimentale) ou 4 (technologie validée en laboratoire), ce qui est un inconvénient pour une mise en œuvre à court terme. . Cependant, l'ionométallurgie a le potentiel de récupérer efficacement les métaux d'une manière plus sélective et durable, car elle prend en compte les solvants inoffensifs pour l'environnement, la réduction des émissions de gaz à effet de serre et l'évitement des réactifs corrosifs et nocifs.

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Lectures complémentaires

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  • Mailoo Selvaratnam, (1996): "Approche guidée de l'apprentissage de la chimie