Réactions d'oxydation dans une mousse : application à la dissolution du cuivre

Oxidation reactions in a foam : application to copper dissolution

• Auteur / Autrice : Pierre Trinh
• Direction : Cécile Monteux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 13/10/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et ingénierie de la matière molle (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Mériguet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Diat, Grégory Lefèvre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Laure Biance, Annette Hofmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Acides inorganiques

Lixiviation

Dissolution

Oxydation

Cuivre

Propriétés physico-chimiques

Mousse (chimie)

Mots clés libres

Dissolution

Cuivre

Mousse liquide

Drainage forcé

Diffusion

Advection

Lixiviation

Copper

Liquid foam

Forced drainage

Diffusion

Advection

Résumé

La récupération des métaux issus de déchets d'équipements électriques et électroniques (DEEEs) présente un intérêt environnemental et économique. Une des étapes de ce processus est l'hydrométallurgie : les métaux contenus dans les broyats de DEEEs sont lixiviés par des solutions d'acides inorganiques concentrées. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse explore l'utilisation d'une mousse liquide pour lixivier le cuivre. Les mousses liquides présentent deux intérêts majeurs : diminuer le volume de déchets liquides et bénéficier du pouvoir oxydant du gaz contenu dans les bulles. Deux réactifs nécessitant la présence de dioxygène pour dissoudre le cuivre ont été étudiés : l'acide chlorhydrique et l'hydroxylamine. Comparé à une solution, nous montrons que les mousses accélèrent la cinétique des réactions de dissolution du cuivre impliquant une phase gazeuse. Cet effet provient d'un transport plus rapide du dioxygène vers le métal. Afin d'étudier plus précisément ces phénomènes de transport, nous avons conçu un montage de drainage forcé. Celui-ci consiste à injecter à débit constant la solution moussante au sommet d'une colonne de mousse. Il permet ainsi d'uniformiser la vitesse du front de drainage dans la mousse. Nous observons alors deux régimes. Dans le premier régime, la quantité de cuivre dissout est limitée par le flux de protons atteignant la surface métallique. Elle augmente ainsi avec le débit imposé. Dans le second régime, cette quantité est limitée par le flux de dioxygène et elle diminue alors avec le débit. La structure de la mousse a donc une influence directe sur la quantité de cuivre dissout.

Retrieving metals contained in waste from electric and electronic equipements (WEEEs) is an environnemental and economic challenge. One step of this process is hydrometallurgy : metals contained in crushed WEEEs are lixiviated by concentrated inorganic acid solutions. In this framework, we explore the use of liquid foams for copper lixiviation. Liquid foams have two main advantages : decreasing the liquid waste volume and benefiting from oxidizing properties of the bubble gas. Two reactants that require dioxygene to dissolve copper have been studied : hydrochloric acid and hydroxylamine. Compared to a solution, liquid foams increase the kinetics of copper dissolution reactions that imply a gas phase. This effet is due to a faster dioxygen transport to the metal. To go further into the understanding of these transport phenomena, we designed a forced drainage experimental setup. It consists in injecting the foaming solution at a constant flowrate on the top of a foam column. We then observe two regimes. In the first one, the dissolved copper quantity is limited by the protons flux that reaches the copper surface. Thus, this quantity increases with the set flowrate. In the second regime, it is limited by the dioxygene flux and so it decreases with the flowrate. Thus, the foam structure directly influence the copper dissolved quantity.