Spéciation du niobium et du tantale en milieux basiques et développement d’un procédé hydrométallurgique pour la séparation niobium-tantale

Speciation of niobium and tantalum in alkaline media and development of a hydrometallurgical process for the niobium-tantalum separation

• Auteur / Autrice : Gauthier Deblonde
• Direction : Alexandre Chagnes, Gérard Cote
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique et chimie analytique
• Date : Soutenance le 19/11/2015
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de chimie Paris - Groupe ERAMET
• Jury : Président / Présidente : Laurent Dupont
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sarah Belair, Christophe Petit, Véronique Peyre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Cadot, Hervé Muhr

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extraction (chimie)

Électrophorèse capillaire

Spectroscopie Raman

Hydrométallurgie

Tantale

Propriétés physico-chimiques

Niobium

Mots clés libres

Niobium

Tantale

Spéciation

Hydrométallurgie

Développement de procédé

Extraction par solvant

Niobium

Tantalum

Speciation

Hydrometallurgy

Process developpement

Solvent extraction

Résumé

Le niobium (Nb) et le tantale (Ta) sont deux éléments stratégiques pour les pays développés car ils sont difficilement substituables et utilisés dans de nombreux secteurs clés comme l’automobile, l’aéronautique, le nucléaire, le bâtiment, l’industrie pétrolière, l’imagerie médicale et l’électronique.La très grande similarité chimique du Nb et du Ta fait que les procédés industrialisés permettant leur séparation requièrent des milieux très complexants, comme les solutions d’acide fluorhydrique. Cependant, la toxicité et l’impact environnemental de ces solutions poussent les industriels à développer de nouveaux procédés. Les milieux alcalins peuvent être une alternative mais la chimie du Nb et du Ta à pH alcalin est encore peu connue à l’heure actuelle. Les objectifs de cette thèse étaient d’étudier la spéciation du Nb et du Ta dans les solutions aqueuses basiques et d’élaborer un procédé hydrométallurgique, sans fluor, pour la séparation niobium-tantale. Tout d’abord, de nouvelles données ont été acquises sur la spéciation du Nb et du Ta grâce à des mesures de solubilité, de spectrophotométrie UV-visible, de RMN du solide, de spectroscopie Raman et d’électrophorèse capillaire. Ensuite, les informations obtenues à partir de solutions aqueuses, synthétiques et industrielles, ont permis de développer un nouveau procédé d’extraction par solvant capable de séparer le Nb et le Ta et n’utilisant aucun réactif fluoré. Le procédé développé a également été testé et validé à l’échelle pilote (~ 1 L/h) sur des solutions industrielles. Enfin, l’étude technico-économique du procédé développé révèle que celui-ci sera rentable et compétitif par rapport aux procédés existants.

Niobium (Nb) and tantalum (Ta) are two strategic elements for developed countries because of their unequalled properties and their use in several key sectors like the aerospace, fuel, building, nuclear, medical imaging or electronic industries. Due to their almost-identical chemical properties, the industrial processes currently used for the niobium-tantalum separation require strongly complexing media, like hydrofluoric acid. However, the high toxicity and the environmental footprint of these media force the industrials to develop new processes. In this regard, alkaline media represent a good alternative but the chemistry of Nb and Ta in such media is still poorly known. The objectives of this PhD thesis were to probe the speciation of Nb and Ta in alkaline aqueous solutions and to develop a new hydrometallurgical process able to perform the Nb-Ta separation. Firstly, new data were obtained on the speciation of Nb and Ta in alkaline media based on solubility measurements, UV-visible spectrophotometry, solid state NMR, Raman spectroscopy and capillary electrophoresis. Secondly, the information obtained from aqueous solutions (both synthetic and industrial) allowed us to develop an original solvent extraction process able to separate Nb and Ta without using any fluoride compound. This innovative process was tested at a pilot-scale (~ 1 L/h) on industrial solutions. The technical-economic evaluation of the developed process shows that this latter is profitable and economically competitive over the current industrial processes.