Synthèse et étude de systèmes fluorés pour l'extraction liquide-liquide de métaux stratégiques

Preparation and studie of fluorinated systems for the liquid/liquid extraction of strategic metals

• Auteur / Autrice : Bertrand Braibant
• Direction : Daniel Meyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie séparative, matériaux et procédés
• Date : Soutenance le 10/10/2017
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Séparative de Marcoule
• Jury : Président / Présidente : Bruno Ameduri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Meyer, Bruno Ameduri, Thierry Billard, Philippe Jubault, Christine Pépin, Frédéric Taran, Damien Bourgeois
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thierry Billard, Philippe Jubault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extraction liquide-liquide

Recyclage (déchets, etc.)

Fluor

Mots clés libres

Extraction Liquide/liquide

Système fluoré

Recyclage

Liquid/liquid extraction

Fluorinated system

Recycling

Résumé

Aujourd’hui, une large part des métaux utilisés par l’industrie provient généralement des mines. Certains, dits stratégiques, pourraient présenter un risque d’approvisionnement voire d’épuisement des ressources naturelles. Ces métaux sont généralement utilisés dans des processus dispersifs, et se retrouvent répartis de façon inégale, avec d’autres métaux, dans des matrices toujours plus complexes, ce qui rend leur récupération couteuse en termes de procédés et d’énergie. Que ce soit pour des raisons stratégiques, économiques ou sociétales, il apparait que le recyclage des métaux est amené à devenir une activité importante dans le futur. L’approche hydrométallurgique, et en particulier l’extraction-séparation liquide-liquide, est une technique adaptée et éprouvée à ce jour pour répondre au recyclage des métaux. Ce travail de thèse s’intéresse au développement et l’étude de systèmes moléculaires fluorés pour l’extraction et la séparation de métaux par une approche liquide-liquide. La modularité de la partie fluorée de ce type de système moléculaire permet l’étude des diverses interactions (complexations, supramoléculaires) importantes d’un point du vue fondamental dans l’extraction liquide-liquide de métaux. De plus, leurs propriétés physico-chimiques (miscibilité,…) permettent d’envisager le design de procédés innovants dans le domaine de la séparation liquide-liquide, comme la mise en œuvre de systèmes tri-phasiques. Pour cela, deux séries de malonamides fluorés avec des espaceurs de taille variable, entre la tête complexante et le groupement perfluoré, ont été synthétisés. La modulation par l’espaceur de l’effet inductif des chaines perfluorées sur les propriétés physico-chimiques des extractants et sur la complexation d’un métal a été étudiée. De même, l’influence de certains paramètres d’extraction comme la charge en extractant, en acide et l’influence du diluant ont été caractérisés. La comparaison avec les ligands homologues hydrogénés a été effectuée, et les limites des différents systèmes établies. Une série de phosphates de trialkyles a également été étudiée et appliquée à un système tri-phasique d’extraction liquide-liquide. Des résultats préliminaires valident de manière encourageante l’approche choisie.

A large part of the metals used by the industry is still coming from mines. Some metals, called strategic metals, may encounter a supply risk or even a total depletion of natural resources. They are usually used in dispersive way which make their recovery complicated, costly and energy intensive since they are in unequal amount, with other metal, in ever more complex matrices. Whether for strategic, economic or societal reason, the metal recycling is about to become an important industry in a near future. Hydrometallurgical processes, and liquid-liquid extraction in particular, are a robust technic giving answer to some of the recycling challenge. Our aim was to develop and study some fluorinated system for the extraction and the separation of metal through liquid-liquid approach. The tenability of the fluorinated part of these system allow the study of multiple interaction (complexation or supramolecular ordering) important in a fundamental point of view in liquid-liquid extraction. Physical and chemical properties such as their miscibility allow the development of new processes in the solvent extraction field such as triphasic liquid extraction system. To this end, two series of fluorinated malonamides with various spacer length between the complexing head and the fluorinated moiety were synthetized. The modulation, through the spacer, of the inductive effect of the fluorinated chain on the physical and chemical properties of the extractant and the complexation of the metal was studied. The influence of various extraction parameters such as the concentration in extractant, the acid and the diluent were characterized. The comparison of these malonamides with their hydrogenated homologues was done and the limits of these systems established. A family of trialkylphosphate was developed and apply to a triphasic extraction system. Preliminary results confirm the approach.