Valorisation de résidus miniers riches en fer : Conception et développement d’un procédé de production de fer électrolytique à partir de matrices complexes

Valorization of iron-rich tailings : Designing and developing an electrolytic iron production process from complex matrix

• Auteur / Autrice : Abdoulaye Maihatchi Ahamed
• Direction : François Lapicque, Marie-Noëlle Pons
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 29/05/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Valérie Laforest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Lapicque, Marie-Noëlle Pons, Fabrice Gros, Karine Groenen Serrano, Frédéric Goettmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Gros, Karine Groenen Serrano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hématite

Zinc

Électrométallurgie

Fer

Dépôt électrolytique

Boues rouges

Résidus (minéralurgie)

Mots clés libres

Alliages fer-zinc

Boues rouges

Électrodéposition

Hématite

Fer électrolytique

Jarosite

Iron-zinc alloys

Red mud

Electroplating

Hematite

Electrolytic iron

Jarosite

Résumé

L’augmentation de la démographie mondiale (de 2,5 milliards en 1950 à 10 milliards d’habitants en 2050 selon l’Organisation des Nations Unies) entraine une augmentation des besoins en métaux. Ces métaux proviennent des mines, mais leur production à partir des minerais engendre d’énormes quantités de résidus. Ces derniers occupent de grands espaces de stockage et contiennent encore des métaux qui peuvent être extraits. La valorisation de ces résidus permettrait non seulement de réduire leurs volumes et leurs empreintes écologiques, mais aussi et surtout de produire des métaux à forte valeur ajoutée pour répondre aux besoins des nouvelles technologies. Deux types de résidus riches en fer ont été étudiés dans ce travail afin d’extraire le fer et le zinc qu’ils contiennent par électrodéposition : les boues rouges et la jarosite. Dans le premier cas, il s’agit des résidus provenant de la production de l’alumine à partir du minerai de bauxite par le procédé Bayer (procédé alcalin). Le deuxième type de résidu, la jarosite, provient de la production du zinc par le procédé « jarosite » en milieu acide. Pour ce faire, deux approches expérimentales ont été mises en place. Une électrodéposition directe dans le cas de boues rouges : les échantillons sont directement mis en suspension dans une solution de NaOH 12,5 mol/L et le fer (sous forme d’hématite et/ou de goethite) est électrodéposé sur une cathode en graphite à une température de 110°C. Pour le cas de la jarosite, une démarche différente a été mise en place : (i) une lixiviation de la jarosite en milieu acide sulfurique, (ii) une lixiviation de blende pour réduire le fer ferrique en fer ferreux et enrichir le bain en zinc, (iii) une cémentation du cuivre par une poudre de zinc et enfin (iv) une étape d’électrodéposition d’alliage fer-zinc. Dans les deux cas de résidus, plusieurs paramètres opératoires ont été testés afin d’optimiser les rendements de lixiviation, de cémentation, la qualité des dépôts et les rendements faradiques. En ce qui concerne les boues rouges, les meilleurs rendements faradiques (72%) ont été obtenus pour un ratio solide/liquide de 1/3 (g/mL), une concentration en NaOH de 12,5 mol/L, une densité de courant de 41 A/m² et une température de 110°C. Les dépôts du fer électrolytique, analysés par ICP-AES, DRX, MEB/EDX, présentent une pureté supérieure à 97% massique en fer. Pour la jarosite, les meilleurs rendements de lixiviation (en zinc et en fer étaient de 73% et 70% respectivement) ont été obtenus pour une concentration d’acide sulfurique égale à 1,5 M, un rapport solide/liquide 1/10 (g/mL) et une température de 80°C pendant 7 heures. Les essais d’électrodéposition ont permis de produire des alliages zinc –fer à différentes teneurs en fer. Les rendements faradiques obtenus dans les conditions optimales (densité de courant de 800 A/m² et une température de 20°C) étaient de l’ordre de 89%. Les résultats obtenus dans cette étude confirment la faisabilité technique d’électrodéposition du fer et d’alliage fer-zinc à partir des matrices complexe. Cela ouvre une nouvelle alternative à la valorisation des résidus miniers par la technique d’électrodéposition des métaux.

The increase in world population (from 2.5 billion in 1950 to 10 billion in 2050 according to the United Nations) is leading to an increase in the need for metals. These metals come from mines, but their production from ores generates huge quantities of tailings. These tailings occupy large storage areas and very often contain metals that can be extracted. The recovery of these metals would not only make it possible to reduce their volume and ecological footprint, but also and above all to produce metals with high added value to meet the needs of new technologies. Two types of iron-rich residues were studied in this work in order to extract iron and zinc by electroplating: red mud and jarosite. In the first case, these are residues from the production of alumina from bauxite ore by the Bayer process (alkaline process). The second type of residues, jarosite, comes from the production of zinc by the "jarosite" process. Two experimental approaches have been set up for this purpose. Direct electrodeposition in the case of red mud: the samples are directly suspended in a 12.5 mol/L NaOH solution and the iron (in the form of hematite and/or goethite) is electrodeposited on a graphite cathode at a temperature of 110°C. In the case of jarosite, a different approach has been used: (i) a leaching of the jarosite in a sulphuric acid medium, (ii) a blende leaching to reduce the ferric iron to ferrous iron and to enrich the bath in zinc, (iii) a cementation of the copper by a zinc powder and finally (iv) an iron-zinc alloy electrodeposition step. In both cases of residues, several operating parameters were tested in order to optimize leaching yield, electrodeposition, deposit quality and faradaic yield. For the red mud, the best faradaic yield (72%) were obtained for a solid/liquid ratio of 1/3 (g/mL), a NaOH concentration of 12.5 mol/L, a current density of 41 A/m² and a temperature of 110°C. The electrolytic iron deposits, analyzed by ICP-AES, DRX, SEM/EDX, have a purity of more than 97% iron by mass. For jarosite, the best leaching yield (for zinc and iron were 73% and 70% respectively) were obtained for a sulphuric acid concentration of 1.5 M, a solid/liquid ratio of 1/10 (g/mL) and a temperature of 80°C for 7 hours. Electrodeposition tests produced zinc-iron alloys with different iron contents. The faradaic yield obtained under optimal conditions (current density of 800 A/m² and a temperature of 20°C) was of the order of 89%. The results obtained in this study confirm the technical feasibility of iron and iron-zinc alloy electroplating from complex matrices. This opens up a new alternative to the valorisation of mining residues by the metal electrodeposition technique.