L’acide phytique : réactif de précipitation bio-sourcé pour une hydrométallurgie verte

Phytic acid : bio-sourced precipitation reagent for a green hydrometallurgy

• Auteur / Autrice : Julien Comel
• Direction : Eric Meux, Nathalie Leclerc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 28/01/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Dupont
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Meux, Nathalie Leclerc, Béatrice Biscans, Julien Leclaire, Marie Le Page Mostefa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Béatrice Biscans, Julien Leclaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie verte

Précipitation (chimie)

Hydrométallurgie

Phytique, Acide

Mots clés libres

Acide phytique

Hydrométallurgie

Précipitation sélective

Phytic acid

Hydrometallurgy

Selective precipitation

Résumé

Si de nombreux réactifs issus d’agro-ressources ont déjà été étudiés pour une utilisation potentielle en hydrométallurgie, très peu d’entre eux ont trouvé une application industrielle. Ces travaux étudient la possibilité d’utiliser l’acide phytique comme réactif de précipitation sélective. Cet acide qui constitue la principale source de phosphore présent dans les céréales, est considéré comme un agent antinutritionnel qui est éliminé par simple trempage à l’eau. La précipitation de cinq cations métalliques (Al³⁺, Fe³⁺, Pb²⁺, Cu²⁺ et Zn²⁺) a été étudiée, les trois premiers métaux étant souvent considérés comme indésirables en hydrométallurgie. Dans un premier temps, les formules des phytates métalliques ont été établies (Al₃C₆H9P₆O₂₄,7H₂O, Fe7C1₂H15P1₂O₄₈,15H₂O, Pb₆C₆H₆P₆O₂₄,10H₂O, Cu₆C₆H₆P₆O₂₄,8H₂O, Zn₆C₆H₆P₆O₂₄,6H₂O). Ensuite, la solubilité de ces composés a été déterminée dans l’eau à 20°C de manière à déterminer leur produit de solubilité puis à établir leur diagramme de solubilité conditionnelle permettant d’envisager deux cas d’étude possibles : la déferrisation des lixiviats de calcine (hydrométallurgie du zinc) et l’élimination de Fe³⁺, Al³⁺ et Pb²⁺ dans les lixiviats nitriques des cartes électroniques. Ces séparations ont été optimisées en utilisant la méthodologie des plans d’expériences. Dans les deux cas, seul le pH a une influence sur la précipitation. Dans le cas du mélange Fer/Zinc, il est possible d’éliminer plus de 99,6 % du fer trivalent en co-précipitant moins de 0,6 % du zinc. Dans le deuxième cas, une précipitation en deux étapes permet d’éliminer 100 % du fer, 99 % de l’aluminium, 98 % du plomb avec une perte de cuivre inférieur à 2 %. La séparation Fe/Zn a été étudiée au stade pilote. Les résultats ont permis de confirmer ceux obtenus au stade laboratoire. Une comparaison avec les trois principaux procédés industriels existant a montré que l’acide phytique permettait d’obtenir de meilleurs rendements d’élimination du fer et d’entrainer moins de zinc dans le précipité en conduisant à un déchet solide ayant un impact environnemental moindre que la jarosite considérée comme un déchet dangereux.

Although many agro-resources reagents have already been studied for potential use in hydrometallurgy, very few have found industrial application. The possibility of using phytic acid as a selective precipitation reagent was investigated in this work. This acid, which is the main source of phosphorus present in cereals, is considered as an antinutritional agent, which is eliminated by simple water soaking. The precipitation of five metal cations (Al³⁺, Fe³⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, and Zn²⁺) was studied, the first three metals being often considered undesirable in hydrometallurgy. First, the formulae of the metal phytates were established (Al₃C₆H9P₆O₂₄,7H₂O, Fe7C1₂H15P1₂O₄₈,15H₂O, Pb₆C₆H₆P₆O₂₄,10H₂O, Cu₆C₆H₆P₆O₂₄,8H₂O, Zn₆C₆H₆P₆O₂₄,6H₂O). Then, the solubility of these compounds was determined in water at 20°C to determine their solubility product and establish their conditional solubility diagram to consider two possible study cases: iron removal in calcine leachate (zinc hydrometallurgy) and removal of Fe³⁺, Al³⁺ and Pb²⁺ in nitric leachates from printed circuit board. These separations were optimized using design of experiment methodology. In both cases, only pH influences precipitation. In the case of the Iron/Zinc mixture, it is possible to remove more than 99,6 % of the trivalent iron with less than 0,6 % of the zinc co-precipitated. In the second case, a two-step precipitation allows to remove 100 % of the iron, 99 % of the aluminum, 98 % of lead with less than 2 % copper loss. Fe/Zn separation was studied at the pilot step. The results confirmed those obtained at the laboratory step. A comparison with the three main existing industrial processes demonstrated that phytic acid allowed to obtain better iron removal efficiency and reduced zinc in the precipitate, leading to solid waste with a less environmental impact than jarosite considered as hazardous waste.