Étude d'un procédé de biolixiviation mécaniquement assistée de la chalcopyrite

Study of a mechanically assisted bioleaching process for chalcopyrite

• Auteur / Autrice : Adeline Po
• Direction : Laurent Cassayre, Florent Bourgeois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 27/06/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : François Guyot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Cassayre, Florent Bourgeois, Anne-Gwénaëlle Guezennec, Eric Olmos, Catherine Joulian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Edouard Asselin, Stoyan Gaydardzhiev

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chalcopyrite

Hydrométallurgie

Lixiviation microbienne

Mots clés libres

Biolixiviation

Bioprocédé

Hydrométallurgie

Activation mécanique

Bioleaching

Bioprocess

Hydrometallurgy

Mechanical activation

Résumé

Dans le contexte de procédés dédiés à la récupération de métaux, la biolixiviation extractive, qui vise à dissoudre ou libérer les éléments métallifères contenus dans des minerais sulfurés à l’aide de microorganismes, présente de nombreux avantages dont la production des réactifs via l’activité microbienne. Cette technologie n’est cependant pas applicable pour l’extraction de cuivre à partir de chalcopyrite (principale ressource primaire de cuivre) du fait de phénomènes de passivation des surfaces des particules à lixivier. En parallèle, le procédé d’attrition lixiviante, qui consiste en l’abrasion in situ de couches de passivation par un média broyant (billes de taille millimétrique) en suspension dans le réacteur de lixiviation, accélère fortement la dissolution de la chalcopyrite. Le projet de thèse visait à évaluer les potentialités d’un nouveau concept de lixiviation hybride nommé « biolixiviation attritive », combinant les avantages de la biolixiviation et de l’attrition lixiviante. Plus spécifiquement, les objectifs étaient de caractériser les phénomènes induits par un tel couplage, dont en particulier la vitesse et la nature des réactions chimiques (dissolution, précipitation) ainsi que la croissance et l’activité bactérienne. D’un point de vue méthodologique, la répétabilité du protocole de préparation de l’inoculum (solution contenant le consortium bactérien nécessitant une culture de 7 jours), très peu documentée jusqu’ici, a été démontrée. Puis, comme la présence du media broyant dans le réacteur induit une réduction rapide de la taille des particules, l’effet de la présence de particules fines sur la biolixiviation conventionnelle de la chalcopyrite a été considéré. Il s’est avéré qu’une proportion en particules fines (< 20 μm) supérieure à 90% améliore grandement le rendement de dissolution, mais n’empêche pas la passivation. Contrairement à ce qui est parfois avancé dans la littérature, les fines particules n’inhibent donc ni la croissance, ni l’activité de bactéries thermophiles modérés ou mésophiles, mais au contraire les favorisent, sans doute grâce à une plus forte teneur en fer ferreux et en soufre dans le milieu. Des essais menés dans un réacteur de biolixiviation attritive de 2,7 L contenant 250 g de billes de verre ont ensuite été caractérisés. Pour un ratio initial bille/chalcopyrite de 0,8 g.g-1, la croissance et l’activité bactérienne sont inhibées, du fait de trop fortes contraintes mécaniques et hydrodynamiques. En revanche, pour un ratio de 1,6 g.g-1, la croissance et l’activité bactérienne ont été démontrées après un temps de latence. L’activité ferro-oxydante des bactéries induit alors une dissolution plus rapide qu’en conditions abiotiques tandis que l’activité sulfo-oxydante permet de réduire la consommation en acide. Un rendement de lixiviation du cuivre très élevé (80% en 14 jours contre 9% avec la biolixiviation conventionnelle) a ainsi été obtenu. Il a également été mis en évidence que l’effet des billes sur les espèces bactériennes diffère selon leurs propriétés et leur localisation. Ainsi, la capacité à sporuler des espèces du genre Sulfobacillus leur confère une résistance plus élevée à l’environnement attritif, tandis que le développement de l’espèce Leptospirillum ferriphilum (ferro-oxydante), davantage localisée à la surface des particules, est inhibé. L’espèce 'Fervidacidithiobacillus caldus' (sulfo-oxydante) semble quant à elle capable de s’adapter aux conditions opératoires et se développe après une phase de latence. La quantité de billes et la concentration en solide sont donc des paramètres majeurs conditionnant la dissolution de la chalcopyrite et l’exfoliation des couches de passivation, mais aussi la croissance et l’activité bactérienne. Les perspectives principales de ces travaux, en vue de mieux comprendre le procédé hybride de biolixiviation attritive, sont l’étude approfondie de l’effet de ces paramètres et la capacité d’adaptation des bactéries à l’environnement attritif.

In the context of processes dedicated to metal recovery, extractive bioleaching, which aims at dissolving (or liberating) the metalliferous elements contained in sulfide ores using microorganisms, offers numerous advantages, including the production of reagents via microbial activity. However, this technology is not applicable to the extraction of copper from chalcopyrite (the main primary copper resource) due to passivation phenomena on the surfaces of the particles to be leached. At the same time, the attrition-leaching process, which consists in the in situ abrasion of passivation layers by a grinding media (millimeter-sized beads) suspended in the leaching reactor, greatly accelerates chalcopyrite dissolution. The aim of the thesis project was to evaluate the potential of a new hybrid leaching concept called ''attrition-bioleaching'', combining the advantages of bioleaching and attrition-leaching. More specifically, the objectives were to characterize the phenomena induced by such a coupling, including in particular the speed and nature of chemical reactions (dissolution, precipitation) as well as bacterial growth and activity. From a methodological point of view, the repeatability of the protocol used to prepare the inoculum (solution containing the bacterial consortium requiring a 7-day culture), which is very little documented to date, was demonstrated. Then, as the presence of grinding media in the reactor causes a rapid reduction in particle size, the effect of the presence of fine particles on conventional chalcopyrite bioleaching was considered. It was found that a proportion of fine particles (< 20 μm) greater than 90% greatly improves dissolution yield, but does not prevent passivation. Contrary to what is sometimes claimed in the literature, fine particles therefore inhibit neither the growth nor the activity of moderate thermophilic or mesophilic bacteria, but on the contrary promote them, probably thanks to a higher ferrous iron and sulfur content in the medium. Tests carried out in a 2.7 L attrition-bioleaching reactor containing 250 g of glass beads were then characterized. At an initial bead/chalcopyrite ratio of 0.8 g.g-1, bacterial growth and activity were inhibited by excessive mechanical and hydrodynamic stress. On the other hand, for a ratio of 1.6 g.g-1, growth and bacterial activity were demonstrated after a lag time. The bacteria's ironoxidizing activity led to faster dissolution than under abiotic conditions, while their sulfur-oxidizing activity reduced acid consumption. A very high copper leaching efficiency (80% in 14 days versus 9% with conventional bioleaching) was thus obtained. It has also been shown that the effect of beads on bacterial species differs according to their properties and location. In that respect, species from the Sulfobacillus genus have a greater resistance to the conditions in the attritionbioleaching reactor thanks to their ability to sporulate, while the growth of the Leptospirillum ferriphilum species (iron-oxidizing), which is more localized on the particle surface, is inhibited. The 'Fervidacidithiobacillus caldus' species (sulfur-oxidizing) seems to be able to adapt to operating conditions, and grows after a latent phase. The quantity of beads and the concentration of solids are therefore major parameters conditioning the dissolution of chalcopyrite and the exfoliation of passivation layers, on the one hand, and bacterial growth and activity, on the other. The main perspectives of this work, in order to better understand the hybrid attrition-bioleaching process, are the in-depth study of the effect of these parameters and the ability of bacteria to adapt to the conditions in the attrition-bioleaching reactor.