Thèse soutenue

Optimisation des procédés de recyclage de métaux critiques : apports de spectroscopies localisées pour les procédés à base de liquides ioniques

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Auteur / Autrice : Antonio De Braga Souza Neto
Direction : Juliette Sirieix-PlénetAnne-Laure RolletGuillaume Mériguet
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Chimie Analytique
Date : Soutenance le 28/09/2023
Etablissement(s) : Sorbonne université
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physicochimie des électrolytes et nanosystèmes interfaciaux (Paris ; 2014-....)
Jury : Président / Présidente : Mario Avila-Rodriguez
Examinateurs / Examinatrices : Michel Bardet
Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Boltoeva, Sabine Bouguet-Bonnet

Résumé

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L'augmentation constante de la demande et du risque d'approvisionnement en métaux critiques encourage les efforts d'innovation en matière de recyclage. Ces métaux sont essentiels à la fonctionnalité des technologies vertes émergentes et présentent un risque d'approvisionnement. Par exemple, le lithium (Li) est essentiel à la production de batteries et sa demande tend à augmenter considérablement au cours des prochaines décennies. Le platine (Pt) est un métal précieux et stratégique du groupe du platine (MGP) qui est largement utilisé comme catalyseur dans l'industrie automobile pour le contrôle des émissions dans les convertisseurs catalytiques, ainsi que dans l'aviation, l'industrie pharmaceutique et plusieurs autres applications. Le recyclage des métaux critiques par voie hydométallurgique s'effectue principalement par une succession d'étapes : la lixiviation, l'extraction liquide-liquide et la récupération. L'extraction liquide-liquide est la répartition de solutés entre deux liquides non miscibles en contact. Les procédés industriels actuels utilisent de grandes quantités de solvants organiques volatils toxiques et d'extractants. Les liquides ioniques (LIs) représentent une alternative intéressante à ces solvants, au vu de leur faible pression de vapeur malgré leur viscosité élevée. Toutefois, les mécanismes d'extraction utilisant les liquides ioniques sont encore mal compris . La plupart des études sur le processus d'extraction liquide-liquide sont basées sur des techniques analytiques qui s’effectuent sur chacune des phases avant et après extraction et se focalisent principalement sur les espèces métalliques. L'extraction homogène liquide-liquide (HLLE) est une application des IL thermomorphiques. Ce processus tire parti de ces liquides, qui présentent un comportement de miscibilité avec les solutions aqueuses en fonction de la température. À l'état homogène, l'interface disparaît, il n'y a donc plus de barrière de diffusion lors de l'extraction. Ce travail se concentre sur les HLLE du lithium et du platine mais aussi sur la compréhension du mécanisme mis en jeu. Deux liquides ioniques thermomorphiques, le bis(trifluorométhylsulfonyl)imide de cholinium [Chol][TFSI] et le bis(trifluorométhylsulfonyl)imide de bétaïne [Hbet][TFSI], sont utilisés pour l'extraction de ces métaux. La spectroscopie RMN a été employée pour déterminer la spéciation des phases en contact et pour mesurer les concentrations dans le milieu et à l'interface, en utilisant la spectroscopie localisée (LOCSY). Celle-ci est aussi utilisée pour étendre la compréhension du processus d'extraction liquide-liquide puisque cette technique permet d'observer in situ les différentes espèces présentes dans le système, telles que l'extractant, le cation et l'anion du LI, et certain métaux en suivant différents noyaux, tels que 1H, 19F, 7Li et 195Pt. En outre, les interactions entre les espèces et les processus de diffusion ont également été étudiés par des expériences spécifiques telles que NOESY/HOESY, qui détectent les interactions entre les atomes proches dans l'espace mais non liés, et DOSY, qui détermine les coefficients de diffusion. Simultanément, les paramètres clés de l'efficacité de l'extraction liquide-liquide, tels que la concentration de l'extractant, le rapport de phase, la concentration en métal sont explorés. Cette approche permet d'approfondir la compréhension globale du processus de l'extraction dans les liquides ioniques.