Évaluation géométallurgique de récupération du Li par flottation à partir des granites à métaux rares : étude des variabilités minéralogiques et texturales

Geometallurgical evaluation of Li recovery by flotation from rare metal granites : mineralogical and textural variability study

• Auteur / Autrice : Chloé Korbel
• Direction : Lev Filippov, Inna Vladimirovna Filippova
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 17/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoRessources (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Bénédicte Prélot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lev Filippov, Inna Vladimirovna Filippova, Éric Pirard, Jan Zawała, Liza Forbes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Pirard, Jan Zawała

Mots clés

Mots clés contrôlés

Minéralurgie

Surfaces (technologie) -- Analyse

Amines

Flottation

Mica

Lithium -- Minerais

Mots clés libres

Lépidolite

Flottation

Amine

Caractérisation

Physico-chimie des surfaces

Lepidolite

Flotation

Amine

Characterization

Physical-Chemistry of surfaces

Résumé

Le lithium, essentiel à la transition énergétique, a été reconnu par la Commission européenne comme matière première critique. Cependant, bien que l'Europe dispose de gisements significatifs de lithium, ceux-ci sont inexploités. Les principaux gisements européens, constitués de granites à métaux rares et de pegmatites, contiennent des micas lithinifères tels que le lépidolite et la zinnwaldite. Toutefois, ces minéraux présentent deux défis principaux : des teneurs en lithium inférieures en comparaison avec le spodumène, et des procédés d'extraction métallurgique complexes et coûteux. Le développement de méthodes innovantes de concentration minérale, économes en énergie et respectueuses de l'environnement, apparait donc comme crucial pour valoriser ces gisements. Ce projet de thèse se concentre sur le développement de tels procédés en prenant pour cas d'étude le granite de Beauvoir, gisement de classe mondiale de lithium situé dans l'Allier, en France. Ce projet s'articule autour de trois axes. Le premier est la caractérisation minéralogique et géochimique fine des échantillons, depuis les carottes jusqu'aux produits de séparation minérale. Le second est le développement du procédé de récupération du lépidolite. Plusieurs hypothèses concernant la valorisation de ce mica lithinifère sont testées : la valorisation à la maille de libération du lépidolite et la valorisation des particules grossières, possiblement non libérées, pour réduire les coûts de concassage-broyage. Enfin, des efforts sont donc déployés pour affiner les connaissances sur les propriétés de surface du lépidolite. La caractérisation des échantillons a révélé que ce granite contient plusieurs micas de la série muscovite-lépidolite. Des mesures ponctuelles de teneur en lithium ont démontré que le lépidolite est le principal porteur de lithium, tandis que la muscovite ne présente pas de concentration notable en lithium. En outre, ces minéraux sont tous les deux présents dans les concentrés de flottation. Les essais de flottation ont montré que la concentration du lépidolite dépend principalement du dosage des amines et du pH de la suspension. Un pH acide, autour de 2, permet d'obtenir une meilleure sélectivité. Après optimisation, un concentré contenant entre 3,9 et 4,0% Li₂O, avec une récupération supérieure à 70% de Li₂O est obtenu. Les essais de flottation en milieu neutre ont montré des performances similaires à celles obtenues en milieu acide. Ainsi, un procédé plus respectueux de l'environnement et moins coûteux semble viable. En outre, ces résultats sont soutenus par les travaux de caractérisation de surface du lépidolite réalisés. En conclusion, ce travail de thèse a permis d'améliorer la compréhension des gisements de lépidolite et leur valorisation, en se basant sur le cas d'étude du granite de Beauvoir. Une caractérisation fine a permis de contraindre le contenu en lithium et les phases minérales porteuses. Le schéma de traitement développé permet d'obtenir un concentré apte à être soumis aux étapes de métallurgie extractive, pour produire des produits lithinifères de « qualité batterie ». Ce travail a permis le développement d'un procédé économique, écologique et durable de récupération du lépidolite.

Lithium, essential for the energy transition, was recognized by the European Commission as a critical raw material in 2017 and 2020. Although Europe has significant lithium deposits, they remain largely unexploited. The main European deposits, consisting of rare metal granites and pegmatites, contain lithium-rich micas such as lepidolite and zinnwaldite. However, these minerals present two major challenges: lower lithium content compared to spodumene and complex, costly metallurgical extraction processes. The development of innovative mineral concentration methods that are energy-efficient and environmentally friendly is crucial for the beneficiation of these deposits. This PhD project focuses on developing such processes, using the world-class lithium deposit of the Beauvoir granite in the Allier region of France as a case study. This project is structured around three main areas. The first is the detailed mineralogical and geochemical characterization of samples, from drill cores to mineral separation products. The second area is the development of a lepidolite recovery process. Several hypotheses regarding the beneficiation of this lithium-bearing mica are tested: the valorisation at the lepidolite liberation mesh size and the one of coarse, possibly non-liberated, lepidolite particles to reduce crushing and grinding costs. Finally, efforts are made to refine the understanding of lepidolite's surface properties. Sample characterization revealed that this granite contains several micas from the muscovite-lepidolite series. Spot measurements of lithium content demonstrated that lepidolite is the primary lithium carrier, while muscovite shows no significant lithium concentration. Moreover, both minerals are present in flotation concentrates. Flotation tests showed that the concentration of lepidolite primarily depends on the dosage of amines and the pH of the suspension. An acidic pH, around 2, allows for better selectivity. After optimization, a concentrate containing between 3.9 and 4.0% Li₂O, with a recovery rate of over 70% Li₂O, was achieved. Flotation tests in a neutral medium showed similar performance to those obtained in an acidic medium. Thus, a more environmentally friendly and cost-effective process appears viable. Furthermore, these results are supported by lepidolite surface characterization studies. In conclusion, this PhD work has enhanced the understanding of lepidolite deposits and their beneficiation, based on the Beauvoir granite case study. Detailed characterization has helped constrain lithium content and identify the mineral phases that carry it. The developed processing scheme allows for obtaining a concentrate suitable for subsequent extractive metallurgy stages to produce battery-grade lithium products. This work has led to the development of an economical, ecological, and sustainable lepidolite recovery process.