Étude prospective pour la récupération par voie électrochimique en milieu solvant eutectique profond de l’or et de l’argent issus du traitement des cartes électroniques de téléphones portables

Prospective study for the electrochemical recovery in deep eutectic solvent of gold and silver contained in the treatment residues of cell phone electronic boards

• Auteur / Autrice : Calogera Bertoloni
• Direction : Eric Meux, François Lapicque
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 17/12/2024
• 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 : Isabelle Billard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Meux, François Lapicque, Marie-Laure Doche, Thomas Doneux, Sophie Legeai
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Laure Doche, Thomas Doneux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recyclage

Circuits imprimés

Déchets -- Valorisation

Dépôt électrolytique

Lixiviation

Électrolyse

Métaux précieux

Solvants eutectiques profonds naturels

Mots clés libres

Solvant eutectique profond

Métaux précieux

Électrolyse

Valorisation de déchets

Électrolixiviation

Électrodéposition

Deep eutectic solvents

Precious metals

Electrolysis

Waste treatment

Electroleaching

Electrodeposition

Résumé

L'extraction minière de l'or et de l'argent ne suffit plus à répondre à la demande croissante de notre société moderne, en raison de l'épuisement des ressources et de l'augmentation des besoins dans des secteurs comme l'électronique et les énergies renouvelables. Cela rend nécessaire la recherche de solutions durables. Le recyclage des cartes électroniques de téléphones portables est une option intéressante pour récupérer ces métaux précieux. Ce travail de thèse s'inscrit dans le projet EE4Precious financé par l'ANR, dont l'objectif est de développer une méthode innovante combinant électrolixiviation et électrodéposition pour extraire l'or et l'argent de manière respectueuse de l'environnement, en utilisant des solvants eutectiques profonds (DES). L'objectif est d'obtenir des phases métalliques pures à la cathode (sélectivité) et de mettre en œuvre les deux réactions avec un rendement faradique maximal afin de permettre le recyclage des DES. L'éthaline 1:2, mélange de chlorure de choline (ChCl) et d'éthylène glycol (EG), a été choisi comme DES de référence. Par la suite, la substitution de l'EG par du propylène glycol (PG), conduisant à un nouveau DES nommé propeline, a été explorée. Plusieurs étapes ont été envisagées pour mener à bien ce projet. Dans un premier temps, puisque les performances d'un processus électrochimique dépendent de l'électrolyte utilisé, les expériences se sont focalisées sur les propriétés physico-chimiques de l'éthaline et de la propeline : viscosité, conductivité, densité et domaine d'électro-activité. L'influence de la teneur en eau sur ces propriétés a fait l'objet d'une étude approfondie. L'augmentation de la température et la diminution de la proportion ChCl:glycol à 1:3 permet d'atteindre avec la propeline des propriétés physico-chimiques similaires à celles de l'éthaline 1:2. Le travail s'est ensuite porté sur l'étude approfondie des réactions électrochimiques de dissolution anodique et de dépôt cathodique de l'argent et de l'or. Les performances des deux DES pour la lixiviation électrochimique de l'or et de l'argent ont été évaluées à partir des phases métalliques pures. L'efficacité de cette étape a pu être déterminée après un développement approfondi des procédures analytiques dédiées à l'analyse élémentaire en milieu DES (ICP-OES). Grâce à la forte activité complexante de ces solvants, l'étape d'électrolixiviation est efficace, avec des rendements proches de 100 %, montrant que le PG est une bonne alternative à l'EG pour le processus électrochimique. La spéciation de l'or lixivié a été déterminée par spectrophotométrie UV-visible et EXAFS/XANES. Enfin, la détermination des paramètres cinétiques de transfert de charge et de transport de matière à l'électrode a été menée. Afin d'obtenir des valeurs d'une haute précision et fiabilité, plusieurs méthodes et lois électrochimiques ont été utilisées. Les coefficients de diffusion de l'or et de l'argent ont été déterminés en appliquant les lois de Cottrell et Levich sur les données obtenues par chronoampérométrie en régimes de diffusion naturelle et convective. Le coefficient de transfert de charge α, la constante de vitesse k0 et le coefficient de diffusion ont été estimés à partir de voltampérogrammes cycliques (CV) au moyen d'un modèle programmé sous Matlab. L'étape d'électrodéposition a été étudiée dans une dernière partie. Des tests de couplage entre électrolixiviation et électrodéposition effectuée à partir d'une solution synthétique d'argent montrent des résultats prometteurs affichant un rendement faradique d'environ 100 % pour les deux étapes, en atmosphère contrôlée. Enfin, après une première étude par CV de solutions bimétalliques Au-Ag, des premiers tests de dépôt sélectif d'or en mode potentiostatique ont été menés, qui se sont révélés prometteurs.

The mining of gold and silver is no longer sufficient to meet the growing demands of modern society, due to the depletion of resources and increasing requirements in sectors such as electronics and renewable energies. This calls for the search for sustainable solutions. Recycling cell phone circuit boards is an interesting option for recovering these precious metals. This thesis is part of the ANR-funded EE4Precious project, which aims to develop an innovative method combining electroleaching and electrodeposition reactions to extract gold and silver in an environmental-friendly way, using deep eutectic solvents (DES). The aim is to obtain pure metal phases at the cathode (selectivity), and to carry out both reactions with maximum faradic yield to enable DES recycling. Ethaline 1:2, a mixture of choline chloride (ChCl) and ethylene glycol (EG), was chosen as the reference DES. Subsequently, the substitution of EG by propylene glycol (PG) leading to a new DES named propeline, was explored. Several stages were envisaged to bring this project to fruition. Initially, since the performance of an electrochemical process depends on the electrolyte used, experiments focused on the physicochemical properties of ethaline and propeline: viscosity, conductivity, density and electroactivity range. The influence of water content on these properties was studied. By increasing the temperature and decreasing the ChCl:glycol ratio to 1:3, propeline exhibits comparable physico-chemical properties to 1:2 ethaline. Then the work switched to an in-depth study of the electrochemical reactions of anodic dissolution and cathodic deposition of silver and gold. The performance of the two DES for the electrochemical leaching of gold and silver was evaluated using pure metal phases. The efficiency of this step was determined after thorough development of analytical procedures dedicated to elemental analysis in DES media (ICP-OES). Thanks to the high complexing activity of these solvents, the electro-leaching step is efficient, with yields close to 100%, showing that PG is a good alternative to EG for the electrochemical process. Speciation of leached gold was determined by UV-visible spectrophotometry and EXAFS/XANES. Finally, the kinetic parameters of charge transfer and material transport at the electrode were determined. To obtain highly accurate and reliable values, several electrochemical methods and laws were used. The diffusion coefficients of gold and silver were determined by applying Cottrell and Levich's laws to data obtained by chronoamperometry in natural and convective diffusion regimes. The charge transfer coefficient α, the rate constant k0 and the diffusion coefficient were estimated from cyclic voltammograms (CV) using a model programmed in Matlab. The electroplating step was studied in a final section. Coupling tests between electroleaching and electrodeposition using a synthetic silver solution showed very encouraging potential, with faradic yields of around 100% for both stages, in a controlled atmosphere. Finally, following an initial CV study of bimetallic Au-Ag solutions, initial tests of selective gold deposition in potentiostatic mode have proved promising.