Etudes de procédés hydrométallurgiques de recyclage de métaux contenus dans les composants électroniques de circuits imprimés

Study of hydrometallurgical processes for the recycling of metals from electronic components of printed circuit boards

• Auteur / Autrice : Fabien Olivier
• Direction : Jean-Christophe Gabriel, Charles Yang Chun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 19/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Nanyang Technological University (Singapour)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Singapore-CEA Alliance for Research in Circular Economy
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : François Puel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Dourdain, Anne Varenne, Su Pei-Chen, Marcos Marcos, Alain Marty
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandrine Dourdain, Anne Varenne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recyclage (déchets, etc.)

Extraction (chimie)

Matériaux stratégiques

Procédés chimiques

Millifluidique

Microfluidique

Mots clés libres

Microfluidique

Procédé

Métaux stratégiques

Extraction

Recyclage

Terre rare

Microfluidics

Process

Strategic Metals

Extraction

Recycling

Rare earth

Résumé

La gestion des déchets électroniques est une préoccupation mondiale en raison d'un manque généralisé de législation, conduisant à des données officielles sur la génération de déchets électroniques limitées. Les mines urbaines, où les déchets électroniques s'accumulent, présentent une réelle opportunité pour en ce qui concerne l'approvisionnement en métaux. Toutefois, les pratiques de recyclage inofficielles sont incontrôlées et peuvent nuire à l'environnement. La pyrométallurgie est aujourd'hui le procédé le plus utilisé pour le recyclage des déchets électroniques, mais présente des limites (taux de recyclage, rejets toxiques). Dans ce contexte, de nouveaux procédés dits hydrométallurgiques ont été développés sur une plateforme microfluidique automatisée et instrumentée. La microfluidique apporte de nouvelles connaissances sur les cinétiques d'extraction ainsi que sur les mécanismes associés. Elle permet de limiter les déchets liquides générés à la suite de chaque étude et plus généralement son empreinte carbone. La plateforme permet de réaliser des études d'extraction de métaux, en tirant avantage de l'analyse en ligne par fluorescence X (FX) des liquides de sortie. Des extractions liquide-liquide ont été plus particulièrement mises en œuvre, dont des paramètres cinétiques clés ont été déterminés. La plateforme a également été améliorée en tant qu'outil millifluidique pouvant étudier des procédés d'extraction solide-liquide, toujours en tirant parti de l'analyse en ligne par FX déjà existante. Afin de rendre les études d'extraction plus efficaces, un nouveau module de mélange a été conçu et ajouté à la plateforme. La validation de cette nouvelle brique a été effectuée à l'aide d'un autre module microfluidique utilisant un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier. Cet outil permet la mesure précise de l'activité chimique d'un solvant, ce qui a aidé à la validation du module de mélange.

E-waste management is a global concern due to a lack of widespread legislation, leading to limited formal data on e-waste generation and low levels of formal recycling. Informal recycling practices are uncontrolled and can harm the environment. Urban mines, where e-waste accumulates, present an opportunity to extract metal supplies. Pyrometallurgy is today the most used process for e-waste recycling but has limitations, creating a need for cleaner and more efficient processes such as hydrometallurgy. In this context, we developed new hydrometallurgy-based processes thanks to the development of an automatized and instrumented microfluidic platform. Microfluidics brings better understandings of the kinetics, thermodynamics and mechanisms involved during the process as well as limits generated liquid waste after experiment and more generally the global carbon footprint of the R&D study. Such a tool allows carrying out metal extractions studies, taking advantage of the online downstream analysis of output extraction streams based on X-ray fluorescence (XRF). Liquid-liquid extractions (LLE) have been particularly implemented, determining key kinetic parameters. Also, the platform has been upgraded as a millifluidic tool performing solid-phase extraction (SPE) processes and taking advantage of the already existing on-line XRF analysis. In order to make the LLE and SPE studies more efficient, a new part was designed and added to the platform: an upstream mixing module. The implementation of this new brick was done with the help of another module, a homemade microfluidic Fourier Transform Infrared Spectroscopy. This tool enables the precise measurement of the chemical activity of a solvent, which helped in the validation of the mixing setup.