Recyclage de terres rares à partir de déchets de téléphones portables

Recovery of Rare Earth Elements Present in Mobile Phone

• Auteur / Autrice : Gullaume Dumet
• Direction : Fabrice Mutelet, Jean-Charles Moise
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des Procédés, des Produits et des Molécules
• Date : Inscription en doctorat le 18/09/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LRGP - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe 4 - CITHERE - Cinéthique et Thermodynamique pour l'Energie

Mots clés

Mots clés libres

Procédé d'extraction

Solvants eutectiques profonds

Terres rares

Rare earth elements

Deep eutectic solvents

Extraction process

Résumé

Ce projet a pour objectif de proposer un procédé permettant l'extraction et la séparation des terres rares présents dans les téléphones portables à l'aide de solvants eutectiques profonds (DES). En effet, 3 terres rares légères et 6 terres rares lourdes sont présents dans les différents composants d'un smartphone (vibreur, aimant et affichage couleur de l'écran). L'obtention d'une thèse ministérielle permettrait à l'équipe de développer cette nouvelle activité de recherche qui est en relation directe avec la protection de l'environnement et d'établir de nouvelles collaborations au sein de l'Université de Lorraine et avec d'autres universités (françaises et étrangères). Grâce à l'expertise acquise, le dépôt de projets ANR voire Européens pourrait ainsi être envisagé. Programme scientifique 1. Étude de la solubilité des terres rares (Nd, La, Dy, Y et Pr) dans les DES Une étude de la solubilité de différentes terres rares dans les DES sera effectuée à l'aide du modèle COSMO-RS. Ce travail fournira de précieuses informations sur l'impact de la structure des DES sur la solubilité des terres rares et sur la sélectivité des DES vis-à-vis de ces terres rares. Un des principaux objectifs sera de définir la structure de DES composés de trois constituants dont les performances sont supérieures aux DES dits binaires. La solubilité, la sélectivité, les propriétés physico-chimiques ainsi que leur toxicité seront les paramètres clés pour sélectionner différents DES. 2. Étude thermodynamique des systèmes ternaires {H2O+TR+DES} Les nouveaux DES sélectionnés devront-être caractérisés à l'aide de diverses techniques expérimentales (spectroscopie, calorimétrie, viscosimétrie…). De plus, une étude expérimentale de systèmes clés {H2O+TR+DES} sera conduite pour évaluer la cinétique, l'efficacité de l'extraction et pour définir les conditions opératoires optimales (température, solvant(s), rapport solution aqueuse/DES, pH). Cette étude sera couplée à des calculs de chimie quantique pour mieux comprendre les interactions mises en jeu dans de tels systèmes. Enfin, une extraction liquide-liquide sera effectuée sur des systèmes synthétiques contenant les éléments de TRs présents dans les vibreurs (Dy, Tb, Nd), les aimants (Pr, Nd, Gd) ou l'affichage couleur (La, Pr, Y, Tb, Eu, Dy, Ga) afin d'évaluer le pouvoir sélectif des DES sélectionnés. 3. Mise en place d'un procédé de récupération des TR issus de vibreurs ou d'aimants de smartphones Un traitement thermique suivi de traitement mécanique (broyage à boulets, tamisage) permettra d'obtenir une fraction riche en TR. Ensuite, cette fraction sera traitée soit par lixiviation directe à l'aide de DES soit par dissolution suivie d'une extraction liquide-liquide à l'aide de DES. L'étape suivante s'intéressera à la récupération des TR présents dans les différentes phases. L'objectif étant d'obtenir une bonne séparation des TR, une étape supplémentaire de séparation pourra être nécessaire. Chaque étape du procédé sera étudiée afin de déterminer les conditions optimales et d'atteindre le meilleur taux de récupération.

Rare Earth Elements (RE) form a family of chemical elements ranging from lanthanum to lutetium including yttrium and scandium. Some of these elements are used in many high-tech fields. In particular, heavy rare earth elements are widely used in new energy, new materials, aerospace, electronics . Processes currently used to recover the rare earths from natural or industrial ores are based on chemical treatments in order to obtain mineral concentrates. The chemical or leaching process is conventionally carried out using one or more acidic solvents. These leach solutions are then subjected to an extraction/separation step using different types of solvents, ion exchange and/or precipitation. Among these separation techniques, solvent extraction or liquid-liquid extraction are the most commonly used processes for the recovery of rare earths. Although widely applied on an industrial scale, liquid-liquid extraction suffers from certain limitations, such as the use of large quantities of toxic solvents and/or flammable solvents. Another major problem with the use of organic solvents in hydrometallurgy is their loss by evaporation. In addition to the economic aspect, this leads to ecological concerns. The elimination or substitution of these toxic and flammable solvents, which have a certain impact on safety and on the environment, is therefore one of the main challenges of metallurgical processes. The substitution of conventional solvents by ionic liquids has been considered to reduce the environmental and health impact of hydrometallurgical processes. However, these solvents remain very expensive and have a non-negligible toxicity. Deep eutectic solvents are considered as an alternative to ionic liquids. They are in fact composed of at least two compounds of low toxicity, are easy to prepare and have physico-chemical properties similar to ionic liquids without their disadvantages. This project aims to propose a process for the extraction and separation of rare earths present in mobile phones using deep eutectic solvents. Indeed, 3 light rare earths and 6 heavy rare earths are present in the various components of a smartphone (vibrator, magnet and color display of the screen).