Titre de la thèse : Développement d’un modèle thermodynamique pour la valorisation de la chalcopyrite par voie hydrométallurgique

Vendredi 5 mars à 13h30 à assister en présentiel en amphi de la prépa ou en visio (ID de réunion : 979 7421 4680, merci par avance de veiller à bien couper votre micro et caméra)

Vous cheminerez dans l’univers de l’hydrométallurgie et plus particulièrement celui de l’extraction du cuivre par voie aqueuse. Quelques points numériques et thermodynamiques seront intelligiblement abordés (n’ayez crainte!) pour vous exposer les atouts de la modélisation et l’aide qu’elle peut apporter dans la recherche de paramètres opératoires optimaux en vue du développement et de la conception de procédés hydrométallurgiques.

Les recherches menées seront évaluées par le jury composé de :

Pour celles et ceux impatients d’en savoir plus sur le sujet, voici une mise en bouche avec un résumé des travaux réalisés :

La chalcopyrite CuFeS₂ est le minerai de cuivre le plus abondant sur Terre. Pour extraire le cuivre de ce minerai, la pyrométallurgie a été principalement privilégiée. Cependant, du fait des coûts opératoires importants et des normes environnementales de plus en plus strictes, la recherche de solutions alternatives telle que l’hydrométallurgie représente un enjeu technique et économique. En effet, lors de l’étape de lixiviation, des couches passivantes se forment à la surface des particules du minerai entrainant un blocage partiel ou total de la dissolution. Les nombreuses études expérimentales ont permis d’identifier des couches de composés de soufre ou de fer(III) sans pour autant réconcilier les divers résultats au vu des différentes conditions opératoires. Pour tenter d’identifier les conditions favorisant la mise en solution du cuivre, une approche thermodynamique axée sur la description rigoureuse des équilibres solide-liquide est développée.
Au vu du nombre de composés solides et aqueux définis pour le système CuFeS₂-H₂SO₄-H₂O, les constantes d’équilibre spécifiées dans la base de données « Thermoddem » sont exploitées. Pour représenter le comportement des solutions électrolytiques, trois modèles thermodynamiques de coefficients d’activités ont été sélectionnés, dont le modèle SIT (Specific ion Interaction Theory) qui représente un bon compromis en force ionique et en nombre de paramètres pour le système à modéliser. Étant donné qu’aucun paramètre d’interactions ε(i ; k) du modèle SIT lié au système d’étude n’est renseigné dans la littérature, une méthodologie d’estimation de ces paramètres est mise en place. Elle consiste à décomposer le système complet CuFeS₂-H₂SO₄-H₂O en quatre sous-systèmes élémentaires : H₂SO₄-H₂O, Cu(II)-H₂SO₄-H₂O, Fe(II)-H₂SO₄-H₂O et Fe(III)-H₂SO₄-H₂O. Pour chaque sous-système, des paramètres d’interactions binaires du modèle SIT sont déterminés grâce à un outil d’estimation élaboré au cours de ces travaux. Ces paramètres ε(i ; k) sont ajustés sur des valeurs de références calculées par un modèle de Pitzer déjà existant ou directement issues de mesures expérimentales lorsque le modèle de Pitzer ne peut pas couvrir une plage d’acidité de [0-1 M] et une plage de température de [25-90 °C]. En effet, par manque de données expérimentales dans la littérature pour le sous-système Fe(III)-H₂SO₄-H₂O, des mesures de solubilité de deux phases solides contenant du Fe(III), la goethite FeOOH et l’hydronium jarosite (H₃O)Fe₃(SO₄)₂(OH)₆, ont été mises en œuvre. Ces deux phases ont été sélectionnées puisqu’elles ont été caractérisées à la surface de grains de chalcopyrite lors de sa lixiviation dans l’acide sulfurique. Durant ces expériences, la concentration en fer dans la solution est mesurée par spectrométrie d’émission atomique (ICP-OES) et le solide est caractérisé avant et après dissolution par diffraction des rayons X (DRX).
Pour finir, les différents paramètres d’interactions de paires ε(i ; k) estimés dans ces travaux sont couplés. Par conséquent, un modèle SIT pour le système complet CuFeS₂-H₂SO₄-H₂O est établi. Il est utilisé pour générer des diagrammes de Pourbaix qui devraient aider à trouver de nouvelles voies et conditions d’exploitation pour le traitement de la chalcopyrite par voie hydrométallurgique.