Contexte et objectifs du projet
En France, en Europe et dans le reste du monde, mener la transition énergétique vers des énergies décarbonées et renouvelables induit un besoin croissant en métaux critiques, notamment le lithium, le tungstène, le cobalt, le nickel, principalement extraits à partir de minerais et de résidus miniers. Les procédés communément utilisés en traitement des minerais manquent d’efficacité pour récupérer les minéraux et les métaux précieux du sous-sol dans le respect de l’environnement. Il est donc capital d’améliorer l’efficacité de ces techniques afin d’extraire durablement des métaux critiques à partir des sources primaires, les minerais, et des sources secondaires, telles que les résidus miniers, en ligne avec les enjeux de la transition écologique.
La flottation est un procédé très efficace et largement utilisé pour séparer les minéraux d’intérêt de leur gangue (minéraux non-valorisables). Cette méthode se fonde sur l’utilisation de réactifs visant à modifier la tension de surface des minéraux puis sur l’injection de bulles d’air qui récupèrent les particules rendues hydrophobes. Cependant, la flottation n’est toujours pas optimale, conduisant à un procédé plus long et coûteux, en raison de la difficulté à comprendre et à simuler :
- les phénomènes physico-chimiques d’adsorption, aux interfaces solide/liquide et liquide/gaz ;
- leur lien avec le transport des particules et la récupération des minéraux de valeur dans les écoulements turbulents.
En effet, cette méthode implique des matériaux hétérogènes, une composition chimique de l’eau complexe, des particules, des bulles et des réactifs en interaction dans des écoulements complexes, en particulier pour les matériaux fins qui suscitent un intérêt croissant. Actuellement, seules des simulations atomiques et des simulations de dynamique des fluides à l’échelle du réacteur, considérablement plus grande, sont prises en compte, sans compréhension mécaniste des phénomènes en jeu. L’efficacité de la flottation peut être améliorée de manière significative en améliorant sa simulation puis in fine la récupération des minéraux (et donc des métaux). Ceci en tenant compte des phénomènes multi-physiques et multi-échelles, de l’échelle atomique à l’échelle du réacteur, et en comprenant et en simulant de manière mécaniste les forces d’interaction entre les particules et leur environnement au cours de leur transport.
Exemple de résultat d'une expérience de flottation à la plateforme Plat'Inn du BRGM à Orléans sur les matières premières minérales et l'économie circulaire (Loiret, 2023).
© BRGM - Didier Depoorter
Résultats attendus
Le projet MINFLOT propose une approche pluridisciplinaire et multi-échelle nouvelle et innovante combinant étroitement des expériences de pointe et la modélisation numérique depuis l’échelle atomique, où se produisent les phénomènes physico-chimiques clés aux interfaces jusqu’à l’échelle du réacteur, en passant par l’échelle de la particule et du microréacteur.
- Des simulations de dynamique moléculaire couplées à l’intelligence artificielle fourniront les données en entrée pour calculer les forces d’interaction colloïdale intervenant dans la simulation de la dynamique des fluides avec la méthode des éléments discrets pour reproduire l’écoulement et la réactivité des particules dans les microréacteurs. Ces simulations seront validées par des expériences en microfluidique et en microréacteur. Des mesures et modèles électrocinétiques, de mouillabilité et géochimiques faisant le lien entre les simulations atomiques et hydrodynamiques seront également entrepris.
- Ensuite, l’écoulement et le transport réactif à l’échelle plus grande du réacteur seront modélisés en tenant compte des résultats des simulations à plus petite échelle et des mesures de récupération des minéraux et métaux provenant d’expériences de flottation novatrices. Les avancées attendues amélioreront considérablement la fiabilité des simulations de la flottation ainsi que l’efficacité et le coût du procédé. Cela permettra de traiter de plus grandes quantités de minerais et de déchets miniers afin d’en récupérer les métaux essentiels à la transition écologique, comme le tungstène et le lithium.
Organisation du projet
Responsable du projet
Philippe Leroy (BRGM), ingénieur de recherche en géophysique.
Philippe Leroy
Philippe Leroy
Philippe Leroy est ingénieur de recherche en géophysique à la Direction de la Connaissance et Géomodélisation du Sous-sol du Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM), à Orléans, concentrant ses travaux sur les géosciences environnementales pour atténuer la pollution anthropique incluant les déchets radioactifs et la séquestration du CO2, et les risques, ainsi que l'exploration des ressources en eau et minérales. Il est un expert internationalement reconnu en géophysique de subsurface/hydrogéophysique incluant la géophysique à l'échelle des pores et la physico-chimie. Il a publié de manière extensive, incluant 43 articles dans des revues internationales d'hydrogéophysique, de géochimie, et de science des colloïdes et des interfaces (indice h 27, environ 4000 citations dans Google Scholar). Il est actuellement le porteur d'un projet de l'Agence nationale de la recherche française sur l'utilisation de l'imagerie électrique pour améliorer la bioremédiation des hydrocarbures et responsable pour le BRGM d'un projet de l'Agence nationale de la recherche française et allemande sur l'utilisation de l'imagerie électrique pour surveiller les propriétés de confinement des matériaux argileux sur les énergies géothermique et hydrogène stockées. Il est également le porteur d'un nouveau projet PEPR Sous-sol sur le développement de simulations multi-échelles et multiphysiques de l'échelle moléculaire à l'échelle du réacteur pour améliorer les techniques de flottation minérale et la récupération de métaux critiques comme le lithium et le tungstène à partir de minerais européens et de déchets miniers. Il a également effectué 34 communications dans des congrès et ateliers internationaux, et 14 séminaires. Philippe Leroy a été éditeur invité en hydrogéophysique de la revue Geophysics et co-organisateur de la session de l'Union européenne des géosciences sur l'utilisation de l'hydrogéophysique pour améliorer l'hydrologie, l'agronomie et les pratiques agricoles. Il a co-encadré 6 doctorats (et 2 en cours) et 4 post-doctorats (et 1 en cours).
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