Biological versus chemical leaching of electronic waste for copper and gold recovery

par Arda Isildar

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Eric Van Hullebusch et de Stéphanie Rossano.

Soutenue le 18-11-2016

à Paris Est en cotutelle avec l'Università degli studi (Cassino, Italie) , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) (laboratoire) et de Laboratoire Géomatériaux et Environnement / LGE (laboratoire) .

Le président du jury était Kenneth A. Irvine.

Le jury était composé de Eric Van Hullebusch, Giovanni Esposito, Piet N. L. Lens.

Les rapporteurs étaient Erkan Sahinkaya, Jaco Huisman, Ester Van Der Voet.

  • Titre traduit

    Valorisation des déchets d'équipements électriques et électroniques (DEEE) par différentes approches bio/hydrométallurgiques : application au cas du cuivre et de l’or


  • Résumé

    Le bien-être de notre société dépend directement de plusieurs métaux tels que les métaux communs, les métaux précieux et, de plus en plus, les terres rares (TR). L’utilisation de ces métaux s’est développée dans de nombreuses applications, notamment pour les équipements électriques et électroniques (EEE), et leur approvisionnement interrompu est un enjeu majeur. Les appareils électroniques modernes contiennent jusqu’à 60 métaux différents. Il y a un intérêt grandissant pour les sources secondaires de ces métaux, en particulier les déchets d’équipements électriques et électroniques (DEEE), afin de compenser des potentiels manques d’approvisionnement. Cette thèse de doctorat montre les avantages et les inconvénients des approches biologiques et chimiques, ainsi que des avancées et perspectives dans le développement de procédés viables for la récupération des métaux des DEEE. Un nouveau procédé for la récupération des métaux des DEEE est décrit et une évaluation économique est fournie. Les cartes de circuits imprimés (CCI) des ordinateurs de bureau, des ordinateurs portables, des téléphones mobiles et des serveurs de télécommunications ont été étudiées. Les CCI jetées contenaient des concentration en métaux dans la gamme (% du poids) cuivre (Cu) 17,6 - 39,0 / fer (Fe) 0,7 - 7,5 / aluminium (Al) 1,0 - 5,5 / nickel (Ni) 0,2 - 1,1 / zinc (Zn) 0,3 - 1,2 , ainsi que de l’or (Au) (en ppm) 21 - 320. Une analyse multicritère (AMC) utilisant la méthodologie du processus d’analyse hiérarchique (PAH) a été appliquée pour la sélection de la technologie de récupération des métaux la plus adaptée. Une preuve du concept d’extraction par une double étape de biolixiviation est fournie, dans laquelle 98,4% et 44,0% de cuivre et d’or, respectivement, ont été extrait. Cette procédure d’extraction à deux étapes a aussi été appliquée pour la lixiviation chimique des métaux des CCI. La lixiviation du Cu a été effectuée dans un mélange acide d’H2SO4 et d’H2O2, alors que l’Au a été extrait par du S2O32− dans un milieu NH4+, catalysé par CuSO4. Avec les conditions opératoires optimales, 99,2% et 92,2% de Cu et d’Au, respectivement, ont été extrait de ces matériaux. La récupération sélective du Cu du lixiviat de biolixiviation a été étudiée en utilisant la précipitation sulfurée et l’extraction électrolytique (electrowinning). Le Cu a été récupéré de manière sélective en 50 min sur la cathode à une densité de courant de 50 mA, avec une efficacité de 97,8% et une purité de 65,0%. L’analyse technico-économique et l’évaluation de la viabilité environnementale de la nouvelle technologie à un stade précoce de développement ont été étudiées


  • Résumé

    The well-being of the society depends on a number of metals, including base metals, precious metals and increasingly rare earth elements (REE). The usage of these metals increased in numerous applications, including electrical and electronic equipment (EEE), and their interrupted supply is at stake. There is an increasing interest in the secondary sources of these metals, particularly waste electrical and electronic equipment (WEEE) in order to compensate their potential supply deficit. This PhD thesis demonstrates the advantages and bottlenecks of biological and chemical approaches, as well as the advances and perspectives in the development of sustainable processes for metal recovery from WEEE. Furthermore, a novel process for the recovery of metals from WEEE is described, and a techno-economic assessment is given. Discarded printed circuit boards (PCB) from personal computers (PC), laptops, mobile phones and telecom servers were studied. Following an extensive literature review, a novel characterization and total metal assay method is introduced and applied to waste board materials. Discarded PCB contained metals in the range of (%, by weight): copper (Cu) 17.6 - 39.0, iron (Fe) 0.7 - 7.5, aluminum (Al) 1.0 - 5.5, nickel (Ni) 0.2 - 1.1, zinc (Zn) 0.3 - 1.2, as well as gold (Au) (in ppm) 21 - 320. In addition, multi-criteria analysis (MCA) using the analytical hierarchical process (AHP) methodology is applied for selection of the best-suited technology. A proof-of-concept for a two-step bioleaching extraction was given, in which 98.4% and 44.0% of the Cu and Au, respectively, were extracted. The two-step extraction concept was applied to the chemical leaching of metals from PCB. Cu leaching was carried in an acidic oxidative mixture of H2SO4 and H2O2, whereas Au leaching for carried out by S_2 O_3^(2-) in a NH_4^+ medium, catalyzed by CuSO4. Under the optimized parameters, 99.2% and 96.6% of Cu and Au, respectively, were extracted from the board material. Selective recovery of Cu from the bioleaching leachate using sulfidic precipitation and electrowinning was studied. Cu was selectively recovered on the cathode electrode at a 50 mA current density in 50 minutes, with a 97.8% efficiency and 65.0% purity. The techno-economic analysis and environmental sustainability assessment of the new technology at an early stage of development was investigated


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