Étude des saumures naturelles et industrielles : Approche expérimentale et par modélisation de l'extraction du lithium par évaporation

par Anne Laure Thadée

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Pierre Cézac et de Jean-Paul Serin.


  • Résumé

    Le lithium est une matière première en demande croissante suite au fort développement des appareils nomades et des véhicules électriques. Ce manuscrit s’intéresse à la production de lithium à partir d’une ressource naturelle : les saumures lithinifères. Une étude bibliographique sur l’extraction du lithium présent dans les saumures a mis en avant que cette dernière requiert des quantités importantes d’énergie, d’eau et de réactifs. Cela met ainsi en évidence l’enjeu environnemental et la nécessité d’améliorer les procédés existants. A cette fin, la présente étude allie la modélisation à un travail expérimental. Le modèle sélectionné pour calculer les coefficients d’activité des éléments dissous dans les saumures est le modèle de Pitzer (1991). Un travail de paramétrisation a été effectué pour mettre au point une base de données thermodynamiques disposant des éléments nécessaires (propriétés des sels, paramètres d’interaction) à la description des systèmes électrolytiques d’intérêt. Après un travail de validation appuyé sur des données expérimentales issues de la bibliographie, cette base de données, associée au logiciel PhreeqC pour les calculs géochimiques, permet de simuler différentes transformations des saumures (dilution, évaporation, ajout de réactifs). L’outil mis en place a permis d’analyser des scenarios exploratoires de production de zabuyelite (Li2CO3) et d’effectuer une étude de sensibilité des paramètres opératoires. Des travaux expérimentaux sur des saumures modèles ont été effectués sur deux pilotes distincts : une enceinte climatique et une unité d’évaporation. Les techniques d’analyses utilisées pour suivre l’évolution de la composition de la saumure et la qualité des cristaux sont la chromatographie ionique, la DRX et l’EDX. Le modèle mis au point permet de décrire les systèmes salés complexes à l’équilibre à 25°C. Il parvient à décrire les essais dans le pilote d’évaporation du LaTEP à condition que l’on émette l’hypothèse que la zabuyelite ne précipite pas au cours du temps (sursaturation nécessaire). Il pourrait certainement être optimisé au niveau thermodynamique (spéciations, constantes de solubilité), mais également en y ajoutant une dimension cinétique et transferts liquide-vapeur.

  • Titre traduit

    Natural and industrial brines study : Experimental and modelling approach of lithium extraction


  • Résumé

    Lithium is a critical element regarding to the development of portable devices and electric vehicles. This manuscript is dedicated to lithium production from natural lithium bearing brines. A bibliographic review shows that lithium production consumes lots of water, energy and reactive. It underlines environmental issues and the necessity to improve existing processes. In order to achieve this, modeling and experimental work are associated for this study. The Pitzer model (Pitzer, 1991) is used to calculate the activity coefficients of dissolved aqueous species in brines. After parametrization (salt properties, interaction parameters) and validation with experimental data from literature, a database was optimized to allow the description of key electrolytic systems. Associated with phreeQC software, it is possible to simulate transformations of the brine (such as dilution, evaporation, reactions). It can be used as a predictive tool to explore zabuyelite (Li2CO3) production and study the sensibility of the operative parameters (temperature, pH, pCO2). Experimental work on model-brines was done on two separate pilots: a climatic chamber and a crystallization unit. The evolution of the brine composition and quality of crystals produced was monitored by ionic chromatography, XRD and EDX. The model designed in this study can describe the equilibrium of complex brines at 25°C. It can also describe the experiment in the crystallization unit if a hypothesis of supersaturation (Li2CO3) is used. It could be improved thermodynamically with more speciation and solubility constants, and also with kinetics and liquid-vapor transfers.


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