Récupération sélective de métaux à partir des mâchefers d'incinérateurs d'ordures ménagères

par Mathilde Perrin

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Jonathan Deseure.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production , en partenariat avec Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-Chimie des Matériaux et des Interfaces. (laboratoire) depuis le 01-12-2020 .


  • Résumé

    La valorisation énergétique par incinération avec récupération de l'énergie est l'une des principales technologies de traitement des ordures ménagères résiduelles (OMR) en Europe. Ces installations traitent en Europe près de 80 millions de tonnes de OMR par an et produisent annuellement environ 20 millions de tonnes de mâchefers d'incinération de déchets non dangereux (MIDND). La récupération des métaux ferreux et non ferreux à partir de particules de mâchefers supérieures à 2-4 mm est une pratique courante dans de nombreux pays européens. Toutefois, 30 à 40 % des MIDND sont constitués de particules de moins de 2 mm souvent appelées la fraction fine, dont la production européenne annuelle est de 6 à 8 millions de tonnes. La fraction fine de MIDND contient une quantité non-négligeable de métaux non ferreux (1 à 2 % d'aluminium, jusqu'à 1 % de cuivre et une petite quantité d'autres métaux lourds non ferreux tels que les métaux précieux, les terres rares etc.). La récupération des métaux à partir de la fraction fine des MIDND est jusqu'à présent très peu développée voir inexistante et cela représente un gaspillage d'environ 70 000-140 000 t d'aluminium et jusqu'à 70 000 t de Cu par an. De plus, la fraction fine des MIDND ne peut pas être utilisée dans le secteur de la construction, sauf pour la construction de routes en mélange avec des fractions grossières, car elle ne répond pas aux exigences réglementaires principalement en raison de la teneur élevée en métaux et leur potentielle lixiviation. Ainsi, le projet ReFina est axé sur le développement de méthodes innovantes et efficaces pour la récupération des métaux, notamment des métaux lourds non ferreux, et des minéraux à partir de la fraction fine des MIDND. Diverses méthodes de séparation physique ainsi que de procédés hydro-métallurgiques seront utilisées pour la récupération des métaux et des métalloïdes, ce qui constitue une approche innovante pour le traitement des particules de MIDND inférieures à 2 mm. Le résidu minéral appauvri en métal sera utilisé dans l'industrie de la construction, notamment dans des formulations de béton cellulaire autoclavé. Ainsi, le projet ReFina contribuera à l'augmentation du taux de recyclage et de l'utilisation des matières premières secondaires, notamment en ce qui concerne les métaux et les minéraux récupérés. Objectif de la thèse L'objectif de ce projet de doctorat est de développer et d'optimiser un processus hydrométallurgique complet basé sur la lixiviation, la séparation, la concentration et la récupération successives d'éléments cibles à partir de la fraction MIDND inférieure à 2 mm. Il est envisagé de se concentrer sur la récupération des platinoïdes, du cuivre, du zinc, du nickel et des terres rares. Cependant, la liste exacte des éléments pourrait être mise à jour au cours du projet sur la base des résultats obtenue par les partenaires du projet. Dans le cadre de ce travail, les étapes de lixiviation tant chimique qu'électrochimique seront testées et comparées, suivies, si nécessaire d'une étape de séparation et de concentration (extraction par solvant, échange d'ions, etc.) avant la récupération finale par électrodéposition, cémentation ou précipitation. Si nécessaire, un lavage par solution neutre (eau) du solide restant sera réalisé. Sur la base des résultats obtenus, le consortium du projet choisira la meilleure procédure en termes d'efficacité, de consommation de réactifs et de leur toxicité, et de coûts. Le choix final et les évaluations seront basés à la fois sur l'efficacité et la sélectivité et sur la toxicité et les critères et préoccupations économiques et environnementaux. Tout au long de sa thèse, le candidat devra régulièrement faire une veille bibliographique d l'état de l'art sur le sujet de la thèse.

  • Titre traduit

    Selective recovery of metals from incinerator bottom ash


  • Résumé

    Waste-to-energy (WtE) is one of the leading technologies for mixed municipal solid waste (MSW) treatment in Europe. WtE plants treat in Europe nearly 80 million tonnes of MSW per year and produce approximately 20 million tonnes of incineration bottom ash (IBA). The recovery of ferrous and non-ferrous metals from larger particles over 2-4 mm is common practice in many European countries. However, 30-40 % of IBA are particles below 2 mm often called the fine fraction, their annual European production is 6-8 mil. tonnes. The IBA fine fraction contains a significant amount of non-ferrous metals (1-2 % of Al, up to 1 % of Cu, and a small amount of other heavy non-ferrous metals consisting of precious metals, rare earth elements, etc.). Metals recovery from the IBA fine fraction is up to now very rare and it represents a wasted potential of about 70,000-140,000 t Al and up to 70,000 t Cu per year. Moreover, the IBA fine fraction cannot be used in the construction industry, except for road construction together with coarse fractions, because environmental quality does not meet the legal requirements mostly due to the elevated metal content and their leachability. The ReFina project, funded by ERAMIN network and implying French, Belgian and Czech research institutions and industrials, is focused on the development of innovative methods for efficient treatment of the IBA fine fraction with respect to metals, particularly heavy non-ferrous metals, and minerals recovery. Various physical separation methods will be used as well as hydro-metallurgical processes for the exploitation of metals and metalloids, which is an innovative approach for complex treatment of IBA particles below 2 mm. The metal depleted mineral residue will be then used in the construction industry, particularly in autoclave aerated concrete. Hence, the ReFina project will contribute to the increasing rate of recycling and secondary raw materials utilization, mainly with respect to metal and mineral recovery. The project is divided into 5 work packages (WP) and the PhD student will namely work on WP3 focused on the hydrometallurgical treatment of ultrafine IBA particles, but he/she could also be implied in WP5 where the life cycle assessment study of the developed process will be developed. PhD objective: The objective of this PhD project is to develop and optimize a complete hydrometallurgical process based on successive leaching, separation, concentration, and recovery of target elements from ultrafine IBA fraction. It is envisaged to focus on the recovery of PGMs, Cu, Zn, Ni, and REEs, however, the exact list of elements could be updated during the project based on the results of the previous WPs. In the scope of this work both chemical and electro-assisted leaching steps will be tested and compared, followed, if necessary by a separation and concentration step (solvent extraction, ion exchange, etc.) before the final recovery using either electrodeposition, cementation or precipitation. The remaining IBA will be supplied (in sufficient quantity) to the investigators involved in following WPs. If necessary neutral scrubbing (water) of the remaining solid will be realized. Based on the obtained results the project consortium will choose in the following WP 5 the best procedure in terms of efficiency, reagents consumption and their toxicity, and costs. The final choice and evaluations will be based on both the efficiency and selectivity and on the toxicity and economic and environmental criteria and concerns.