Applicabilité de la filière Agromine aux éléments des terres rares : verrous à lever et éléments de succès d’un point de vue génie chimique

Expanding Agromining to the Rare-Earth Elements : Key elements of success from a chemical engineering perspective

• Auteur / Autrice : Bastien Jally
• Direction : Marie-Odile Nicolas-Simonnot, Ye-Tao Tang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 22/02/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Chagnes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Odile Nicolas-Simonnot, Ye-Tao Tang, Lucie Coudert, Laurent Cassayre, Isabelle Billard, Dominique Horbez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lucie Coudert, Laurent Cassayre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie chimique

Technique minière

Phytolacca americana

Bioaccumulation

Terres rares

Gleicheniacées

Mots clés libres

Dicranopteris linearis

Plante hyperaccumulatrice

Rare Earth Elements

Phytolacca americana

Agromine

Dicranopteris linearis

Phytolacca americana

Rare Earth Elements

Hyperaccumulator plant

Agromining

Résumé

Pour faire face au défi du changement climatique, de nouvelles technologies ont récemment émergé, permettant l’exploitation ou le stockage d’énergies renouvelables. Des éoliennes aux voitures électriques, des solutions prometteuses apparaissent pour adapter nos modes de vie. Ces technologies ajoutent cependant une pression sur d’autres ressources non renouvelables, parmi lesquelles les terres rares (TR). Ces 16 éléments, constitués des 14 lanthanides, de l’yttrium (Y) et du scandium (Sc), sont au cœur des technologies actuelles. Les technologies de la communication (écrans des smartphones, fibres optiques) et de l’armement (superalliages), aujourd’hui estimées essentielles, accroissent encore la demande pour ce groupe d’éléments, faisant partie de la liste des « matières premières critiques » proposée par l’Union Européenne.Leur extraction lors des dernières décennies a laissé derrière elle un paysage morcelé, notamment dans le Sud de la Chine. Aujourd’hui interdites, les pratiques de décapage puis excavation, suivies d’une lixiviation en tas, ont légué des centaines d’hectares de stériles miniers. Ces milieux dégradés, qui étaient autrefois des forêts tropicales, sont sujets à une érosion intense, et contiennent encore des TR à faible concentration. Dans un contexte où les services écosystémiques des milieux naturels sont plus que jamais indispensables, est apparue la volonté de refonctionnaliser ces sols délaissés. Des aides gouvernementales chinoises ont été déployées pour leur revégétalisation à grande échelle. Des programmes de recherche ont aussi été lancés pour mieux comprendre le fonctionnement de ces écosystèmes dégradés et envisager leur restauration. Dans ce cadre, une des clés de la réussite pourrait être le recours à des plantes adaptées localement, et présentant un intérêt économique, pour la production d’énergie, de fibres, ou la récupération des terres rares présentes dans les stériles. La filière « agromine » est une solution fondée sur la nature, qui combine la culture de plantes hyperaccumulatrices et de la récupération des métaux à partir de ces plantes. Cette filière pourrait être très intéressantes dans ce contexte, puisque les espèces D. linearis L. et P. americana, hyperaccumulateurs de TR sont présentes sur ces anciens sites miniers. Ces plantes concentrent les TR dans leurs partie aériennes, jusqu’à des valeurs supérieures aux minerais exploités.La récupération des TR, via des procédés hydrométallurgiques, permettrait alors de concrétiser la valeur économique de ces plantes, et contribuerait à l’approvisionnement en TR, nécessaire au déploiement des technologies modernes. L’objectif de cette thèse, qui fait suite à celle de Z . Chour (2018, Univ. Lorraine) est de développer et optimiser des procédés de récupération de TR à partir des cendres de D. linearis et de la plante P. americana, qui a des caractéristiques botaniques, et physico-chimiques différentes. Il s’agit aussi d’étudier l’impact environnemental et le coût des différents procédés identifiés. Elle a été menée en co-direction entre l’Université de Lorraine (Nancy, France) et l’Université Sun Yat-sen (Canton, Chine). Ce travail a permis de répondre à des questions scientifiques sur la séparation de TR à faible concentrations dans des matrices riches en silice et contenant aussi de l’aluminium. Il a abouti à la conception et l’optimisation d’un procédé original à partir de D. linearis, accompagné d’une comparaison de différents procédés, au plan des consommation de matière et d’énergie et de la production des déchets, et d’une évaluation économique. Il constitue ainsi une étape essentielle à la fois pour le développement scientifique de la filière agromine et pour sa mise en œuvre.

To meet the challenge of climate change, new technologies have recently emerged that allow the use or storage of renewable energy. From wind turbines to electric cars, promising solutions are emerging to adapt our lifestyles. However, these technologies are adding pressure on other non-renewable resources, including rare earth elements (REEs). These 16 elements, made up of the 14 lanthanides, yttrium (Y) and scandium (Sc), are at the heart of current technologies. Communication technologies (smartphone screens, optical fibers) and weapons technologies (superalloys), which are now considered essential, are further increasing the demand for this group of elements, which are on the list of "critical raw materials" proposed by the European Union.Their extraction over the last decades has left behind a fragmented landscape, especially in Southern China. Now banned, the practices of stripping and excavation, followed by heap leaching, have resulted in hundreds of hectares of tailings. These degraded environments, which were once tropical forests, are subject to intense erosion and still contain low concentrations of REEs. In a context where the ecosystem services of natural environments are more essential than ever, the desire to refunctionalize these derelict soils has emerged. Chinese governmental aid has been deployed for their large-scale revegetation. Research programs have also been launched to better understand the functioning of these degraded ecosystems and to consider their restoration.In this context, one of the keys to success could be the use of locally adapted plants that are of economic interest for the production of energy, fibers, or the recovery of rare earths present in the tailings. The "agromining" chain of processes is a nature-based solution, which combines the cultivation of hyperaccumulator plants and the recovery of metals from these plants. This chain could be very interesting in this context, since the species D. linearis L. and P. americana, hyperaccumulators of REEs, are present on these former mining sites. These plants concentrate the REEs in their aerial parts, up to values higher than the exploited ores. The recovery of the REEs, via hydrometallurgical processes, would then make it possible to concretize the economic value of these plants, and would contribute to the supply of REEs, necessary for the deployment of modern technologies.The objective of this thesis, which follows that of Z . Chour (2018, Univ. Lorraine) is to develop and optimize REE recovery processes from the ash of D. linearis and from the plant P. americana, which has different botanical, and physicochemical characteristics. The environmental impact and cost of the different processes identified were also studied. This research was conducted in co-supervision between the University of Lorraine (Nancy, France) and Sun Yat-sen University (Canton, China).This work allowed to answer scientific questions on the separation of REEs at low concentrations in silica-rich matrices also containing aluminium. It led to the design and optimization of an original process using D. linearis, accompanied by a comparison of different processes, in terms of material and energy consumption and waste production, and an economic evaluation. It is thus an essential step both for the scientific development of the agromining process and for its implementation.