La technodiversité émergente de la mine urbaine : Etude interdisciplinaire du recyclage des batteries au plomb en Inde.

The emerging technodiversity from urban mining : An interdisciplinary study of lead acid batteries recycling in India

• Auteur / Autrice : Paul Lhoste
• Direction : Laurent Cassayre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 30/05/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Martine Meireles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Cassayre, Martine Meireles, Fabrice Patisson, Emmanuel Grimaud, Magali Rossi, Yann-Philippe Tastevin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Patisson, Emmanuel Grimaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inde -- Etats

Recyclage

Travail du plomb

Mots clés libres

Technodiversité

Interdisciplinarité

Mine urbaine

Inde

Batteries

Technodiversity

Interdisciplinarity

Urban Mining

India

Batteries

Résumé

Depuis la révolution industrielle, les systèmes industriels suivent des structures linéaires de type exploitation de ressources – production d’objets – génération de déchets, conduisant à la raréfaction des ressources d’une part, et à l’accumulation de déchets de tous types de l’autre. Afin de revenir sous les limites planétaires tout en assurant les besoins fondamentaux de la population humaine, une piste de réflexion consiste à la fermeture du cycle, par la conversion des déchets en ressources, ce que l’on nomme l’économie circulaire. Cette circularité n’est en pratique pas toujours possible, cependant il existe une famille de matériaux pour laquelle elle peut s’envisager : les métaux, avec l’exemple de la mine urbaine. Le parti-pris de ce travail de thèse est de donner à voir cette circularité à l’œuvre au travers de l’exemple du plomb, métal le plus recyclé dans le monde. La toxicité de ce métal, la concentration de son usage dans un objet universel, la batterie automobile, et la simplicité de son recyclage participent à l’émergence d’une « technodiversité » de procédés à travers le monde. Notamment le recyclage artisanal « d’arrière-cour » dans les pays du Sud, peu documenté, et opéré sur 10 à 30 000 sites, responsable de millions d’intoxications annuelles. Le caractère multidimensionnel de ces procédés nécessite une démarche interdisciplinaire intégrant une équipe et une méthodologie plurielle. Le point d’entrée de ce travail est de mobiliser les méthodes de l’ethnographie par le biais d’enquêtes de terrain menées dans l’état indien de l’Uttar Pradesh. Au cœur des ateliers du cluster de Bhojpur, les observations des pratiques et des modus operandi de ces procédés de recyclage permettent d’en tirer les chaînes opératoires associées. Des entretiens avec les opérateurs se dégagent les 3 enjeux forts de cette filière : Approvisionnement des matières premières par des stratégies de collecte diverses ; Désulfurisation et contrôle de la qualité du plomb ; Cohabitation avec les riverains et problématique de la pollution induite. Seulement, l’étude ethnographique se trouve empêchée pour aller plus loin, à savoir décrire les réactions chimiques intervenant au cœur du réacteur et en quantifier les impacts environnementaux. L’enjeu principal pour le secteur artisanal est de produire du plomb de la plus grande qualité possible en minimisant les pertes en métal. Afin de comprendre les pratiques et les contraintes liées à ces procédés artisanaux, ainsi que d’établir les voies chimiques de conversion mises en œuvre, une approche thermodynamique via la base de données FS-Lead du logiciel FactSage© a été privilégiée. Ces modélisations sont complétées par des analyses chimiques (ICP, MEB, DRX) d’échantillons prélevés sur site, des mesures de températures et des évaluations quantitatives des quantités de réactifs utilisées et de plomb produit. La réduction des oxydes de plomb est réalisée au moyen de charbon, par ailleurs utilisé comme source d’énergie thermique permettant une température du four de 900 °C. La désulfurisation est opérée grâce à l’apport maitrisé d’O2 afin de former du SO2 gazeux dans des plages de température adéquates ou bien au moyen de l’ajout de fer sous forme de ferraille, matériau abondant, pour former du FeS. Les rendements et pureté de ces procédés artisanaux, atteignent des niveaux de l’ordre de 75 % et 90 %, ce qui n’est pas négligeable au vu des moyens mis en œuvre. L’impact environnemental est évalué par le prélèvement de marqueurs dans le voisinage du cluster tels que des sols, des végétaux et des eaux. L’analyse en laboratoire (XRF, ICP, MEB) révèle une contamination au plomb avec la présence de particules sur les feuilles de canne à sucre et un nombre significatif d’échantillons de sols et d’eaux supérieurs aux normes des agences environnementales européenne et américaine. La mise en place de cette démarche interdisciplinaire autorise également la comparaison avec d’autres sites plus ou moins technologiques.

Since the industrial revolution, industrial systems are organised in linear strucutres following a resources exploitation – goods production – waste generation scheme, leading to both resources depletion and waste accumulation. In order to return below the planetary limits while ensuring basic needs for all, a possible response could consist in the closure of the cycle, by converting waste into new resources, well known as circular economy. Practically, this closure is not always achievable, but for a kind of particular material it has never seemed so close : metals, through the example of urban mining. The assumed bias of this thesis work is to make visible the circularity in motion through the case of the world’s most recycled metal, lead. The toxicity of this metal, it’s almost exclusive use in an universal object, the automotive battery, and it’s recycling relative simplicity participate to the advent of a « technodiversity » of processes throughout the world. In particular, the backyard handmade recycling in the southern countries, almost undocumented, is estimated to be operated on 10 to 30 000 sites, accountable for millions of annual intoxications. The multidimensional nature of these processes demands an interdisciplinary approach, integrating a diversified team and a plural methodology. This work entry point is to mobilise ethnographic’s methods through field research conducted in the indian state of Uttar Pradesh. At the heart of Bhojpur’s cluster workshops, the observations of the recycling process pratices and modus operandi allow to access the associated « chaînes opératoires ». From interviews with workers, 3 main stakes of this sector are highlighted : Collection strategies to secure raw material’s supply; Lead desulphurisation and quality control ; Cohabitation with surrounding communities and the issue of induced pollution. Though, the ethnographic study is impeded to perform further descriptions, which are to identify the chemical reactions occuring in the hearth of the furnace and to quantify it’s environnemental impacts. The main goal for backyard recycling is to produce high lead content while minimizing metal losses. In order to fully understand the practices and the constraints of these handmade processes, as well as establishing the chemical conversion paths executed, a thermodynamic approach through the database FS-Lead from FactSage© software was undertaken. Those modelling were completed by chemical analysis (ICP, MEB, DRX) of field collected samples, temperature measurements and quantitative assessments of reagents and produced lead. Lead oxides reduction is achieved through coal, also used as thermal energy source increasing the furnace temperature up to 900 °C. The desulphurisation is achieved through controlled O2 inflow to form gaseous SO2 within appropriate temperature range or by means of iron addition in the form of scrap, abundant material, resulting in FeS. The metal yield and purity of these processes can reach levels as high as 75 % and 90 %, which is not negligible considering the means available. The environnemental impact is assessed through markers sampling in the cluster’s surrounding including soil, water and biomass. The laboratory analysis (XRF, ICP, MEB) reveals a lead contamination through the presence of particles on sugarcane leafs and a significant figure of soil and water samples above the standards from both european and american environment protection agency.