Étude du couplage thermodynamique-cinétique de l'extraction hydrométallurgique du nickel et du cobalt dans un autoclave de lixiviation acide à haute pression (HPAL)

Study of the thermodynamic-kinetic coupling in the hydrometallurgical extraction of nickel and cobalt in a High-Pressure Acid Leaching (HPAL) autoclave

• Auteur / Autrice : Okechukwu Vincent Dickson
• Direction : Fabienne Espitalier, Christophe Coquelet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 30/04/2025
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....) - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE
• Jury : Président / Présidente : Patrice Paricaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Espitalier, Christophe Coquelet, Hervé Muhr, Murielle Bertrand, Thomas Deleau, Damien Goetz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Muhr, Murielle Bertrand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermodynamique

Hydrométallurgie

Lixiviation

Précipitation (chimie)

Cobalt

Nickel

Mots clés libres

Nickel et Cobalt

Précipitation

Lixiviation

Hydrométallurgie

Thermodynamique

Cinétique

Nickel and Cobalt

Precipitation

Leaching

Hydrometallurgy

Thermodynamics

Kinetics

Résumé

La volonté politique de réduire l'utilisation des combustibles fossiles et de remplacer les véhicules actuels par des véhicules électriques implique l'essor du marché des batteries. Afin de garantir une performance optimale de ces batteries, il est essentiel de contrôler la pureté des métaux produits dont les éléments Nickel (Ni) et Cobalt (Co) en font partie. En Nouvelle-Calédonie, les gisements latéritiques représentent 20 à 25 % des ressources mondiales de nickel. La société Prony Resources New Caledonia (Prony Resources NC) y exploite un procédé hydrométallurgique pour produire un co-précipité de nickel et de cobalt sous forme d'hydroxydes à partir d'une mine à ciel ouvert située sur le plateau de Goro. Afin d'être un acteur majeur sur le marché des batteries, Prony NC souhaite optimiser l'ensemble du procédé et plus particulièrement, dans le cadre de cette thèse, l'étape de lixiviation du minerai. Cette dernière intervient après des étapes de prétraitement et de mise en suspension du minerai. Elle consiste en la dissolution de différents éléments par attaque acide de la pulpe dans des conditions de pression et de température élevées dans un autoclave HPAL (High Pressure Acid Leaching). La qualité de cette opération dépend fortement de l'apport de minerai et d'acide, ce qui entraîne des ajouts d'acide variables au cours d'une même campagne de production. Au cours de cette étape, divers éléments (dont le nickel et le cobalt) passent en solution. Le nickel et le cobalt sont récupérés en aval de cette étape. Cependant, la formation de solides, due principalement à la précipitation de fer et de l'aluminium est observée sur les parois et les différentes parties internes (agitateurs…) de l'autoclave (croûte). Cette précipitation, bien qu'inévitable, doit être contrôlée afin de ne pas perturber la campagne de production. En effet, si trop de croûte est formée, la campagne de production est arrêtée afin de l'éliminer. Cet arrêt sur des durées souvent très longues, nécessitant souvent des moyens importants, a des conséquences néfastes sur la rentabilité de l'ensemble du procédé et des impacts sur la consommation d'énergie et donc sur l'environnement. Afin de comprendre l'impact de cette étape sur le fonctionnement de l'usine, cette thèse pluridisciplinaire étudie la sensibilité de la lixiviation au ratio massique minerai/liquide, et à la concentration en acide. Un dispositif expérimental batch permettant de travailler à température constante et de prélever des échantillons de suspension a été conçu et utilisé. À partir des essais expérimentaux, un modèle prenant en compte l'équilibre des espèces en solution, la lixiviation des éléments (Ni, Co, Fe et Al) et la précipitation de minéraux à base de Fe et de Al a été développé.

The political will to reduce the use of fossil fuels and to replace current vehicles with electric ones is driving the growth of the battery market. To ensure the optimal performance of these batteries, it is essential to control the purity of the metals produced, including nickel (Ni) and cobalt (Co). In New Caledonia, lateritic deposits account for 20 to 25% of the world's nickel resources. Prony Resources New Caledonia (Prony Resources NC) operates a hydrometallurgical process there to produce a nickel and cobalt co-precipitate in the form of hydroxides, using ore from an open-pit mine located on the Goro plateau.To become a major player in the battery market, Prony NC aims to optimize the entire process, particularly, within the scope of this thesis, the ore leaching step. This step follows pre-treatment and ore slurry preparation stages and involves the dissolution of various elements by acid attack of the pulp under high temperature and pressure conditions in a High Pressure Acid Leaching (HPAL) autoclave. The effectiveness of this operation is highly dependent on the feed of ore and acid, which leads to variations in acid addition during a single production campaign. During this stage, various elements (including nickel and cobalt) go into solution and are recovered downstream. However, the formation of solids, mainly due to the precipitation of iron and aluminum, is observed on the walls and internal components (agitators, etc.) of the autoclave as scale. Although this precipitation is unavoidable, it must be controlled to avoid disrupting the production campaign. If excessive scale forms, the production must be stopped to remove it. These shutdowns, often lengthy and resource-intensive, have a negative impact on the overall profitability of the process and increase energy consumption, which also affects the environment. To better understand the impact of this step on plant operations, this multidisciplinary thesis investigates the sensitivity of leaching to the ore-to-liquid mass ratio and acid concentration. A batch experimental setup was designed and used to operate at a constant temperature and allow suspension sampling. Based on these experiments, a model was developed that considers solution speciation, the leaching behaviour of elements (Ni, Co, Fe, and Al), and the precipitation of Fe- and Al-based minerals.