MINFLOT - Improving MINeral recovery efficiency of FLOTation using reactive transport modeling from atomic to reactor scale
Michael Badawi, L2CM Nancy (financement : 140 000 euros) ; Yann Foucaud, Georessources Nancy (financement : 140 000 euros)
Philippe Leroy, BRGM Orléans ; Cyprien Soulaine, ISTO Orléans ; Sophie Roman, ISTO Orléans ; Arnault Lassin, BRGM Orléans ; Kathy Bru, BRGM Orléans ; Christophe Tournassat, ISTO Orléans ; Emmanuel Le Trong, ISTO Orléans.
En France, en Europe et dans le monde entier, mener la transition énergétique vers des énergies décarbonées et renouvelables induit un besoin croissant en métaux critiques (par exemple, le lithium, le tungstène, le cobalt, le nickel), extraits à partir de minerais et de résidus miniers. Les procédés communément utilisés en traitement des minerais manquent d’efficacité pour récupérer durablement les minéraux et les métaux précieux du sous-sol dans le respect de l’environnement. Il est donc capital d’améliorer l’efficacité de ces techniques afin d’extraire durablement des métaux critiques à partir de sources primaires et secondaires, dans le contexte de la transition écologique.
La flottation est un procédé très efficace et très utilisé dans le monde pour séparer les minéraux d’intérêt de leur gangue (minéraux non-valorisables). Cette méthode se fonde sur l’utilisation de réactifs visant à modifier la tension de surface des surfaces des minéraux puis sur l’injection de bulles d’air qui récupèrent les particules rendues hydrophobes. Cependant, la flottation n’est toujours pas optimale, conduisant à un procédé plus long et coûteux, en raison de la difficulté à comprendre et à simuler (i) les phénomènes physico-chimiques d’adsorption, aux interfaces solide/liquide et liquide/gaz, et (ii) leur lien avec le transport des particules et la récupération des minéraux de valeur dans les écoulements turbulents. En effet, cette méthode implique des matériaux hétérogènes, une chimie de l’eau complexe, des particules, des bulles et des réactifs en interaction dans des écoulements complexes, en particulier pour les matériaux fins qui suscitent un intérêt croissant. Actuellement, seules des simulations atomiques et des simulations de dynamique des fluides à l’échelle du réacteur, considérablement plus grande, sont prises en compte, sans aucune compréhension mécaniste des phénomènes en jeu. L’efficacité de la flottation peut être améliorée de manière significative en améliorant sa simulation puis la récupération des minéraux (et donc des métaux) en tenant compte des phénomènes multi-physiques et multi-échelles, de l’échelle atomique à l’échelle du réacteur, en comprenant et en simulant de manière mécaniste les forces d’interaction entre les particules et leur environnement au cours de leur transport. Dans ce projet, nous proposons une approche multidisciplinaire et multi-échelle nouvelle et innovante combinant étroitement des expériences de pointe et la modélisation numérique depuis l’échelle atomique où se produisent les phénomènes physico-chimiques clés aux interfaces jusqu’à l’échelle du réacteur, en passant par l’échelle de la particule et du micro/milliréacteur. Des simulations de dynamique moléculaire couplées à l’intelligence artificielle serviront de données en entrée pour calculer les forces d’interaction colloïdale intervenant dans la simulation de la dynamique des fluides avec la méthode des éléments discrets pour simuler l’écoulement et la réactivité des particules dans les micro/milliréacteurs. Ces simulations seront validées à l’aide d’expériences en micro/millifluidique et en micro/milliréacteur. Des mesures et modèles électrocinétiques, de mouillabilité et géochimiques faisant le lien entre les deux types de simulations seront également entrepris. Ensuite, la modélisation de l’écoulement et du transport réactif à la plus grande échelle du réacteur sera entreprise en tenant compte des résultats des simulations à plus petite échelle et des mesures de récupération des minéraux provenant d’expériences de flottation novatrices.
Les avancées attendues amélioreront considérablement la fiabilité des simulations de la flottation ainsi que l’efficacité et le coût du procédé. Cela permettra de traiter de plus grandes quantités de minerais et de déchets miniers afin d’en récupérer les métaux essentiels à la transition écologique comme le tungstène.
Le L2CM s’occupera de la modélisation moléculaire des interfaces minéral-eau pour fournir des angles de contact et des mouillabilités aux partenaires d’Orléans pour leurs simulations de mécanique des fluides. Géoressources s’occupera des validations expérimentales.
