Extraire et traiter les métaux selon une économie circulaire

Le Canada se classe bon premier en ce qui concerne la production de déchets, qui totalisent 1,33 milliard de tonnes par année, soit 36 tonnes par habitant. Au-delà des impacts environnementaux, ces rejets sont un immense gaspillage de ressources. Les déchets de l’industrie minière et métallurgique, par exemple, contiennent des métaux, certains rares et critiques comme le lithium, le cobalt, l’indium, le vanadium et le nickel, dont la demande ne cesse d’augmenter. Il reste beaucoup de travail à faire pour récupérer et recycler les métaux présents dans ces résidus ainsi que dans certains objets en fin de vie (électroniques). Des chercheurs de l’ÉTS ont décidé de relever le défi.

Pallier le manque de connaissances fondamentales

Les déchets de l’industrie minière et métallurgique se présentent sous forme de compositions et de phases extrêmement variées, plus que les matières vierges, ce qui complexifie les procédés de valorisation. Avant de penser à traiter des déchets, il faut en connaître les particularités, à commencer par leur composition et leur minéralogie. Mais cela ne suffit pas. Une caractérisation complète doit être effectuée afin de déterminer les propriétés physiques, dont la distribution de la taille des particules, la densité… Leur comportement thermodynamique et cinétique doit aussi être connu pour choisir les meilleurs procédés de traitement possible et en définir les paramètres de fonctionnement.

Dans le cadre de nos travaux de recherche, nous comptons donc assembler une base de données intelligente réunissant toutes les propriétés physico-chimiques des déchets provenant de l’industrie minière et métallurgique du Québec dans un premier temps. Cette base sera ensuite élargie à tout le Canada. Ce travail colossal nous permettra ensuite de sélectionner certains déchets contenant des métaux précieux, rares ou critiques selon des critères technico-économiques. La modélisation et les simulations seront très utiles pour orienter les expériences au laboratoire et à l’échelle réelle et ainsi épargner temps et argent.

Choisir judicieusement des procédés

Il est essentiel d’évaluer l’empreinte globale des procédés sur l’environnement lorsque l’on veut recycler des déchets. En effet, tous les procédés de recyclage ne sont pas nécessairement verts. Certains procédés consomment beaucoup d’énergie ; d’autres produisent beaucoup de déchets liquides, des produits chimiques, des acides; d’autres émettent beaucoup de CO₂.

Pour traiter les déchets, il faut normalement commencer par des procédés de séparation. Parfois, certains déchets ont été accumulés pendant des années et mélangés à d’autres types de déchets. Cette pratique, moins courante aujourd’hui, rend la séparation préliminaire plus difficile. Des procédés thermochimiques et thermophysiques à haute température peuvent ensuite être effectués. Ces procédés utilisent traditionnellement le charbon comme agent de réduction. Toutefois, nous explorerons la possibilité de remplacer ce réducteur et cette source d’énergie par l’hydrogène afin de réduire les émissions de CO₂.

Des projets multidisciplinaires d’une grande complexité

Parmi les déchets qui ont retenu notre attention se trouvent les sous-produits de l’industrie du zinc, issus de l’hydrométallurgie, en raison de leur impact important sur l’environnement et de leur possible forte concentration en métaux précieux et rares. Plusieurs produits en fin de vie, comme les produits électroniques et les semi-conducteurs, contiennent des métaux similaires : ces deux types de déchets pourraient donc être mélangés. Les déchets sulfurés de l’industrie minière (sulfites de fer) sont aussi très intéressants puisqu’ils offrent un grand potentiel de traitement.

La circularisation des résidus de l’industrie minière et métallurgique passe par un arrimage entre les propriétés physico-chimiques des déchets et les connaissances fondamentales (la thermodynamique et la cinétique) des procédés.