L'hydrométallurgie est l'une des trois principales branches de la métallurgie extractive, à côté de la pyrométallurgie (à base de chaleur) et de l'électrométallurgie. Elle utilise la chimie aqueuse pour récupérer les métaux à partir de minerais, de concentrés et de matériaux recyclés. Bien que la pyrométallurgie ait dominé pendant des siècles, l'hydrométallurgie a pris de l'importance depuis le milieu du XXe siècle, surtout pour traiter les minerais de faible qualité, complexes ou réfractaires qui ne sont pas rentables ou qui sont techniquement difficiles à émerger. Le passage global vers des méthodes de transformation plus vertes a également accéléré son adoption, car les voies hydrométallurgiques produisent généralement moins d'émissions gazeuses, comme le dioxyde de soufre.

Comprendre l'hydrométallurgie : principes et avantages fondamentaux

L'hydrométallurgie repose sur la dissolution sélective des métaux cibles dans un solvant aqueux, souvent acide, base ou solution salée. La force chimique fondamentale est la stabilité relative des ions métalliques en solution, régie par le potentiel de réduction de l'oxydation (Eh) et le pH. Les étapes clés sont :

  1. Lixiviation:[ Contact du minerai avec un lixiviant (agent de lixiviation) pour dissoudre le métal d'intérêt. Le résidu solide est jeté, et la solution de lixiviation gravide (PLS) porte le métal dissous.
  2. Solution Purification: Enlever les impuretés telles que le fer, l'aluminium, la silice ou d'autres ions métalliques qui peuvent être dissoutes en commun, par des techniques comme l'extraction de solvants, l'échange d'ions ou les précipitations sélectives.
  3. Relèvement du métal:[ Extraire le métal pur ou un intermédiaire de haute qualité de la solution purifiée, généralement par électro-collecte, cimentation, précipitation ou réduction avec des gaz.

Les avantages de l'hydrométallurgie sont bien documentés. Il peut traiter des minerais avec des teneurs aussi faibles que 0,1 % de cuivre ou 0,5 g/t d'or, ce qui serait peu rentable dans une fonderie. Les températures de fonctionnement faibles (généralement inférieures à 250 °C) réduisent la consommation d'énergie et évitent la formation de gaz toxiques comme le SO2. Les centrales hydrométallurgiques sont également plus modulaires et plus faciles à autoriser dans les zones peuplées.

Le processus de lexage en détail

La lixiviation est l'étape qui détermine la vitesse dans la plupart des flux hydrométallurgiques. La réaction chimique entre le minéral solide et le lixiviant se produit à l'interface solide-liquide; la cinétique est influencée par la température, la concentration de réactif, la taille des particules, l'agitation et la présence d'oxydants ou de réducteurs.

Chimie du leaching

Pour un sulfure métallique comme la chalcopyrite (CuFeS2), la dissolution nécessite un oxydant pour briser la liaison avec le sulfure. Dans le labourage du tas de cuivre, l'acide sulfurique est combiné avec le fer ferrique (Fe3+) comme oxydant. La réaction peut être écrite comme suit:

CuFeS2 + 4Fe3+ → Cu2+ + 5Fe2+ + 2S0

Pour l'or, le lessivage du cyanure repose sur la formation d'un complexe stable or-cyanure : 4Au + 8NaCN + O2 + 2H2O → 4Na[Au(CN)2] + 4NaOH. La présence d'oxygène (à partir de l'air) est essentielle et le processus fonctionne à pH 10-11 pour empêcher l'évolution des gaz HCN toxiques.

Types de leaching

La sélection d'une méthode de lessivage dépend de la teneur en minerais, de la minéralogie, de la perméabilité et de l'échelle économique.

Leaching de heap

Le minerai de cuivre broyé est empilé dans des liftings (généralement de 2 à 10 m de haut) sur une doublure imperméable (habituellement HDPE), formant un tapis de lixiviat pouvant s'étendre sur des centaines d'hectares. Le lixiviant est distribué par des gouttelettes ou des arroseurs et percole à travers le minerai, dissolvant les métaux cibles sur des semaines à mois. Le SLB recueille à la base et est pompé à l'usine de récupération. Après le lixiviation est terminé (contenu en cuivre résiduel ~0,05–0,1%), le minerai dépensé est enlevé, et un nouveau lifting est placé au-dessus du précédent pour minimiser l'empreinte. Le leixiviation du hépache est faible mais lente; les plus grandes opérations de leixage du cuivre, telles que celles de la mine de Morenci de Freeport-McMoRan, en Arizona, traitent plus de 600 000 tonnes de minerai par jour. USGS cuivrage statistiques] montrent que la production de lixiviation du hea a été cultivé de façon

Leaching in situ (ISL)

L'ISL consiste également à injecter le lixiviant directement dans le corps du minerai par des forages sans enlever le minerai. Il est utilisé pour l'uranium (par exemple au Kazakhstan, qui produit plus de 40% de l'uranium mondial via l'ISL) et pour le cuivre dans certains gisements fracturés. Le lixiviant se déverse dans le minerai, dissout le métal et est pompé à la surface par des puits de production. L'ISL évite les coûts d'extraction et de broyage, ne laisse aucun résidu de surface et peut accéder à des gisements profonds ou de faible qualité.

Citernes (agitées)

Pour les minerais ou concentrés de qualité supérieure, le lessivage des réservoirs permet une cinétique plus rapide. Le minerai fin (P80 75–150 μm) est mélangé avec le lixiviant dans une série de récipients agités (généralement 4–8 réservoirs en série). Les temps de séjour varient de 6 à 48 heures. Le lessivage des réservoirs est courant pour l'or (carbone-en-leach/cyanidation) et pour les latérites de nickel (lexage acide à 250°C).

Agents de lessivage communs et leurs applications

Le choix du lixiviant est dicté par la stabilité chimique du minéral, la chimie de la solution du métal et les contraintes environnementales/économiques. Le tableau suivant énumère les lixiviants les plus importants:

Lixiviation acide

L'acide sulfurique (H2SO4) est de loin le lixiviant le plus courant en raison de son faible coût, de sa disponibilité et de sa capacité à dissoudre de nombreux minéraux oxydes et sulfures secondaires. Il est utilisé pour les oxydes de cuivre (chrysocolla, malachite, azurite), les minerais d'uranium et pour les latérites de nickel (lexage acide à haute pression).

Leryxage des cyanures

Les solutions de cyanure d'alcaline demeurent la méthode dominante pour l'extraction de l'or et de l'argent malgré les préoccupations de toxicité. Les concentrations de cyanure de sodium (NaCN) sont généralement de 0,01 à 0,05 %. Le procédé est sûr lorsque le pH est maintenu au-dessus de 10 pour supprimer le gaz HCN. Le cyanure est très efficace, obtenant des récupérations > 90 % pour l'or libre-blanchiment. Les procédés de la pulpe de carbone (CIP) et du charbon-en-leach (CIL) combinent le lessivage et l'adsorption sur le carbone actif.

Autres Luxiviants

En raison des risques environnementaux du cyanure et des limites du lessivage acide, plusieurs lixiviants alternatifs ont été mis au point.

  • Thiosulfate: Utilisé comme une alternative non toxique pour le lessivage de l'or. Il nécessite l'ion cuprique comme catalyseur et forme un complexe stable de l'or-thiosulfate. L'adoption commerciale est en croissance, surtout pour les minerais de prégrobe carbonacé.
  • Thiourée: Leaches or dans des conditions acides, mais est plus cher et moins sélectif que le cyanure. Il a des applications niche pour les minerais réfractaires.
  • Chlorure/Hypochlorite: Utilisé pour l'extraction de l'or à partir de concentrés (processus -Intec) et pour le lessivage du plomb, du bismuth et d'autres métaux sous forme de chlorocomplexes.
  • Liquides ioniques et solvants eutectiques profonds: Solvants verts émergents avec sélectivité thonière. Ils ne sont pas encore commerciaux pour les métaux en vrac mais sont prometteurs pour les terres rares et les métaux de batterie.

Biodégradation

Le bioleachage utilise des microorganismes tels que Acidithiobacillus ferrooxidans pour catalyser l'oxydation des minéraux sulfureux, libérer des métaux en solution. Il est appliqué sur des minerais de cuivre de faible qualité (p. ex., à la mine d'Escondida au Chili) et pour le prétraitement de l'or réfractaire. Les bactéries oxydent le fer ferreux en fer et produisent de l'acide sulfurique, qui accélèrent les lessivages. Le bioleachage fonctionne à basse température (30-50°C) et la pression atmosphérique, ce qui en fait un coût faible.

Solution Purification et récupération des métaux

Après le lessivage, le PLS contient le métal cible avec diverses impuretés. La solution doit être concentrée et purifiée avant l'étape finale de récupération du métal. Le choix de la technologie dépend de la concentration du métal, de la sélectivité et de l'échelle économique.

Extraction de solvants (SX)

SX est le cheval de travail de la purification du cuivre et de l'uranium. Le SL est contacté avec un solvant organique contenant un extracteur spécifique au métal (par exemple, hydroxyoximes pour le cuivre). Le métal se transfère à la phase organique, tandis que les impuretés demeurent dans le raffinate aqueux. Le SX est ensuite dépouillé avec un acide concentré pour produire une solution aqueuse de haute pureté adaptée à l'électro-collecte. SX permet un changement de concentration de 1 à 5 g/L Cu dans le SL à 40 à 60 g/L dans la solution à bandes.

Échange d'ions (IX)

IX utilise des billes de résine solide qui adsorbent sélectivement les ions métalliques de la solution. Il est particulièrement utile pour les solutions diluées (p. ex., liqueurs d'uranium ISL, or des solutions de cyanure et terres rares). Après la charge, la résine est éluée avec un petit volume de réactif fort, produisant une solution concentrée. IX peut obtenir une récupération très élevée (>99 %) et gérer des débits variables.

Précipitations et Cementation

La précipitation est la méthode la plus simple : ajouter un réactif qui forme un composé insoluble avec le métal. Le cuivre peut être précipité sous forme de Cu2S avec sulfure d'hydrogène, ou Cu(OH)2 avec chaux. La poussière de zinc est utilisée pour la cémentation de l'or (le procédé Merrill-Crowe): 2[Au(CN)2]− + Zn → [Zn(CN)4]2− + 2Au. La cémentation est bon marché mais produit un produit à faible pureté qui nécessite un raffinage plus poussé.

Électro-winning (EW)

EW est le dépôt électrolytique du métal de la solution sur une cathode. C'est l'étape finale pour les usines de cuivre SX-EW (production de cathodes de pureté de 99,99 %), pour l'électro-collecte de zinc, et pour les solutions de cyanure d'or combinées à l'élimination d'oxygène dissous. Les cellules modernes EW utilisent des ébauches en acier inoxydable avec élimination périodique du dépôt métallique. La consommation d'énergie est élevée (1,5 à 3,5 kWh/kg pour le cuivre), mais la pureté est excellente. Combinée à l'extraction de solvant, EW est un processus entièrement continu, faible émission.

Avantages et considérations environnementales

L'hydrométallurgie offre des avantages environnementaux évidents sur la pyrométallurgie : pas d'émissions de SO2, pas d'empreinte carbone moindre et la capacité de traiter les minerais sur le site minier sans expédier de concentrés aux fonderies. Cependant, elle n'est pas sans problèmes environnementaux. Les grands volumes d'eaux usées (PLS, raffinate, solutions de lavage) nécessitent une gestion soigneuse. Le drainage minier acide peut se produire si les tas de minerais usés ne sont pas neutralisés correctement.

La capacité de combiner récupération des métaux et recyclage des ressources — l'hydrométallurgie est essentielle pour le recyclage des déchets électroniques, le recyclage des batteries au lithium-ion (par exemple, en utilisant le lessivage pour récupérer Li, Co, Ni, Mn) et l'exploitation minière urbaine.

Défis et orientations futures

Malgré sa maturité, l'hydrométallurgie est confrontée à des défis permanents. La cinétique de lixiviation de certains minerais (par exemple, la chalcopyrite) reste lente, nécessitant des températures ou une pression élevées, ce qui augmente les coûts. La présence de minéraux gangus peut consommer des réactifs et entraver le transfert de masse.

Les développements futurs seront probablement axés sur:

  • Relèvement in situ (ISR) pour le cuivre, l'or et les terres rares, réduisant l'empreinte de surface et éliminant les résidus.
  • Nodules polymétalliques de haute mer: Traitement hydrométallurgique des nodules de manganèse contenant du Ni, du Co, du Cu et du Mn par le lixiviation sélective avec de l'ammoniac ou de l'acide sulfurique.
  • Leixage électrochimique:[ Utiliser l'électrolyse pour générer des lixiviants in situ, réduisant la consommation de réactif.
  • Intensification du processus:[ Réacteurs à forte cisaillement, lessivage assisté par échographie et chauffage par micro-ondes pour accélérer la cinétique.
  • Chimie verte:[ Lixiviants non toxiques tels que les acides aminés (glycine), les polysaccharides ou les solvants bio-basés.

L'intégration de l'hydrométallurgie à la pyrométallurgie (procédés hybrides) suscite également un intérêt, par exemple la torréfaction ou l'oxydation sous pression pour décomposer les matrices réfractaires avant le lessivage. Alors que l'industrie passe aux minerais de qualité inférieure et aux matériaux recyclés, l'importance de l'hydrométallurgie ne fera qu'augmenter.