Extraction de métaux stratégiques par des solvants plus respectueux de l’environnement : les liquides ioniques et les solvants eutectiques profonds

PHENIX (PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX) est une unité mixte de recherche du CNRS et de Sorbonne Université (UMR8234).

L’activité recherche de PHENIX est centrée autour de la physico-chimie des électrolytes et des matériaux interfaciaux multi-échelles comme les systèmes colloïdaux et les matériaux poreux. Une de ses caractéristiques principales est le couplage fort entre expériences et modélisation. Parmi les différentes thématiques de recherche, on peut mentionner l’élaboration et la fonctionnalisation de nanoparticules minérales, l’utilisation de matériaux magnétiques multi-échelles pour des applications environnementales, le développement et l’étude des comportements de particules magnétiques dans le cadre d’applications biomédicales, l’étude des sels fondus pour l’amont et l’aval du cycle électro-nucléaire, le stockage de l’énergie dans les accumulateurs et les supercondensateurs où l’élaboration originale d’électrodes et la compréhension de leur fonctionnement sont essentiels, la modélisation et le suivi expérimental des propriétés de transport et de rétention de fluides confinés et d’espèces chargées dans des systèmes interfaciaux multi-échelles. Ces différents sujets peuvent se distribuer selon trois axes thématiques à fort impact sociétal : l’énergie, la santé et l’environnement.

Description du projet

Les métaux du groupe platinoïdes (le platine (Pt), le palladium (Pd), le rhodium (Rh), le ruthénium (Ru), l'osmium (Os) et l'iridium (Ir)) jouent un rôle crucial dans la transition énergétique, en particulier dans la fabrication de catalyseurs pour réduire les émissions polluantes des véhicules à combustion et dans la production d'énergie à partir de piles à combustible. En raison de leur importance dans ces applications industrielles, ces métaux sont extrêmement précieux et recherchés. Leur extraction peut être coûteuse et avoir un impact environnemental significatif. De plus leur production est contrôlée par un nombre restreint de pays. C'est pourquoi le recyclage de ces métaux est devenu de plus en plus important pour garantir un approvisionnement durable tout en réduisant la dépendance à l'égard de l'extraction minière.

Parmi les procédés de récupération de métaux, les méthodes séparatives par extraction liquide/liquide sont depuis longtemps considérées comme des méthodes de choix. Ces procédés emploient de grandes quantités d’acide, solvants organiques volatils (COV) toxiques et autres ligands [1]. Une alternative intéressante aux solvants organiques usuels pour les extractions des métaux sont les liquides ioniques (LIs) et les solvants eutectiques profonds hydrophobes (DES) du fait de leurs propriétés physicochimiques (faible pression de vapeur, bonne stabilité thermique et chimique…) [1,2]. Cependant les mécanismes d’extraction des ions métalliques dans ces milieux sont encore mal compris.

Notre objectif est de parvenir à une meilleure compréhension des processus d’extraction d’ions métalliques par ces milieux. Nous nous intéressons plus particulièrement à des systèmes d’extraction liquide-liquide homogène (LLH). Ces procédés LLH utilisent les propriétés thermomorphiques de LIs qui présentent un comportement de miscibilité dépendant de la température avec les solutions aqueuses [3,4]. Ces systèmes permettent de s’affranchir de l’interface limitant la vitesse d’extraction.

La compréhension des mécanismes d’extractions nécessite donc des techniques de caractérisations capables de suivre l’évolution du système c’est-à-dire d’analyser la composition de chacune des phases tout en permettant des variations en température plus particulièrement pour les systèmes LLH.

Au cours de ce stage, nous étudierons dans un premier temps les propriétés d’extraction de métaux stratégiques Pt, Pd et Rh par un liquide ionique thermomorphique en présence d’extractant : la bétaïne. Pour cela, on s’intéressera au coefficient de distribution en fonction la concentration du métal, de la concentration de l’extractant, du pH …mais aussi à la sélectivité lors de mélange d’ions métalliques.

Dans un deuxième temps, en collaboration avec l'IPHC (Strasbourg), nous nous intéresserons aux propriétés extractives des solvants eutectiques profonds (SE) pour ces métaux stratégiques. Les études récentes ont démontré l’efficacité de ce nouveau type de solvants « verts » pour l’extraction/séparation des ions métalliques, y inclut de Rh et Ir [5]. Nous allons évaluer les performances de systems d’extractions composés la bétaïne comme ligand et un SE à base de choline ou bétaïne en tant que diluant.

Techniques ou méthodes utilisées

• Synthèse de liquide ionique
• Extraction liquide/liquide
• Spectrométrie de fluorescence des rayons X en réflexion totale (TXRF)
• Spectroscopie RMN
• Dosages divers (acides, H2O, …).

Références / References

1. Dietz, M. L. Ionic Liquids as Extraction Solvents: Where do We Stand? Sep. Sci. Technol. 41, 2047–2063 (2006).
2. Billard I., Are molecular solvents, aqueous biphasic systems and deep eutectic solvents meaningful categories for liquid–liquid extraction? Comptes Rendus Chimie, 25, 67-81 (2022).
3. Vander Hoogerstraete T., Onghena B., Binnemans K., Homogeneous Liquid–Liquid Extraction of Rare Earths with the Betaine—Betainium Bis(trifluoromethylsulfonyl)imide Ionic Liquid System
Int. J. Mol. Sci. 14, 21353-21377 (2013).
4. Nockemann, P. et al. Temperature-Driven Mixing-Demixing Behavior of Binary Mixtures of the Ionic Liquid Choline Bis(trifluoromethylsulfonyl)imide and Water. J. Phys. Chem. B 113, 1429–1437 (2009).
5. V. Zakusilova, G. Zante, E. E. Tereshatov, C. M. Folden and M. Boltoeva, Extraction and separation of iridium(IV) and rhodium(III) from hydrochloric acid media by a quaternary ammonium-based hydrophobic eutectic solvent, Separation and Purification Technology 2021 Vol. 278, 118814.

Etudiant en M2 de Chimie Analytique, Physique et Théorique issu d’Université ou d’Ecoles d’Ingénieurs ayant idéalement une expérience en extraction liquide-liquide, liquides ioniques et synthèse organique.

Méthodique, autonome et aimant le travail expérimental.

Bon niveau d'anglais