Récupération de métaux critiques à partir des mâchefers de taille fine par hydrométallurgie à l'échelle pilote // Metal recovery from the fine-fraction of waste-to-energy bottom ash by hydrometallurgy at pilot-scale

Les sociétés modernes produisent de plus en plus de déchets, dont les déchets municipaux représentant actuellement 2 milliards de tonnes par an dans le monde. Une proportion croissante de ces déchets est traitée par incinération, ce qui permet de diminuer leur volume et masse et de produire de l'électricité. En revanche, les deux sous-produits issus de l'incinération, les cendres volantes et les mâchefers d'incinération des déchets non-dangereux (MIDND), ne trouvent pas systématiquement de voies de valorisation. Si les particules les plus grossières des MIDND sont largement valorisées, notamment dans les sous-couches routières, les fractions les plus fines, qui contiennent environ un tiers du contenu total en métaux lixiviables, ne peuvent pas être valorisées dans le contexte actuel, et sont donc, généralement enfouies. La concentration en certains éléments, tels que le cuivre, permet de considérer les MIDND comme des mines urbaines.
Des travaux poussés ont été menés ces dernières années sur le développement d'un procédé hydrométallurgique pour la récupération des métaux d'intérêt dans la fraction fine des MIDND à l'échelle laboratoire. Le procédé mis en place lors des travaux de thèse de Mme Perrin (2023), permet la récupération sélective du cuivre et du zinc, en passant par une étape de prélavage, lixiviation, précipitation du Zn, filtration, électrodéposition du Cu, calcination et électroraffinage du Cu, avec des rendements de récupération de 90% pour le Cu et 70% pour le Zn à l'échelle du laboratoire.
L'objectif principal du projet de thèse est de transposer le procédé hydrométallurgique de récupération du cuivre et du zinc à l'échelle pilote.
La première étape de l'up-scaling consiste dans la lixiviation des MIDND dans une colonne de percolation. Cette étape sera mise en place en deux temps : d'abord dans une colonne laboratoire de faible diamètre et ensuite dans une colonne pilote, pour simuler la lixiviation dans des conditions proches de la réalité. Les mécanismes de lixiviation liés à l'écoulement dans la colonne seront étudiés par une méthodologie de modélisation couplée, entre un logiciel de spéciation dans les milieux poreux (e.g. PhreeqC) et un logiciel permettant de modéliser l'écoulement (e.g. COMSOL).
Dans un second temps, le up-scaling sera modélisé à l'aide du logiciel USIMPAC du génie de procédés. Les données expérimentales serviront pour base, afin de valider le modèle développé. Les simulations numériques serviront ensuite à l'optimisation des procédés à l'échelle pilote, ainsi qu'au passage à l'échelle industrielle.
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Modern societies produce more and more waste, including municipal solid waste currently representing 2 billion tonnes per year worldwide. A significant proportion of this waste is treated by incineration, which reduces its volume and mass and produces electricity. On the other hand, the two by-products of incineration, fly ash and Incineration Bottom Ash (IBA), are not systematically valorised. While the coarse fraction of IBA is widely reused, particularly in road sub-bases, the fine fraction, which contains approximately one third of the total leachable metal content, cannot be recovered in the current regulatory context and is therefore generally landfilled.
Extensive studies have been carried out in the past years on the development of a hydrometallurgical process for the recovery of metals of interest from the fine fraction of IBA at laboratory scale. The process developed during Ms. Perrin's PhD thesis (2023), allows the selective recovery of copper and zinc, through a pre-washing step, leaching, precipitation of Zn, filtration, electrodeposition of Cu, calcination and electrorefining of Cu, with recovery yields of 90% for Cu and 70% for Zn at laboratory scale.
The main objective of this thesis project is to up-scale the hydrometallurgical process for the recovery of copper and zinc at pilot scale.
The first step of the up-scaling consists in the leaching of IBA in a percolation column. This step will be implemented in two stages: first in a small diameter laboratory column and next in a pilot column. The leaching mechanisms related to the flow in the column can be studied by a coupled modelling methodology, between a speciation software in porous media (e.g. PhreeqC) and a software for modelling the flow (e.g. COMSOL).
In a second stage, the up-scaling will be modelled using the USIMPAC software for process engineering. Experimental data will be used to validate the developed model. Numerical simulations will then be used to optimize the processes at pilot scale, as well as to up-scale at industrial scale.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

510 I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production

Master ou ingénieur en génie des procédés, avec une formation expérimentale solide. Des compétences dans le numérique seront appréciées.
Master or engineering degree in process engineering, with solid skills in experiments. Numerical skills will be appreciated.