Modélisation de procédés de production de nickel à partir de plantes hyperaccumulatrices // Modeling of nickel production processes from hyperaccumulating plants

Depuis une dizaine d'année, le Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP) a développé une expertise, reconnue internationalement, de développement de procédés métallurgiques pour produire des métaux à partir de plantes, dite hyperaccumulatrices. Cette filière innovante, appelé agromine ou metal-farming, est en cours de déploiement à l'échelle industrielle (de l'ordre de la tonne de nickel produite), avec le soutien de grandes entreprises.

L'agromine offre une alternative plus vertueuse aux méthodes extractives traditionnelles. Cependant, l'efficacité des procédés hydrométallurgiques utilisés reste perfectible. En particulier, la quantité d'effluents solides et liquides est un frein majeur. Intégrer des étapes telles que la nanofiltration et l'échange d'ions pourrait permettre d'améliorer les rendements, réduire les impacts environnementaux et valoriser davantage les co-produits. Dans cette optique, l'approche intégrée de la modélisation des procédés hydrométallurgiques est indispensable pour optimiser la transformation de la biomasse.

Les axes scientifiques développés sont les suivants :
1. Modélisation des spécificités de ces procédés : les solutions lixiviées issues de l'agromine présentent des caractéristiques singulières (pH faible, force ionique élevée, complexes, autres éléments). Le logiciel PhreeqC pourra être utilisé pour modéliser la thermodynamique et la spéciation chimique des solutions électrolytiques.
2. Développement de modèles d'opérations unitaires : en plus d'utiliser des modèles précédemment développés d'opératoires unitaires (nanofiltration, échange d'ions), il pourra être pertinent d'en créer de nouvelles en se basant sur des approches d'équilibre thermodynamiques et/ou cinétiques. La validation pourra s'appuyer sur des équipements expérimentaux (pilote de nanofiltration, colonne d'échange d'ion notamment).
3. Évaluation et optimisation des architectures de procédés : utilisation d'Aspen Plus pour modéliser différentes configurations de procédés et analyser les gains en rendement matière et consommation d'énergétique.
4. Aspects environnementaux et économiques : évaluation des performances environnementales avec une méthodologie s'inspirant de l'Analyse du Cycle de Vie (ACV ex ante) et identification des leviers technico-économiques pour réduire les coûts et les impacts environnementaux.
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Over the last ten years, the Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP) has developed internationally recognized expertise in the development of metallurgical processes to produce metals from hyperaccumulative plants. This innovative process, known as agromine or metal-farming, is currently being rolled out on an industrial scale (in the order of a tonne of nickel produced), with the support of major companies.

Agromining (phytomining) offers a more virtuous alternative to traditional extractive methods. However, there is still room for improvement in the efficiency of the hydrometallurgical processes used. In particular, the quantity of solid and liquid effluents is a major obstacle. Integrating steps such as nanofiltration and ion exchange could improve yields, reduce environmental impact and enhance the value of co-products. With this in mind, an integrated approach to hydrometallurgical process modeling is essential to optimize biomass processing.

The scientific areas of focus are as follows:
1. Modeling the specific features of these processes: leached solutions from agromine have unique characteristics (low pH, high ionic strength, complexes, other elements). PhreeqC software can be used to model the thermodynamics and chemical speciation of electrolytic solutions.
2. Development of unit operation models: in addition to using previously developed unit operation models (nanofiltration, ion exchange), it may be appropriate to create new ones based on thermodynamic and/or kinetic equilibrium approaches. Validation could be based on experimental equipment (nanofiltration pilot, ion exchange column in particular).
3. Evaluation and optimization of process architectures: use of Aspen Plus to model different process configurations and analyze gains in material yield and energy consumption.
4. Environmental and economic aspects: assessment of environmental performance using a methodology inspired by ex-ante Life Cycle Assessment (LCA), and identification of technical and economic levers to reduce costs and environmental impacts.
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Début de la thèse : 01/10/2025

https://www.univ-lorraine.fr/

Le candidat ou la candidate devra avoir de solides bases en génie des procédés/génie chimique, titulaire d'un diplôme d'ingénieur ou de master dans le domaine. Des connaissances et une affinité pour la modélisation de procédés, la programmation appliquée sont requises. Des connaissances en chimie des solutions serait un plus. Pour toute thèse proposée au sein de l'Ecole Doctorale, le futur doctorant devra bien être titulaire d'un master (diplôme de master/d'ingénieur français ou étranger, …) justifiant d'un parcours remarquable. Dans tous les cas (diplôme de master ou d'ingénieur français ou étranger, …) le dossier doit comporter a minima : • le CV du candidat et lettre de motivation • les notes obtenues au diplôme conférant le grade de master, mention 'Assez Bien' requise au minimum et copie du diplôme s'il est disponible Les éléments suivants sont les bienvenus : • des lettres de recommandations émanant du Responsable de la filière de formation et du tuteur de stage de fin d'études • des éléments tangibles sur l'initiation à la recherche (mémoire de recherche, publication, ...). Le dossier complet de candidature doit être envoyé à l'adresse suivante : Co-directeur de thèse Rémi DEMOL : remi.demol@univ-lorraine.fr
The candidate must have a solid background in process/chemical engineering, and hold an engineering or master's degree in the field. Knowledge and affinity for process modeling and applied programming are required. Knowledge of solution chemistry would be a plus. All applicants to the Doctoral School SIMPPÉ must have successfully completed a Master degree or its equivalent with a grade comparable to or better than the French grade AB (corresponding roughly to the upper half of a graduating class). In all cases (French or foreign Master degree, engineering degree, etc.) the counsel of the doctoral school will examine the candidate's dossier, which must include at least: • CV and letter of motivation • the grades obtained for the Master (or equivalent) degree and a copy of the diploma if it is available The following items are welcome: • letters of recommendation, preferably from the director of the Master program and the supervisor of the candidate's research project • written material (publications, Master thesis or report, etc.) related to the candidate's research project. The complete application file must be sent to remi.demol@univ-lorraine.fr Co-supervisor de thèse Rémi DEMOL : remi.demol@univ-lorraine.fr