Soutenance mémoire
Epuisement des ressources primaires et recyclage
Exploitation des ressources naturelles
Depuis la révolution industrielle du XIXème siècle, la population mondiale a fortement cru pour atteindre aujourd’hui environ 7,5 milliards d’individus. Parallèlement à cette croissance démographique, l’accès à une énergie abondante et à bas coût (le charbon) a permis l’essor des technologies et l’exploitation de ressources de plus en plus difficiles à atteindre et coûteuses à exploiter. Cela s’est traduit également par une tendance, au XXème siècle, à l’augmentation générale de la demande en métaux et de la consommation de ces ressources, conséquence d’une plus grande disponibilité de ces dernières.
Dès le rapport Meadows du club de Rome en 1972, l’hypothèse d’un épuisement des ressources naturelles suite à l’explosion démographique et une consommation non maitrisée a été émise. Des modèles prédictifs faisant intervenir l’accroissement de la population, l’évolution de la pollution, la quantité de bien par habitant, les quantités de ressources naturelles etc… ainsi que l’interdépendance de ces différents paramètres au cours du temps ont été construits. Quarante ans plus tard, force est de constater que les différents indicateurs (population, pollution, niveau de vie, ressource) ont suivi la trajectoire d’une société selon le scénario standard « comme si de rien n’était » (« business as usual ») décrit dans le rapport de Rome . La prise de conscience du phénomène d’épuisement et de sur-exploitation des ressources par la population, notamment au travers de l’accroissement des pollutions diverses, du réchauffement climatique, ou encore des campagnes promouvant le recyclage n’a pas permis, pour l’instant, de sortir de ce scénario.
Ce modèle peut se résumer comme la prolongation de la société dite de consommation qui considère les ressources naturelles comme inépuisables et l’énergie disponible comme infinie et qui donc s’affranchit des problématiques de mise en place systématique du recyclage. La production/consommation peut ainsi se faire indéfiniment sans limitation autre que la capacité à transformer des ressources en biens. Ce modèle (émit en 1972) prédit un changement de société autour de 2020 lorsque les gisements exploités seront devenus pauvres en ressources. Par conséquent, le coût de transformation des ressources en biens ou le coût d’exploitation deviendra trop grand et par conséquent la production de nourriture, de biens ou de services ne progressera plus. S’ensuivrait une hausse de pollution, conséquence d’un besoin important en énergie pour transformer les ressources et de la production de déchets concomitante, et ainsi un nouvel accroissement de la mortalité, une diminution des quantités de biens etc… La société retrouverait alors un équilibre population/production/pollution/ressource autour de 2100 avec un niveau de vie des habitants proche de celui de la fin du XIXème siècle.
Cette consommation des ressources, décriée dans le rapport, peut se voir aussi dans l’évolution de la qualité des mines desquelles sont tirées nos sources de matières premières (charbon, pétrole, métaux, matières fissiles) qui s’est dégradée au cours du dernier siècle . De son côté, le coût de production des biens (monétaire et énergétique), afin d’utiliser ces ressources de plus en plus profondes et/ou de moins en moins concentrées, a lui augmenté d’autant que l’exploitation des gisements se révèle de plus en plus complexe.
D’autres modèles ont été bâtis par les auteurs du rapport Meadows pour proposer une issue différente. Ils font, entre autres, intervenir un recyclage poussé des ressources, un contrôle de la population et un investissement massif en termes de contrôle de la pollution afin de maintenir le niveau de vie actuel de la population. Dans ces modèles à l’issue plus favorable pour l’environnement, les biens sont à la fois les déchets de la société et les sources de matières premières et l’exploitation des ressources naturelles ne se fait que pour compenser les pertes en matière induite par les procédés de recyclage ou pour la production d’énergie.
La nécessité du recyclage
La possibilité d’utiliser la majeure partie des éléments du tableau périodique de façon courante a permis à nos appareils d’atteindre les performances qu’ils connaissent aujourd’hui, notamment dans les Technologies de l’Information et de la Communication (TIC) ou les matériaux composites. Cependant, la faible considération pour le recyclage et la recherche de performances accrues ont conduit à la création de déchets de grande complexité aussi bien du point de vue technologique que du point de vue de leur composition chimique. Du fait d’un coût de récupération/déconstruction prohibitif et de ressources jugées comme abondantes, la seule fin de ces déchets a longtemps été la mise en décharge, malgré une forte concentration en métaux, faute de méthode de déconstruction.
Ces ressources sur lesquelles sont basées une part importante de notre société ont été classées, par l’Union Européenne entre autres, comme ressources stratégiques. Parmi ces ressources, on retrouve certains métaux comme les métaux du groupe du platine (Pd, Rh, Ru, Pt, etc.) ainsi que les terres rares. Le caractère stratégique de ces deux groupes de métaux vient respectivement du fait de stocks limités à courte échéance ou d’insécurité en terme d’approvisionnement. Le critère stratégique de ces ressources ne sera pas discuté plus avant. Ces ressources stratégiques présentent potentiellement un risque de disponibilité sur les marchés (comme ce fut le cas des terres rares avec les quotas d’export de la Chine en 2010) ou une importance économique / technologique élevée (comme l’Au ou les Platinoïdes qui sont très demandés en électronique) qui fluctue dans le temps .
On voit donc bien naître un cercle vicieux de l’usage des ressources. Dans un premier temps les sources de matières premières les plus riches sont (ou ont été) éparpillées aux cœurs de nos outils quotidiens qui finissent en décharge et que l’on commence seulement aujourd’hui à recycler. Ensuite, la demande en matière première ne diminuant pas, de plus en plus d’énergie est consacrée à concentrer des ressources naturelles qui ne le sont pas, ce qui mène à une augmentation de l’impact environnemental de leurs utilisations. Enfin, l’accumulation en décharge pose des problèmes environnementaux. De plus, en l’absence de conception intégrant le recyclage ou la déconstruction des biens, les procédés de recyclage sont forcés de s’adapter à rebours à des déchets de conception ancienne qui n’ont pas été conçus pour être recyclés. De plus, les nations ayant ratifié la convention de Bâle en 1992 ont à leur charge le traitement sur leurs sols des déchets dangereux dont font partie les déchets qui contiennent les métaux.
De nombreux acteurs se sont emparés de ce problème afin d’y remédier sans pour autant que des solutions soient mises en place à grande échelle. On pourra citer par exemple l’écoconception visant à prévoir la déconstruction des produits en fin de vie ou les conceptions modulaires visant à réparer/remplacer uniquement la partie défaillante d’un système. Ces innovations relativement récentes se heurtent cependant à un problème de modèle de société. Le recyclage des déchets répond donc à une problématique triple :
❖ sécuriser l’approvisionnement à long terme en métaux,
❖ réduire l’impact environnemental de la mise en décharge,
❖ économiser l’énergie nécessaire à l’extraction de filons pauvres en réutilisant le métal déjà extrait pour alimenter la majeure partie de l’industrie.
Pour résumer, les déchets, riches en métaux, sont de plus en plus considérés comme une ressource d’avenir car c’est dans ces déchets et non plus dans les sols que se concentre une part croissante des ressources métalliques terrestres. Ainsi, on peut voir émerger le concept de mine urbaine qui envisage les amoncellements de déchets produits par l’Homme (entre autre les décharges) non plus comme un exutoire à des objets sans avenir mais comme une ressource à exploiter au même titre qu’une mine usuelle.
Contexte du recyclage des métaux
Le recyclage est encore réservé à des marchés de niche tel que les métaux à forte valeur ajoutée comme l’Au ou les platinoïdes ou des effluents faciles à traiter car relativement homogènes comme les catalyseurs industriels, les châssis ou les déchets d’usinage. Il y a donc deux leviers pour le recyclage, le coût et les gains (et donc la rentabilité industrielle) et la facilité à recycler. Nombre de métaux sont aujourd’hui globalement bien recyclés avec parfois jusqu’à 50% de la consommation provenant du recyclage. On peut cependant voir une grande variabilité des taux de recyclage selon les sources .
Les déchets d’équipements électriques et électroniques (D3Es) constituent une des sources dont la concentration en métaux est équivalente voire supérieure aux sources naturelles . Etablir une composition type de ces déchets relève de la gageure tant les paramètres pouvant influencer la composition sont nombreux. La composition type d’un lot de D3Es peut évoluer au gré des progrès technologiques (usage du Ni puis d’un alliage Pd/Ag dans les condensateurs multi-couches) ou selon les déchets qui y sont stockés (écran, ordinateur, téléphone, machine à laver).
Une première opération de tri souvent présentée dans la littérature est la séparation des circuits imprimés (printed circuit board PCB) contenant la majeure partie des métaux précieux du reste des appareils ménagers, en général plus riches en plastiques, céramiques et éventuellement éléments de structures métalliques (aluminium ou acier). Malgré une grande variabilité de composition, nombre d’éléments chimiques sont présents de façon quasi systématique dans les PCB (Cu, Fe, Al, Pb, Zn, Ni, Sn, Au, Pt, Pd, Ag ainsi que parfois des terres rares). En général la proportion de ces métaux dans les PCB est supérieure ou égale à ce que l’on trouve dans les minerais de ces mêmes métaux . Un enjeu majeur du recyclage est donc de séparer tous ces éléments dont les propriétés chimiques sont parfois très voisines (par exemple dans la famille des platinoïdes), le travail de concentration des minerais étant partiellement fait. Le but est de récupérer, purs, le plus grand nombre de métaux, et ce en générant un minimum d’effluents chimiques à traiter. Pour ce faire, les procédés usuels de purification de métaux sont mal adaptés car les intrants de l’industrie minière varient peu sur de très grands volumes et sont relativement simples et bien connus. A contrario la composition des D3Es est compliquée et varie beaucoup sur de grands volumes.
Actuellement, les principales options pour le traitement des D3Es sont la réutilisation, le reconditionnement, le recyclage, l’incinération et l’enfouissement. D’après le rapport du Programme des Nations Unies pour l’Environnement (United Nations Environment Programme UNEP), le principal moteur économique pour le recyclage des D3Es est la récupération des métaux précieux. La règlementation actuelle Européenne tend aussi à évoluer pour imposer la collecte d’une très large part des D3Es ainsi que leur valorisation. La récupération des métaux peut se faire selon différents procédés basés sur des techniques de pyrométallurgie et/ou d’hydrométallurgie.
Les procédés pyrométallurgiques consistent à bruler les déchets (finement broyés) dans un four ou dans un bain en fusion. Cela permet d’éliminer les matières plastiques et les oxydes réfractaires dans un laitier et de les séparer des métaux. Cette méthode permet de récupérer certains métaux non ferreux et les métaux précieux. Les procédés pyrométallurgiques sont en revanche très couteux en énergie et génèrent quantité de gaz qui peuvent être toxiques. Les D3Es (et entre autres les PCB) contiennent notamment des retardateurs de flammes à base de composés halogénés qui sont persistants dans l’environnement et produisent des dioxines lors de leur incinération.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Eléments de contexte
Contexte : épuisement des ressources primaires et recyclage
1. Exploitation des ressources naturelles
2. La nécessité du recyclage
3. Contexte du recyclage des métaux
Extraction par solvant
1. Extraction en système biphasique
a. Quelques généralités
b. Propriétés des ions métalliques
2. Technique d’extraction liquide-liquide-liquide
a. Potentiel des systèmes triphasiques
b. Différents systèmes déjà utilisés
Potentiel pour les systèmes fluorés pour l’extraction liquide-liquide 36
Chapitre 2 : Etude de l’effet de l’espaceur dans un extractant fluoré de type malonamide
Influence de la chaine fluorée sur l’extraction par des malonamides
Etat de l’art et étude théorique de l’effet de l’espaceur
Synthèse, structure et propriétés de systèmes à base de malonamides fluorés
1. Synthèse des malonamides fluorés
2. Etude des complexes par IR
Extraction de métaux par des malonamides fluorés et hydrogénés
1. Méthode
2. Diluants chlorés
a. Comportement des malonamides hydrogéné en milieu chloré
b. Extraction par les malonamides hydrocarbonés et fluorés en milieu chloré HNO3 3M
c. Extraction par les malonamides hydrocarbonés et fluorés en milieu chloré HNO3 5M
d. Influence des métaux sur la formation de troisième phase dans 1,2-DCE
e. Conclusion sur le diluant chloré
3. Diluant fluoré
a. Sélection d’un diluant pour la phase fluorée
b. Extraction par les malonamides en milieu fluoré
c. Impact de la concentration en extractant
d. Formulation de solvant fluoré
e. Conclusion sur le diluant fluoré
4. Caractérisation des espèces en solution
5. Organisation supramoléculaire du DMDBMAH2F8 en solution
Malonamides à chaine fluorée souple
1. Synthèse et étude d’un extractant à chaine souple
2. Elongation de l’espaceur de la chaine souple
Physico-chimie des malonamides
1. Obtention de gel
2. Etude de tension interfaciale
Conclusion
Chapitre 3 : Extraction par des extractants fluorés dérivés du phosphore
Le tributylphosphate pour l’extraction des métaux
1. Généralité sur les extractants phosphorés
2. Etude du TBP en extraction
a. Milieu acide nitrique
b. Milieu acide chlorhydrique
c. Bilan
Phosphates de trialkyle fluorés
1. Synthèse
2. Extraction de métaux par les phosphates fluorés
a. Comparaison de OP(OH2F6)3 et TBP en milieu acide nitrique
b. Comparaison de OP(OH2F6)3 et TBP en milieu acide chlorhydrique
c. Extraction des métaux par OP(OH3F6)3 en milieu acide nitrique ou chlorhydrique
Système triphasique d’extraction liquide-liquide
1. Effet du diluant hydrocarboné sur l’extraction
2. Extraction en milieu triphasique
3. Solubilité des solvants hydrocarbonés et fluorés entre eux
Conclusions et perspectives pour les systèmes triphasiques avec les phosphates
Conclusions générales
Partie expérimentale
Annexes
Bibliographie
