Distillation métallurgique

La métallurgie est une branche de la science et de la technologie qui s'occupe des propriétés des métaux et de leur production et purification.

Il s’agit d’un vaste domaine axé sur la séparation et le traitement des métaux. Cela se fait généralement par pyrométallurgie (à l'aide de feu), hydrométallurgie (à l’aide de liquides) ou une forme hybride qui combine ces techniques ou les complète avec d'autres méthodes.

Quelle méthode est la plus appropriée ?
La pyrométallurgie utilise des températures élevées pour extraire les métaux de leurs minerais à travers des processus de fusion et d'affinage. À l'inverse, l'hydrométallurgie emploie des solutions aqueuses pour séparer les métaux désirés. La méthode la plus appropriée dépend de plusieurs facteurs, comme le budget disponible, les besoins énergétiques, les contraintes environnementales, la rapidité de certaines réactions chimiques et le degré de pureté requis des métaux produits.

Pyrométallurgique

La pyrométallurgie utilise des procédés à haute température pour récupérer des métaux spécifiques, généralement à partir de la masse noire produite lors des étapes précédentes. Des techniques thermiques sont également utilisées lors du prétraitement, mais à des températures plus basses, pour éliminer les matières organiques avant que l'extraction des métaux ne commence. Dans la pyrométallurgie, il existe différents processus et réactions, selon les métaux ciblés et leur composition chimique.

La pyrométallurgie comprend souvent une série de processus complexes, tels que l'évaporation et la condensation de métaux à bas point d'ébullition, la décomposition de composés métalliques dans un environnement sans oxygène, et la séparation des sulfures et des oxydes présents dans les composés métalliques en fusion.

Distillation

La distillation est le processus thermique qui permet de séparés différents métaux par évaporation, puis par condensation des vapeurs, qui retournent ainsi à l'état solide ou liquide. Le processus se déroule sous vide afin de garantir que toutes les vapeurs sont récupérées et condensées, et pour améliorer son efficacité, puisqu’il faut moins de chaleur pour évaporer les métaux sous vide.

La distillation est souvent réalisée dans un four à induction. Les piles et batteries contenant des métaux à bas point d'ébullition, tels que le mercure, le cadmium et le zinc, se prêtent particulièrement bien à la pyrométallurgie, car il faut relativement peu d'énergie pour évaporer les composés ciblés. Dans la pratique, plusieurs partenaires de recycleurs de Bebat extraient actuellement le mercure et le cadmium des piles et batteries par distillation.

Pyrolyse

La pyrolyse est la décomposition thermique des matériaux à haute température dans une atmosphère inerte, c'est à dire un environnement contrôlé avec des gaz inertes tels que l'azote (souvent utilisé) ou l'argon au lieu de l'oxygène. Elle est effectuée dans une chambre de pyrolyse et entraîne un changement de le composition chimique.

La pyrolyse en détail

La pyrolyse est le processus de décomposition dans un environnement contrôlé et sans oxygène. Dans une atmosphère inerte, le matériau est exposé à des températures élevées (au-dessus du point d'ébullition) pour provoquer une séparation chimique et physique en différentes molécules. En raison de l'absence d'oxygène, aucune combustion ne se produit. Au lieu de cela, les composés chimiques se décomposent en substances distinctes, en raison de la stabilité thermique limitée de leurs liaisons chimiques. La pyrolyse est réalisée dans une chambre de pyrolyse, qui est scellée sous vide avec un système d'extraction pour capturer les éventuelles substances chimiques évaporée.

L'affinage

L'affinage est un terme général pour la purification d'un matériau cible en éliminant tous les autres éléments qui pourraient le contaminer. Après avoir été récupérés à partir de batteries au nickel-cadmium, les métaux tels que le cadmium nécessitent généralement une méthode d'affinage, comme la distillation pour obtenir, pur obtenir un produit final utilisable d'une pureté suffisante.

Le grillage

Le grillage est une méthode de purification supplémentaire pour séparer le soufre et le carbone indésirables des minerais métalliques. Cette méthode est appliquée aux minerais sulfurés, où le minerai est chauffé à haute température en présence d'air (contrairement à la pyrolyse).

Minerais sulfurés

Au cours de la durée de vie d'une pile ou d'une batterie, les métaux purs qui servent de matériaux de cathode et d'anode sont transformés en minerais sulfureux, c'est à dire des métaux chimiquement liés aux sulfures. Ce processus peut être inversé par grillage, où d'autres matériaux sont ajoutés afin que les sulfures forment (dans la plupart des cas) du dioxyde de soufre, laissant ainsi un métal plus pur.

Réduction

La réduction est une méthode utilisée pour séparer un oxyde métallique ou un minerai en ses composants : l'oxygène et le métal. L'oxyde métallique est chauffé jusqu'à l'état fondu, avec un agent réducteur (également connu sous le nom de réducteur), qui aide à libérer l'oxygène contenu dans le matériau sous forme de dioxyde de carbone, laissant ainsi un métal affiné.

Sortie :

Divers métaux purs et alliages métalliques, scories, coke, etc.

Points d'ébullition des métaux purs :

Mercure

357 °C

Remarque

Lorsque les piles et batteries sont usagées et prêtes à être recyclées, les métaux qu'elles contiennent se sont oxydés ou ont été transformés d'une autre manière par les échanges d'électrons et d'ions nécessaires à la production d'électricité. Cela transforme les métaux en composés et affecte leurs points d'ébullition.

Différentes combinaisons de ces techniques sont utilisées pour recycler la masse noire des piles et batteries usagées. Pour les piles alcalines, la pyrolyse est une méthode courante, réalisée dans un four rotatif de type Waelz. L'eau et des traces de mercure sont d’abord évaporées de la masse noire, puis du zinc, et finalement, le manganèse présent dans le mélange est réduit en oxyde de manganèse, ce qui résulte en trois flux de sortie : le zinc, le mercure et des scories enrichies en oxyde de manganèse.

Les méthodes pyrométallurgiques sont traditionnellement plus courantes, mais elles présentent des inconvénients. En particulier, la pyrométallurgie consomme beaucoup d'énergie, possède une empreinte carbone relativement élevée, et produit souvent un flux de déchets résiduels.

Entrée : La masse noire et divers composés métalliques sont souvent traités par pyrométallurgie.

Sorties :

Divers métaux purs et alliages métalliques, scories, coke, etc.

Hydrométallurgique

L'hydrométallurgie vise à récupérer des métaux en utilisant différentes solutions liquides permettant de provoquer des réactions chimiques. Il s'agit d'un domaine relativement récent, mais il gagne en popularité dans les méthodes modernes de recyclage des piles et batteries, en particulier pour les batteries lithium-ion. Dans de nombreux cas, elle présente des avantages par rapport aux voies pyrométallurgiques, telles que des flux de sortie plus purs et des émissions plus faibles de sous-produits dangereux.

Les processus hydrométallurgiques sont parfois combinés avec des méthodes pyrométallurgiques. Par exemple, la pyrolyse peut être combinée à une lixiviation à l'eau afin de récupérer l'oxyde de lithium-manganèse des batteries lithium-ion.

Hydrométallurgie et pyrométallurgie combinées

Les méthodes hydrométallurgiques sont utilisées dans le monde entier pour traiter les piles alcalines et zinc-carbone, les batteries au nickel-hydrure métallique et au nickel-cadmium, ainsi que les piles et batteries au lithium.Les méthodes hydrométallurgiques et pyrométallurgiques présentent toutes deux des avantages et des inconvénients, en fonction des matériaux cibles et des priorités propres au processus de recyclage.

Certaines entreprises utilisent une combinaison de pyrométallurgie et d'hydrométallurgie pour optimiser leurs méthodes de recyclage des batteries au lithium-ion et nickel-hydrure métallique. La pyrométallurgie est utilisée pour produire des scories, qui sont ensuite utilisées dans le secteur de la construction, et un alliage métallique contenant du cobalt, du nickel et du cuivre. Cet alliage est traité par voie hydrométallurgiquement pour produire des éléments d'électrode pour de nouvelles batteries.

Les scories contenant des traces de lithium peuvent avoir un effet positif sur la fatigue du béton, et ainsi aider à prolonger la durée de vie des bâtiments en béton.

La lixiviation

La lixiviation est le processus par lequel les métaux sont extraits de matériaux solides contenant des traces de divers métaux, tels que les minerais et les composés présents dans les piles et batteries usagées. Les métaux sont extraits du matériau solide et transformés en sels solubles par les substances actives de la solution, qui peuvent ensuite être séchés et traités pour produire des métaux purs.

La lixiviation des piles et batteries est généralement réalisée dans un équipement relativement simple comme une cuve ou un autoclave, en utilisant différents acides comme solvants.

Avantages et inconvénients de la lixiviation

La lixiviation nécessite moins d'énergie et ne produit pas de pollution gazeuse, contrairement aux méthodes pyrométallurgiques. Cependant, la lixiviation est également moins efficace et laisse plus de déchets dans les résidus miniers; c’est-à-dire les matières qui subsistent après l'extraction des métaux du minerai.

Extraction par solvant

L'extraction par solvant repose en fait sur le même principe la lixiviation, sauf qu'elle est appliquée à des matériaux liquides au lieu de solides. Dans ce processus, un ou plusieurs composants sont séparés d'un liquide par leur interaction avec un second liquide non miscible, communément appelé le solvant.

Précipitation chimique

Lors de la précipitation chimique, un solide se forme à partir d'une solution lorsque la substance devient insoluble ou que la solution devient sursaturée. Selon les produits chimiques impliqués, la précipitation peut être utilisée pour séparer et solidifier des métaux ou des impuretés du mélange. La précipitation se produit lorsque l'évaporation ou un changement de pH ou de température amène un matériau cible à la limite de sa solubilité.