La physique quantique pour séparer les minéraux

Mardi, 6 novembre 2018

Pour répondre aux besoins croissants d’approvisionnement en métaux rares, la flottation est une technique d'extraction devenue indispensable dans l'industrie contemporaine. Dans ce domaine, l’équipe valorisation des ressources et résidus du Laboratoire GeoRessources (Université de Lorraine/CNRS) détient des compétences reconnues internationalement. En collaboration avec le Laboratoire de physique et chimie théoriques (LCPT, Université de Lorraine/CNRS), des chercheurs ont développé des modèles fondés sur la physique quantique qui devraient permettre, dans un avenir proche, d’améliorer la séparation des métaux par flottation, vaste défi scientifique de l’industrie minérale du 21° siècle.

Le développement des nouvelles technologies et l’émergence de nouveaux pays industrialisés augmentent considérablement la demande en métaux rares (tungstène, niobium, étain, etc). L’approvisionnement, devenu critique, induit l’exploitation de nouveaux gisements dont les minerais présentent des textures de plus en plus fines, ce qui complexifie l’extraction. Pour séparer le minéral d’intérêt, porteur du métal recherché, la technique de la flottation est inévitable. Chaque année, dans le monde, plus de deux milliards de tonnes de minerais sont traitées par flottation. Cette technique est fondée sur l’adsorption de surfactants à la surface des particules minérales de quelques dizaines de micromètres dans le but de changer leur mouillabilité à l’eau. Or, de nombreux minerais contiennent des minéraux ayant des propriétés de surface similaires et l’adsorption des surfactants est parfois non-sélective. C’est le cas des skarns à tungstène : le métal est contenu dans un minéral calcique, la scheelite (CaWO4), qui est associé à de nombreux autres minéraux calciques indésirables (fluorite, apatite,…).

Les chercheurs de GeoRessources travaillent depuis plus de 20 ans sur cette thématique, appliquée à nombre de minerais complexes de par le monde, dans le but de développer des procédés écologiques permettant de  séparer efficacement des minéraux ayant des propriétés similaires. La compréhension des mécanismes d’adsorption des surfactants à la surface des minéraux est donc un défi scientifique actuel et futur. L’approche scientifique développée par l’équipe de Pr. L. Filippov est fondée sur la recherche des effets synergiques des formulations des molécules organiques de structure et de fonctionnalité différentes afin d’optimiser la formation d’une couche d’adsorption stable sur la surface du minéral cible. Des vastes recherches fondamentales ont permis de proposer des modèles physico-chimiques reconnus dans la communauté scientifique dont certains ont fait l’objet de brevets européens et internationaux. Depuis peu, GeoRessources collabore avec le laboratoire de Physique et Chimie Théoriques dans le but de développer des modèles physiques qui décrivent les phénomènes d’adsorption à un niveau jamais égalé. Ces modèles se fondent sur la mécanique quantique via la théorie de la fonctionnelle de la densité qui est, à l’heure actuelle, la méthode la plus utilisée pour caractériser la structure électronique d’un système.

Dans un premier temps, les modèles d’adsorption développés ont été appliqués à l’adsorption de molécules d’eau sur la surface de la fluorite (CaF2), un des minéraux problématiques en flottation. Les mécanismes ont tout d’abord été étudiés à température du vide (0 K) puis à température ambiante (300 K). Ces calculs ont mis en évidence que l’hydratation de la surface se fait par adsorption de molécules d’eau sous forme moléculaire sur les atomes de calcium de la surface du minéral. L’hydratation totale de la surface a ensuite été étudiée, à température ambiante. Globalement, la configuration la plus stable est celle où les molécules d’eau sont liées entre elles par des liaisons hydrogène, se rapprochant de la géométrie des « clusters » d’eau largement décrits dans la littérature. Ces résultats montrent que la structure de l’eau au voisinage de la surface doit être détruite afin que d’autres molécules telles que des surfactants s’approchent de la surface et s’y adsorbent.

La collaboration se poursuit actuellement en étudiant l’adsorption de surfactants sur les minéraux porteurs de métaux stratégiques pour la haute technologie et l’énergie.  Les travaux permettront à court terme de développer des réactifs novateurs et écologiques conduisant à la séparation efficace des minéraux métalliques par flottation. 

Ces développements permettront l’exploitation de nouveaux gisements métalliques en Europe, classés comme non-exploitables jusqu’à alors, qui serait une solution pour l’indépendance de l’Union Européenne vis-à-vis des métaux.

Source(s): 

Foucaud Y.., Badawi M., Filippov L.O., Filippova I.V., Lebègue S. (2018) Surface Properties of Fluorite in Presence of Water: An Atomistic Investigation, The Journal of Physical Chemistry B, doi:10.1021/acs.jpcb.8b02717

Contact(s):
  • Lev Filippov, GeoRessources
    lev [dot] filippov [at] univ-lorraine [dot] fr, 03 72 74 45 46

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