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La Biolixiviation : des bactéries au service de la production des métaux
Patrick d’Hugues
Responsable Unité Déchets et Matières Premières Direction Eau/Environnement/Ecotechnologies
BRGM
Colloque Bioprocédés et Bioproduction Environnement - Energie - Santé -
10 Juillet 2013
Peut-on extraire des métaux par l’action de micro-organismes?
Lesquels? Dans quel contexte? Par quels types de procédés?
La biolixiviation : une réalité industrielle? Des besoins de R&D?
La recherche de “nouvelles” méthodes d’extraction des métaux est-il un enjeux pour l’Europe?
Les déchets (Miniers) : problème environnemental uniquement?
L’activité microbienne joue un rôle important
- dans la « décomposition » de la matière minérale
- dans les grands cycles biogéochimiques pour le CO2, le fer, le soufre,…
La Biolixiviation, un processus « naturel »
Cycle du fer : Rio Tinto (DMA)
Cycle du Soufre - Yellowstone N.P. (UWB - Pr B. Johnson)
Dégradation de la matrice sulfurée des roches par les bactéries ; Oxydation du Fe2+ en Fe3+ (réactions d'oxydation = source d'énergie) Libération ou solubilisation des métaux en milieu acide (H2SO4 = produit du métabolisme bactérien)
Biolixiviation / Biooxidation : Chimie et Biologie
FeS2 + 7/2 O2 + H2O FeSO4 + H2SO4
2 FeSO4 + 1/2 O2 + H2SO4 Fe2(SO4)3 + H2O
FeS2 + Fe2(SO4)3 3 FeSO4 + 2 So
2 So + 3 O2 + 2 H2O 2 H2SO4
Acidithiobacillus (ferrooxidans)
Leptospirillum Sulfobacillus sp. Acidimicrobium Ferroplasma Sulfolobus Acidianus Metallosphaera
Des bactéries et archéobactéries « extrêmophiles » :
- Acidophiles (pH <2) chimiolithotrophes autotrophes (et hétérotrophes) aérobies (et anaérobies)
- Mésophiles (20 - 40°C), Thermotolérantes (40°C - 60°C), Thermophiles (60 - 80°C)
T. Cabral, BRGM
T. Cabral, BRGM
Biolixiviation : Interface Matière Organique / Matière Minérale
Research in Microbiology 157 (2006) 49–56 Wolfgang Sand ∗, Tilman Gehrke
Ore Oxide/Sulphides (0.5 – 2.0 % Cu)
Mining Open Pit / Underground
Concentrate (20 – 30 % Cu)
Pyrometallurgy Smelting/Refining
Mineral Processing : Comminution / Concentration
(Bio)Hydrometallurgy (Leaching / SX / EW)
Biolixiviation : Une solution en métallurgie extractive
Des produits manufacturés de plus en plus complexes, contenant de nombreux
métaux Ag, Au, Pd … (métaux précieux) et Cu, Al, Ni, Zn … (métaux de base)
Contexte : La sécurisation de l’approvisionnement en métaux
Achzet, B., Reller, A.: Powering the Future (2011)
0 Mt
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Evolution historique de la production minière de cuivre jusqu'à 2011,et prévisions pour les 40 prochaines années par extrapolation de la
tendance récente
Production minière historique de cuivre jusqu'à 2011 (taux de croissancemoyen de 1900 à 2011 : 3,18%)
Extrapolation de la production minière de cuivre de 2012 to 2055 ensupposant un taux de croissance de 2,85%
Production minière cumulée des
origines à 2011:
590 Mt Cu
Cumul de la nouvelle production minière de
2037 à 2051 (15 ans) en
supposant un taux de croissance annuel de 2,85% :
611 Mt Cu
Cumul de la nouvelle
production minière de 2012à 2036 (25 ans)
en supposant un taux de croissance annuel de 2,85% :
588 Mt Cu
Simulation d'un taux de croissance annuel de 2,85%,
calé sur la croissance moyenne de la
consommation observée de 1960 à 2011
Labbé and Villeneuve, BRGM (2013)
Source UNEP
2015
Des besoins en métaux
qui augmentent
et que le recyclage ne
pourra satisfaire !
Europe dépendante de l’importation des métaux : déficit commercial 10 milliards
€ (SEC(2007)771) – Raw Material Initiative (2008)
Contexte : Augmentation de la demande en métaux - dépendance de l’Europe
% of EU25 in global production / consumption
Mine production
Metallurgical production
Consumption
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Cu ZnNi
% of EU25 in global production / consumption
Mine production
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Cu ZnNi
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Cu ZnNi
Mintek,; BioMinE (2008)
Contexte Economique et Environnemental Augmentation de la demande mondiale
en métaux Diminution de la teneur en métaux des
gisements Raréfaction sur certains éléments et
certaines ressources Augmentation de la conscience
environnementale des entreprises
Contexte Européen Une activité minière essentiellement
basé sur la pyrométallurgie Une forte dépendance aux importations Des gisements complexes, de petites
tailles, des déchets historiques
Besoin de procédés alternatifs pour traiter de nouvelles ressources (déchets miniers, minerais à faible teneur, minerais complexes)
Besoin de procédés flexible et à moindre impact environnemental
• Faible CAPEX and OPEX • Ressources à « faible teneur »
• Robustesse et fiabilité • Taux récupération élevés
• CAPEX and OPEX + élevés • Cinétiques lentes ; % récupération faibles • Empreinte au sol importante
Statique : Heap (Dump) bioleaching for ores (and concentrates) (low metal grade)
Dynamique : Stirred tank bioleaching for concentrates (high metal grade)
Biolixiviation : Une alternative et une réalité industrielle - 2 types de procédés
12 installations industrielles de Biooxidation / or 18 % du Cu mondial facilité par action bactérienne 1 opération pour le Cobalt Des procédés en développement !
Dump Leaching
Biolixiviation en tas
Escondida, Chili 1,300 M de tonnes de minerai à faible teneur Tas : 5000m/2000m/130m
Heap Leaching
Talvivaara Finlande 1ère opération Bioheapleaching en Europe Ni (Zn/Cu/U)
Les Verrous Techniques et Scientifiques Circulation des solutions lixiviantes Transferts de gaz et de chaleur Dynamique des populations
Modéliser et Optimiser le design et le monitoring des tas ?
Une technologie maitrisée pour le pré-traitement des minerais d’or refractaires Gestion des mousses ! (et des EPS ?)
Les Verrous Techniques et Scientifiques
Limitation de la biolixiviation de la chalcopyrite Optimisation des transferts de gaz et de chaleur Nouveau type de bioréacteur? Dynamique des populations? « Designed consortia»?
Biolixiviation en réacteur
Sansu plant, Ghana BIOX technology, Gold Fields
Extreme thermophiles 80°C
Chuquicamata, Chile BioCOPTM prototype plant
BHP Billiton technology
Peñoles plant, Monterrey, Mexico Mintek-BacTech technology
Moderate thermophiles
1989 Preliminary study of bioleaching BRGM
1989 - 93 - Pre-feasibility study (testwork on bioleaching)
1992-96 - Feasibility Step - Basic engineering
1996 - 1998 - Detailed engineering
1998-1999 - Construction and start-up
June 1999 - First cobalt cathode on site
1 Mt - Pyrite Tailings in Uganda 1,3% Cobalt
Bacteria on the pyrite surface
Continuous lab-scale plant at BRGM
Industrial agitation system
On site pilot plant
Le Projet KCC : unique pour le Cobalt - un cas d’étude idéal pour le re-traitement des résidus minéralurgiques (Procédé BRGM)
BRGM : P. Ollivier D. Morin J.M. Hau
P. d’Hugues F. Battaglia
La Biolixivitation : une thématique de R&D Européenne
Potentiel de la biohydrométallurgie comme méthode de traitement
des ressources européennes “non conventionnelles” : déchets
miniers, « minerais pauvres », minerais polymétalliques complexes.
Développement de nouveaux procédés et nouveaux
bioréacteurs permettant d’optimiser l’application et la rentabilité de
la biolixiviation comme l’une des étapes clés de la production de
métaux.
Sélection de nouvelles souches bactériennes et importance de
la dynamique des populations pour l’optimisation des procédés de
biolixiviation.
Modélisation des processus biochimiques complexes
intervenant lors de l’oxydation biologiques des sulfures.
3 projets Européens des 6ème et
7ème PCRD (2004 – 2013)
Plusieurs thèmes de R&D
2014 : Projet Franco-Allemand ANR/BMBF Ecometals Production de cuivre et métaux associés par biolixiviation
+
BRGM
Bioleaching
MILTON ROY Mixing
Agitation Technologies
Air Liquide
Gas supply and injection into Liquids
O2
N2
+
Agitateurs Flottants pour injection des gaz et mélange des solides :
Taux de solide élevé (> 40%)
Réacteurs de type bassin ; maintenance facilitée
Pas d’échangeur de chaleur
Utilisation d’air enrichi en oxygène
Gestion de la température
Amélioration des transferts de gaz
La Biolixivitation : un nouveau type de bioréacteur (Brevet déposé)
A.G. Guezennec, D. Morin Y. Menard, P. d’Hugues
F. Savreux D. Ibarra, M. Jaillet,
A. Pubill Melsio
50 µm50 µm50 µm
bioleaching P. Norris (UK)
Biolixiviation : le besoin d’une R&D pluridisciplinaire
Biolixiviation : des axes de développement
B. Johnson (UWB) 2014
Valorisation déchets miniers
Mine Urbaine Nouvelles
technologies
« biolixiviation» anaérobie
Merci pour votre attention Pour en savoir plus : email: [email protected] site: www.brgm.fr http://www.brgm.fr/projets/metaux-strategiques-valorisation-matieres-premieres-secondaires