Thèse Cpj Compréhension des Mécanismes Thermodynamiques et Cinétiques de la Séparation de Métaux par Chromatographie pour le Développement de Procédés Hydrométallurgiques H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Lorraine
École doctorale : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
Laboratoire de recherche : LRGP - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés
Direction de la thèse : Laurence MUHR
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-01T23:59:59

Le projet de thèse vise à développer une compréhension mécanistique et prédictive de la séparation de métaux par chromatographie en milieux hydrométallurgiques complexes, avec un positionnement fortement centré sur la simulation numérique et le développement de code. Dans un contexte où l'hydrométallurgie repose encore largement sur des procédés conventionnels de séparation, la chromatographie constitue une voie prometteuse pour traiter des solutions acides complexes, à condition de mieux décrire les phénomènes qui gouvernent la rétention, l'élution et la sélectivité des espèces métalliques sur résines fonctionnelles. Les travaux préliminaires montrent en effet que les mécanismes en jeu restent partiellement incompris, notamment en ce qui concerne le rôle du pH, de la spéciation en solution, de la protonation de la phase stationnaire et de la compétition entre espèces métalliques.

La thèse aura pour premier objectif de construire et d'enrichir des modèles mécanistiques capables de représenter de manière cohérente les équilibres thermodynamiques associés à la capture et à l'élution des métaux en milieu aqueux acide. Il s'agira de développer, dans la continuité des codes de calcul de chromatographie existants, des outils numériques décrivant à la fois les bilans de matière en colonne, les équilibres chimiques, la spéciation des espèces en solution et leurs interactions avec la phase solide. L'enjeu est de disposer de modèles suffisamment génériques pour traiter des milieux multi-composants et prédire les courbes de percée et d'élution dans des conditions opératoires variées.

Le second objectif portera sur l'identification et la modélisation des limitations cinétiques qui freinent aujourd'hui l'adoption industrielle de cette technologie. Les résultats préliminaires montrent que la seule thermodynamique ne suffit pas à reproduire l'ensemble des comportements observés, et que des limitations liées aux transferts de matière ou à la vitesse de sorption doivent être prises en compte pour représenter correctement l'étalement des fronts, certains plateaux à bas pH et les profils d'élution. La thèse cherchera ainsi à discriminer les contributions respectives du transfert externe, du transfert intraparticulaire et des cinétiques locales de sorption, afin d'établir un cadre de modélisation robuste pour le changement d'échelle et l'intensification des procédés.

Le coeur du travail reposera donc sur la conception, le codage, le test et la validation de nouveaux développements numériques pour la chromatographie préparative appliquée à l'hydrométallurgie. Les données expérimentales réalisées au laboratoire auront pour rôle principal de confronter les prédictions des modèles aux comportements réellement observés, de quantifier les écarts et de guider les choix de modélisation. L'ambition finale est de produire des outils de simulation physiquement fondés, capables non seulement d'éclairer les mécanismes de séparation, mais aussi d'aider à la conception de procédés chromatographiques plus performants, plus prédictifs et mieux adaptés aux contraintes industrielles. Ce projet s'inscrit dans le cadre du LRGP, de l'Université de Lorraine, et dans des thématiques à fort impact pour l'industrie, l'innovation et la transition des procédés.

L'hydrométallurgie repose encore majoritairement sur l'extraction liquide-liquide pour la séparation des métaux, mais l'évolution des ressources, la complexification des matrices à traiter et la recherche de procédés plus sobres conduisent à reconsidérer la chromatographie comme voie alternative. Les résines chélatantes apparaissent particulièrement intéressante pour la récupération sélective de métaux en milieu acide, mais leurs fonctionnements restent imparfaitement compris, notamment à l'interface entre adsorption, échange d'ions, protonation de la phase stationnaire et spéciation métallique en solution.

Objectif 1 - Établir le cadre thermodynamique de rétention et d'élution : déterminer le rôle respectif de la protonation de la résine, de la spéciation des métaux en solution et de la compétition ionique sur la capacité, la sélectivité et la désorption en milieux sulfatiques et, si pertinent, chlorurés.

Objectif 2 - Discriminer les limitations cinétiques : identifier expérimentalement et par modélisation la part respective du transfert externe, du transfert intraparticulaire et de la cinétique de sorption, en s'appuyant sur des essais paramétriques en débit, concentration, composition de solution et éventuellement temps de passage d'espèces non réactives.

Objectif 3 - Généraliser le modèle de procédé : étendre les modèles chromatographiques actuels pour décrire des systèmes multicomposants plus représentatifs des lixiviats hydrométallurgiques, et passer d'un outil d'interprétation à un outil prédictif d'aide à la conception.

Objectif 4 - Préparer l'intensification du procédé : déduire, à partir des lois thermodynamiques et cinétiques identifiées, des leviers de conception pour augmenter les débits traités, améliorer la productivité et explorer des configurations de type multicolonnes.

La thèse s'appuiera d'abord sur l'exploitation des données disponibles dans la littérature et au laboratoire, dès lors qu'elles seront jugées suffisamment fiables et exploitables pour nourrir la modélisation. Ces données serviront à construire un premier modèle mécanistique de chromatographie intégrant les aspects thermodynamiques et cinétiques pertinents. Ce modèle sera ensuite développé numériquement et implémenté dans des codes de calcul dédiés. Dans un second temps, de nouvelles données expérimentales seront produites au laboratoire par le doctorant afin de confronter les prédictions du modèle à des situations non utilisées lors de sa construction. Cette stratégie progressive, allant de l'exploitation des données existantes vers la génération ciblée de nouvelles données de validation, permettra de développer des outils de simulation à la fois physiquement fondés, prédictifs et pertinents pour l'étude et l'intensification des procédés chromatographiques en hydrométallurgie.