Thèse Mesure et Modélisation de l'Activité Chimique des Composant de Milieux Complexes en Hydrométallurgie H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Chimie École doctorale : Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes Laboratoire de recherche : NIMBE - Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie - DRF/IRAMIS Direction de la thèse : Jean-Christophe GABRIEL ORCID 000000020194683X Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-31T23:59:59 Les procédés d'extraction modernes reposent sur l'utilisation optimale de fluides complexes dont la compréhension détaillée reste trop empirique. Pour y palier, de nouveaux progiciels de simulation multi-échelle sont développés, avec un des inconnues à l'échelle mésoscopique, où l'agrégation des molécules, les structures d'interfaces (etc.) n'y sont pas bien compris. L'activité chimique est ici clé, puisqu'elle contrôle les processus d'échange et de transfert. La connaitre permet de valider ces progiciels. Il faut donc pouvoir la mesurer et analyser de manière fiable pour chaque composant, notamment ceux volatils. Nous avons proposé de le faire par mesure de leurs pressions partielles. Une première version d'un appareil microfluidique a ainsi été développée et brevetée qui permet de mesurer simultanément par spectroscopie infrarouge dans un guide d'onde creux, les pressions partielles des composants volatils. Ce dispositif expérimental prototype a été validé sur des systèmes simples. L'objectif de cette thèse est de démontrer le potentiel applicatif de cet outil unique pour la simulation et le développement rapide de procédés, en s'intéressant à des cas concrets importants, à la fois du point de vue expérimental que de celui de la modélisation. Ce type d'études serait totalement inédit et permettrait de vérifier expérimentalement pour la première fois les prédictions de stabilité de fluides complexes.
L'étudiant(e) en thèse devra dans un premier temps faire une mise à jours de la brique microfluidique. Il/elle l'utilisera ensuite pour mesurer les activités chimiques des fluides complexes précités et travaillera à l'interface avec Jean-François Dufrèche pour tester / valider / développer plus avant les progiciels. Dans un deuxième temps, à la NTU de Singapour et sous la co-direction du professor Alex Yan Qingyu (https://personal.ntu.edu.sg/alexyan/ ), il/elle utilisera la plateforme microfluidique dupliquée qui est actuellement assemblée, pour appliquer ces résultats au développement rapide d'un procédé d'extraction d'un métal critique issu du recyclage des composants électroniques des circuits imprimés (laboratoire commun SCARCE).
Résultats attendus : publications, progiciel propriétaire et brevets éventuels sur les nouveaux procédés développés.
Les procédés d'extraction modernes reposent sur l'utilisation optimale de fluides complexes dont la compréhension détaillée reste trop empirique. Pour y palier, de nouveaux progiciels de simulation multi-échelle sont développés, avec un des inconnues à l'échelle mésoscopique, où l'agrégation des molécules, les structures d'interfaces (etc.) n'y sont pas bien compris. L'activité chimique est ici clé, puisqu'elle contrôle les processus d'échange et de transfert. La connaitre permet de valider ces progiciels. Il faut donc pouvoir la mesurer et analyser de manière fiable pour chaque composant, notamment ceux volatils. Nous avons proposé de le faire par mesure de leurs pressions partielles. Une première version d'un appareil microfluidique a ainsi été développée et brevetée au cours de l'ERC advanced REE-CYCLE (2013-2019, PI T. Zemb et co-PI J.-C. Gabriel) qui permet de mesurer simultanément par spectroscopie infrarouge dans un guide d'onde creux, les pressions partielles des composants volatils, grâce à un réservoir de microfluidique. Ce dispositif expérimental prototype a été validé sur des systèmes simples (eau salée, ou mélange eau/ethanol).1,2 Le dispositif a permis de reproduire avec précision les valeurs déjà tabulées. La fin de l'ERC et le déménagement de la plateforme microfluidique à Singapour puis à Saclay nous ont empêchés d'aller plus loin dans la mise en pratique de cet outil unique au monde. Mesurer et simuler les valeurs d'activité chimiques des constituants lors de réaction d'extraction liquide-liquide de métaux critiques. L'objectif de ce projet ACTBYMICROFLU est de démontrer le potentiel applicatif de cet outil, unique et breveté,3 pour la simulation et le développement rapide de procédés, en s'intéressant aux cas concrets importants suivant : (i) l'étude des mélanges : étape clé non seulement en microfluidique, mais aussi en hydrométallurgie, pour rationaliser les observations expérimentales (parfois fausse car le mélange apparait homogène à l'échelle sub-micronique, mais n'est pas fini cinétiquement à l'échelle moléculaire); (ii) l'étude accélérée de l'activité des espèces volatiles à proximité des points critiques de diagrammes de phases ternaires,4 notamment à base d'hydrotropes d'intérêt industriel et/ou récemment brevetés au CEA. Il s'agira notamment d'élargir le champ applicatif des procédés d'extraction utilisant des saumures. L'approche microfluidique couplant la mesure des activités des solvants et celles des ions par XRF, permet d'obtenir très rapdiement des résultats et d'ainsi d'accélérer la vitesse de développement ou d'adaptation des procédés. Cela nous perttra aussi : (a) de valider le premier modèle prédictif d'hydrométallurgie (collab. ICSM/Univ. Regensburg) ;5,6 (b) d'élargir le champ prédictif des calculs d'activités par IA, comme cela a récement été prouvé par Dr. Guillaume Zante de notre groupe, qui co-encadrera cette thèse sur ce point ;7 (iii) Autour de points particuliers de domaine monophasique où se forment des agrégats « pre-ouzo », ce qui pourrait déboucher sur de nouvelles méthodes pratiques d'extraction

Ce type d'études serait totalement inédit et permettrait de vérifier expérimentalement pour la première fois les prédictions de stabilité de fluides complexes.5,6