Brevet FR3040060A1 — publié le 20170217

PROCÉDÉS D'EXTRACTION ET DE RÉCUPÉRATION DU TANTALE PRÉSENT DANS UNE PHASE AQUEUSE ACIDE AU MOYEN D'UN LIQUIDE IONIQUE, ET UTILISATION D'UN TEL LIQUIDE IONIQUE POUR EXTRAIRE LE TANTALE D'UNE PHASE AQUEUSE ACIDE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine de l'extraction du tantale d'une phase aqueuse acide dans laquelle ce tantale est présent. Elle se rapporte plus particulièrement à un procédé d'extraction du tantale d'une phase aqueuse acide, ce procédé d'extraction comprenant la mise en contact de cette phase aqueuse avec une phase non miscible à l'eau. L'invention se rapporte également à un procédé de récupération du tantale présent dans une phase aqueuse acide qui met en oeuvre le procédé d'extraction qui vient d'être mentionné. La présente invention se rapporte encore à l'utilisation d'un extractant particulier, pour extraire le tantale d'une phase aqueuse acide dans laquelle il est présent. La phase aqueuse acide dont peut être extrait, ou à partir de laquelle peut être récupéré, le tantale peut notamment être une solution d'attaque acide d'un concentré de minerais ou de déchets comprenant ledit tantale. La présente invention trouve notamment application dans le traitement de minerais naturels et/ou de déchets industriels, tels que des déchets d'équipement électriques et électroniques, en vue de valoriser le tantale présent dans ces derniers. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le tantale, de symbole Ta, est un métal de transition qui présente un point de fusion élevé, une très grande résistance à la corrosion des acides ainsi que de bonnes propriétés de conduction électrique et de conduction thermique. Le tantale est, à ce jour, utilisé dans de nombreux domaines et, notamment, dans l'industrie chimique, 3040060 2 l'aéronautique, le médical, l'électronique et, plus particulièrement, pour la fabrication de condensateurs. La principale source de tantale provient actuellement de minerais, en particulier de la colombo-tantalite dans laquelle cet élément chimique est associé au 5 niobium. Le reste de la production de tantale provient du traitement de scories d'étain ainsi que du recyclage de déchets industriels. Les procédés actuellement utilisés pour récupérer le tantale à partir de ces minerais naturels ou industriels consistent à soumettre ces minerais, préalablement broyés, à des traitements chimiques pour obtenir un concentré minéral, lequel est alors 10 soumis à une attaque chimique classiquement réalisée au moyen d'un ou de plusieurs acides inorganiques. La solution dite "solution d'attaque acide" ainsi obtenue est alors soumise à un traitement hydro-métallurgique basé sur la technique d'extraction liquide-liquide, qui consiste à mettre en contact la phase aqueuse constituée par cette solution d'attaque acide avec une phase organique comprenant un ou plusieurs extractants, pour 15 obtenir l'extraction de ce tantale. De nombreux extractants ont été développés pour extraire le tantale d'une telle phase aqueuse acide. À titre d'exemples, on peut citer les dérivés phosphorés tels que le phosphate de tri-n-butyle (ou TBP) et l'oxyde de trioctylphosphine (ou TOPO), les amines grasses, les sulfoxides, les alcools gras tels que l'octan-2-ol, et les cétones 20 telles que la cyclohexanone et la méthylisobutylcétone (ou MIBK), ces extractants étant, le cas échéant, en solution dans un solvant ou diluant organique. La MIBK, le TBP, la cyclohexanone et l'octan-2-ol font partie des extractants qui sont utilisés industriellement pour extraire le tantale d'une phase aqueuse acide, étant précisé que la MIBK reste l'extractant le plus utilisé à ce jour. Néanmoins, la MIBK, qui présente une forte volatilité et un point d'éclair (ou point d'inflammabilité) de 14°C, est très inflammable, ce qui pose des problèmes de sécurité industrielle mais également de sécurité environnementale. Pour satisfaire des besoins en tantale en perpétuelle augmentation, en recourant notamment à la valorisation des déchets industriels et domestiques contenant ce métal, il serait souhaitable de disposer d'un extractant qui, tout en ayant une aptitude 3040060 3 remarquable à extraire le tantale d'une phase aqueuse acide, soit d'une manière générale exempt des inconvénients présentés par les extractants utilisés à ce jour. Les Inventeurs se sont donc fixé pour but de proposer un procédé permettant d'extraire le tantale présent dans une phase aqueuse acide, avec un 5 rendement et une sélectivité, vis-à-vis des autres métaux et impuretés également présents dans cette phase aqueuse acide, qui soient remarquables et ce, dans des conditions de sécurité industrielle et de sécurité environnementale optimisées. EXPOSÉ DE L'INVENTION Ce but précédemment énoncé ainsi que d'autres sont atteints, en 10 premier lieu, par un procédé d'extraction du tantale d'une phase aqueuse Al acide du type précité, c'est-à-dire par un procédé comprenant au moins une étape comprenant la mise en contact de la phase aqueuse Al avec une phase A2 non miscible à l'eau, puis la séparation de la phase aqueuse Al de la phase A2. Selon l'invention, la phase A2 est constituée par un liquide ionique ou 15 un mélange de liquides ioniques en tant qu'extractant. Comme clairement établi par la littérature scientifique, un liquide ionique est un sel possédant une température de fusion inférieure à 100 °C et souvent même inférieure à la température ambiante. Un liquide ionique est typiquement constitué d'un cation organique et d'un anion qui peut être organique ou inorganique. 20 Les liquides ioniques se caractérisant par une grande stabilité thermique, par une tension de vapeur quasi nulle (ce qui leur interdit toute évaporation dans l'atmosphère) ainsi que par une très faible inflammabilité, ils sont employés comme substituts aux solvants organiques traditionnels qui sont couramment mis en oeuvre dans les réactions chimiques. 25 Or, les Inventeurs ont constaté, de manière inattendue et surprenante, qu'une phase A2 constituée par un liquide ionique, ou par un mélange de liquides ioniques, permet d'extraire, de manière performante et sélective, le tantale présent dans une phase aqueuse acide. Ainsi, le liquide ionique ou le mélange de liquides ioniques 3040060 4 assure non seulement la fonction de solvant ou diluant organique mais également celle d'extractant. Lorsque l'on indique que cette phase A2 peut être constituée par un liquide ionique ou par un mélange de liquides ioniques, on entend que cette phase A2 ne 5 comprend aucun autre solvant ou diluant organique, ce qui permet d'optimiser les conditions de sécurité industrielle et de sécurité environnementale ainsi que de simplifier la gestion du procédé d'extraction, en limitant le nombre de composés mis en oeuvre. Dans une variante avantageuse de l'invention, la phase A2 est constituée par un liquide ionique, c'est-à-dire que cette phase A2 n'est constituée que par 10 un seul liquide ionique. Mais rien n'interdit d'envisager que cette phase A2 soit constituée par un mélange de deux, trois, voire plus, liquides ioniques. Par définition, le liquide ionique ou les liquides ioniques qui constituent le mélange comprennent un cation organique et un anion. Du point de vue de la 15 nomenclature, le cation est noté entre crochets et indiqué en premier. Dans une variante avantageuse de l'invention, l'anion du ou des liquides ioniques est un anion organique, avantageusement choisi parmi le bis(trifluorométhanesulfonyl)imide, symbolisé par "NTf2", l'hexafluorophosphate, noté "PF6", et le bis-(fluorosulfonyl)imide, noté "N(SO2F)2" ou "FSI". 20 Dans une variante préférentielle de l'invention, l'anion organique est le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide NTf2. Dans une variante avantageuse de l'invention, le cation organique du ou des liquides ioniques comprend un groupement azoté choisi dans le groupe constitué par un ammonium quaternaire, cyclique ou non cyclique, un phosphonium, un pipéridinium, 25 un pyridinium, un pyrrolidinium, un pipérazinium et un imidazolium, étant précisé que ces groupements azotés sont respectivement symbolisés par "A", "P", "Pip", "Py", "Pyr", "Piperaz" et "IM". L'ammonium quaternaire peut notamment être un tétraal kyla m mon iu m. 3040060 5 Dans une variante plus avantageuse encore de l'invention, le cation organique du ou des liquides ioniques comprend un groupement azoté choisi dans le groupe constitué par un pipéridinium, un pyridinium, un pyrrolidinium, un pipérazinium et un imidazolium. 5 Dans une première version plus particulièrement avantageuse de l'invention, ce cation organique est choisi dans le groupe constitué par un dialkylpipéridinium, un alkylpyridinium, un N,N'-dialkylpipérazinium et un N,N'- dialkylimidazolium. Dans la suite de la présente demande, un liquide ionique comprenant un tel cation organique comprenant ce ou ces groupes alkyle est appelé "liquide ionique 10 non fonctionnalisé". Ce ou ces groupes alkyle, avantageusement en C1 à C10, peuvent être linéaires ou ramifiés. Ils sont symbolisés par la première lettre du ou des groupes alkyles portés par le cation, à gauche du symbole dudit cation. À titre d'exemples de liquides ioniques non fonctionnalisés, lorsque 15 l'anion est le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide NTf2, on peut citer les liquides ioniques suivants : 20 le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide d'éthylbutylpipéridinium, symbolisé par [EBPip]NTf2, de formule : em-f2I / \e9 N..................../ \ / - le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de N-butyl-N- méthylimidazolium, symbolisé par [BMIM]NTf2, de formule : e NTf 2 /-'\,a ...', Ns.sete,N ........................'/ Dans une deuxième version plus particulièrement avantageuse de l'invention, ce cation organique peut, en outre, comprendre au moins un groupement 25 fonctionnel choisi parmi une cétone, un alcool, un phosphonate et un oxyde de phosphine. Dans la suite de la présente demande, un liquide ionique comprenant un tel 3040060 6 cation organique comprenant ce ou ces groupements fonctionnels est appelé "liquide ionique fonctionnalisé". Un liquide ionique fonctionnalisé peut également comprendre un ou plusieurs groupes tels qu'un groupe alkyle, linéaire ou ramifié, ou un groupe aromatique, 5 éventuellement substitué. * Des liquides ioniques comprenant une fonction cétone, c'est-à-dire des liquides ioniques dont le cation organique comprend une fonction cétone, peuvent être synthétisés selon différentes voies, telles que les voies A, B et C explicitées ci-après. Voie A 10 Selon la voie A, la synthèse de tels liquides ioniques peut mettre en oeuvre la réaction (1) suivante : 0 )12.1 cétone cétone a-halogénée Composé I cat SO3H R2-N-R3 I 124e_ R1 Pour l'obtention du liquide ionique mis en oeuvre dans le cadre de la 15 présente invention, l'anion halogénure X- du Composé I est échangé par l'anion NTf2- selon la réaction (1') suivante : Composé I Dans les composés dans les réactions (1) et (1') ci-dessus, R1 peut notamment être un groupe alkyle, linéaire ou ramifié, un groupe aromatique, 20 éventuellement substitué. À titre d'exemples, R1 peut être un groupe n-alkyle, un groupe isobutyle, un groupe tertiobutyle, un groupe phényle ou encore un groupe tolyle. Voie B La synthèse de liquides ioniques selon la voie B est illustrée par celle du bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de 1-éthyl-4-oxopentyl-pipéridinium, [EPipP4K]NTf2, xe R1 LiNTf2 Composé LI (1) 3040060 7 à partir de l'acétylbutyrolactone qui met en oeuvre les réactions (2) et (2') successives suivantes : H Br o 0 0/\/'1:r (2) N ) Br H 5-bromopentan-2-o ne acétylbutyrolactone 5-(pipéridin yl)pentan-2-one 5 EtBr, CH3CN e (2') r Br ®Nr 0 5-(pipéridinyl)pentan-2-one bromure de 1-éthyl-4-oxopentyl-pipéridinium [EPipP4K]Br Pour l'obtention du liquide ionique mis en oeuvre dans le cadre de la présente invention, l'anion bromure Br échangé par l'anion NTf2- selon la réaction (2") 10 suivante : e LiNTf2 0 (2") r Br r- ON'r NTf2 0 N 0 [EPipP4K]Br [EPipP4K]NTf2 Voie C Selon la voie C, un liquide ionique comprenant une fonction cétone peut 15 être synthétisé selon la réaction (3) suivante : 1) X (3) 2) LiNTf2, H2O e NTf2 F-\0/ o -N N /--\ -N N- \_/ À titre d'exemples de liquides ioniques fonctionnalisés comprenant une fonction cétone et l'anion NTf2-, on peut citer les liquides ioniques suivants : 3040060 8 le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de N-éthyl-N-(4-méthy1-2- oxopenty1)-pipéridinium, [EPipM1BK]NTf2, de formule e NTf2 ) O ju LEPipMIBMNTf2 N-éthyl-N-acétophénone le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de pipéridinium, [EPipAcP]NTf2, de formule [EPipAcP]NTf2 le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de N-éthyl-N-4'- méthylacétophénone pipéridinium, [EPipMAcP]NTf2, de formule [EPipMAcP]NTf2 le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de N-méthyl-N-(4-méthy1-2- oxopentyl)imidazolium, [MIMMIBK]NTf2, de formule e NTf2 /-\ 032 N [MIMMIBK]NTf2 - le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de N-(4-méthy1-2- oxopentyl)pyridinium, [PyMIBK]NTf2, de formule 0 Tf2 0 NO \ N [PyMIBK]NTf2 le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de N-éthyl-N-pinacolone pipéridinium, [EPipPin]NTf2, de formule N ,....,,,,,'.'1,5,N 3040060 le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de N-méthyl-N-pinacolone- imidazolium, [MIMPir]NTf2, de formule 0 NTf2 (2..._''y ,','-N,,,e: [MIMPin]NTf2 5 le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de 1-éthyl-4-oxopentyl- pipéridinium, [EPipP4K]NTF2, de formule 0 NTf2 ) O 0 le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de N,N-1,4-diméthyl-N-(4- méthy1-2-oxopentyl)pipérazinium, [MMPiperazMlBK]NTf2, de formule e 10 -N\...k._...( /-\0/ 0 NTf2 * Des liquides ioniques comprenant une fonction alcool, c'est-à-dire des liquides ioniques dont le cation organique comprend une fonction alcool, peuvent être synthétisés selon la réaction (4) suivante : D LiNTf _ ,R2 0 2 R3 R2 C I R3Wie N Tf2 (4) / OH / OH 15 R4 R4 À titre d'exemple de liquide ionique fonctionnalisé comprenant une fonction alcool et l'anion NTf2-, on peut citer le liquide ionique suivant : - le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de choline, [Chol]NTf2, de formule 9 0 NTf2 0 O )Ll REVENDICATIONS1. Procédé d'extraction du tantale d'une phase aqueuse Al acide comprenant au moins une étape comprenant la mise en contact de la phase aqueuse Al avec une phase A2 non miscible à l'eau, puis la séparation de la phase aqueuse Al de la phase A2, caractérisé en ce que la phase A2 est constituée par un liquide ionique ou un mélange de liquides ioniques en tant qu'extractant. 2. Procédé d'extraction selon la revendication 1, dans lequel la phase A2 est constituée par un liquide ionique. 3. Procédé d'extraction selon la revendication 1 ou 2, dans lequel leou les liquides ioniques comprennent un cation organique et un anion, ledit cation organique comprenant un groupement azoté choisi dans le groupe constitué par un ammonium quaternaire, cyclique ou non cyclique, un phosphonium, un pipéridinium, un pyridinium, un pyrrolidinium, un pipérazinium et un imidazolium. 4. Procédé d'extraction selon la revendication 3, dans lequel le cation organique est choisi dans le groupe constitué par un pipéridinium, un pyridinium, un pyrrolidinium, un pipérazinium et un imidazolium. 5. Procédé d'extraction selon la revendication 4, dans lequel le cation organique est choisi dans le groupe constitué par un dialkylpipéridinium, un alkylpyridinium, un N,N'-dialkylpipérazinium et un N,N'-dialkylimidazolium. 6. Procédé d'extraction selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le cation organique comprend, en outre, au moins un groupement fonctionnel choisi parmi une cétone, un alcool, un phosphonate et un oxyde de phosphine. 3040060 51 7. Procédé d'extraction selon la revendication 6, dans lequel le groupement fonctionnel est un phosphonate. 8. Procédé d'extraction selon l'une quelconque des revendications 3 à 5 7, dans lequel l'anion est choisi parmi le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide, l'hexafluorophosphate et le bis(fluorosulfonyl)imide et est, avantageusement, le bis(trifluorométhanesulfonyl)imide. 9. Procédé d'extraction selon la revendication 8, dans lequel le 10 liquide ionique est choisi parmi : le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de N-éthyl-N-(4-méthy1-2- oxopentyl)pipéridinium, le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de N-méthyl-N-(4-méthy1-2- oxopentyl)imidazolium, 15 le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de N-(4-méthy1-2- oxopentyl)pyridinium, le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de (4-(dibutoxyphosphoryI)- butyl)éthylpipéridinium, le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide d'éthylbutylpipéridinium, et 20 le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide de méthylimidazolium. 10. Procédé d'extraction selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, qui est mis en oeuvre à température ambiante. 25 11. Procédé de récupération du tantale présent dans une phase aqueuse Al acide, caractérisé en ce qu'il comprend : (a) l'extraction du tantale de la phase aqueuse Al par un procédé d'extraction selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 ; et (b) la désextraction dudit tantale présent dans la phase A2 telle qu'obtenue à l'issue de l'étape (a). 3040060 52 12. Procédé de récupération selon la revendication 11, dans lequel l'étape (b) de désextraction comprend la mise en contact de cette phase A2 avec une phase aqueuse A3 dont le pH est inférieur ou égal à 7, puis la séparation de la phase A2 5 de la phase aqueuse A3. 13. Procédé d'extraction selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 ou procédé de récupération selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que la phase aqueuse Al est une solution d'attaque acide d'un concentré d'un minerai naturel 10 ou urbain comprenant ledit tantale. 14. Procédé d'extraction ou de récupération selon la revendication 13, dans lequel la phase aqueuse Al comprend au moins un acide inorganique choisi dans le groupe constitué par l'acide fluorhydrique, l'acide sulfurique, l'acide nitrique, l'acide 15 phosphorique et l'acide chlorhydrique. 15. Procédé d'extraction ou de récupération selon la revendication 14, dans lequel la phase aqueuse Al présente une concentration molaire totale en acide(s) inorganique(s) d'au moins 0,1 mol/L, avantageusement de 1 mol/L à 14 mol/L et, 20 préférentiellement, de 3 mol/L à 9 mol/L. 16. Utilisation d'un liquide ionique ou d'un mélange de liquides ioniques en tant qu'extractant, pour extraire le tantale d'une phase aqueuse Al acide, ledit ou lesdits liquides ioniques comprenant un cation organique et un anion, ledit cation 25 organique comprenant un groupement azoté choisi dans le groupe constitué par un pipéridinium, un pyridinium, un pyrrolidinium, un pipérazinium et un imidazolium. 17. Utilisation selon la revendication 16, dans laquelle le cation organique est choisi dans le groupe constitué par un dialkylpipéridinium, un 30 alkylpyridinium, un N,N'-dialkylpipérazinium et un N,N-dialkylimidazolium. 3040060 53 18. Utilisation selon la revendication 16, dans laquelle le cation organique comprend, en outre, au moins un groupement fonctionnel choisi parmi une cétone, un alcool, un phosphonate et un oxyde de phosphine. 5 19. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, dans laquelle l'anion est le bis-(trifluorométhanesulfonyl)imide. 20. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 16 à 19, 10 dans laquelle l'extraction est réalisée par la technique d'extraction liquide-liquide.