Brevet FR3134317A1 — publié le 20231013

L’invention concerne un procédé (100) de simulation d’adsorption sélective de lithium à partir d’une saumure. On y met en œuvre les étapes suivantes : - un utilisateur fournit (102, 103, 104, 105, 106) à des moyens de calcul informatique au moins des données d’un solide activé, d’une solution de saumure comprenant des ions lithium et d’une colonne d’injection destinée à permettre l’injection de la solution de saumure dans le solide activé ; - les moyens de calcul informatique déterminent (109, 110), à partir des données fournies, un modèle spécifique du solide, de la solution et de la colonne ; - les moyens de calcul informatique appliquent (111, 112, 113, 114) au modèle spécifique une loi prédéterminée de réaction d’échange ; - les moyens de calcul informatique présentent (115) à l'utilisateur une donnée relative à l’évolution de l’adsorption sélective estimée. Figure pour l’abrégé : figure 2 Simulation d’extraction de lithium L’invention concerne l’extraction de lithium, en particulier l’adsorption sélective de lithium par un solide activé. La production de lithium est essentiellement assurée par deux filières se distinguant l’une de l’autre par la forme sous laquelle le lithium se présente dans le milieu naturel : dans des minéraux, tels que le spodumène, ou dans des saumures, que sont les salars, les lacs salés et les eaux géothermales. L’extraction de lithium depuis des saumures est réalisée grâce à un solide activé, placé dans une colonne d’injection à travers laquelle la saumure est injectée, les cavités du solide activé recueillant alors des ions lithium provenant de cette saumure. Ce type d’extraction depuis des saumures est économiquement plus intéressante qu’une extraction depuis des minéraux. Cependant, les principales saumures exploitées à cet effet sont situées en Amérique du Sud, en Chine et aux États-Unis, ce qui rend l’extraction contraignante et dépendante vis-à-vis des territoires concernés. Pour continuer à extraire du lithium depuis des saumures, et ce de manière plus simple et indépendante, il est donc devenu nécessaire d’investiguer de nouveaux gisements, notamment dans des eaux géothermales en Europe. Cependant, la réussite d’une extraction varie énormément en fonction des compositions chimiques des saumures, des conditions physiques d’extraction, des paramètres de dimensionnement de l’installation d’extraction choisie et de la composition du solide activé. Pour chaque nouveau gisement potentiel, il est donc nécessaire d’estimer dans quelle mesure l’extraction depuis le gisement serait fructueuse, et le cas échéant quels seraient les paramètres les plus appropriés à l’installation d’une unité d’extraction sur ce gisement. Dans l’état de la technique, on a généralement pour pratique d’effectuer des essais expérimentaux d’extraction, en reproduisant le mieux possible la composition chimique d’une saumure prédéterminée ainsi que les conditions de température et d’extraction envisagées, et en les appliquant à un solide activé dans une colonne d’injection fabriquée à cet effet en laboratoire. Cela permet d’essayer de comprendre le comportement du solide activé, et ce que l’on peut attendre d’une extraction dans un gisement déterminé. Cependant, ces essais expérimentaux sont coûteux, complexes et longs. De plus, Il est nécessaire de les multiplier et de tester différents solides ou différentes conditions, sans pouvoir faire varier l’ensemble des paramètres. Ainsi, ils ne permettent pas de généraliser les résultats obtenus à d’autres compositions chimiques de saumure ou de solide ou à d’autres conditions d’extraction. Enfin, ils ne permettent pas de comprendre finement les mécanismes en jeu dans le phénomène d’adsorption sélective. On connaît également dans l'état de la technique des tentatives de modélisation du phénomène d’adsorption sélective, notamment du document « Prodromou (2016) : Lithium adsorption on amorphous aluminium hydroxides and gibbsite », qui évoque une tentative de modélisation de l’adsorption du lithium selon une approche de type Freundlich, et du document « Jiang, Yang, Sun and Yu, (2019) : Adsorption of lithium ions on lithium-aluminium hydroxydes : Equilibirum and kinetics », qui traite d’une modélisation incluant la notion de cinétique réactionnelle. Cependant, en comparaison des essais expérimentaux, il apparaît que ces modélisations limitées ne reproduisent pas fidèlement la réalité des phénomènes en jeu. Ils ne permettent donc pas de comprendre les mécanismes en jeu lors de l’adsorption sélective, ni d’estimer la faisabilité d’une extraction dans un gisement déterminé, encore moins d’estimer un dimensionnement d’une installation de gisement. L'invention a notamment pour but de prédire de façon fiable les résultats d’un procédé d’extraction en fonction d’une grande variété de paramètres possibles, de manière simple, rapide et économique. Elle a également pour but de prédire le potentiel d’un gisement. Elle a également pour but de permettre la conception d’une installation d’extraction optimisée pour le gisement. Il s’agit enfin de comprendre les mécanismes en jeu dans le phénomène d’adsorption sélective. A cet effet l’invention a pour objet un procédé de simulation d’adsorption sélective de lithium à partir d’une saumure, dans lequel on met en œuvre les étapes suivantes : - un utilisateur fournit à des moyens de calcul informatique au moins une donnée spécifique d’un solide activé à modéliser, au moins une donnée spécifique d’une solution de saumure à modéliser et comprenant des ions lithium, et au moins une donnée spécifique d’une colonne d’injection à modéliser et destinée à permettre l’injection de la solution de saumure dans le solide activé ; - les moyens de calcul informatique déterminent, à partir des données fournies, un modèle spécifique du solide, de la solution et de la colonne ; - les moyens de calcul informatique appliquent au modèle spécifique au moins une loi prédéterminée de réaction d’échange, la loi concernant au moins une réaction d’échange entre d’une part au moins une paire ionique comprenant au moins un ion lithium et d’autre part au moins un site d’échange ionique de solide activé, de manière à estimer une évolution de l’adsorption sélective de lithium de la solution par le solide activé dans la colonne d’injection ; - les moyens de calcul informatique présentent à l'utilisateur au moins une donnée relative à l’évolution de l’adsorption sélective estimée. Ainsi, les moyens de calcul informatique déterminent, grâce aux données fournies, une modélisation précise d’une extraction de lithium, puis estiment, à partir de la loi de réaction d’échange, quelle sera l’évolution de l’adsorption. La loi de réaction d’échange prédéterminée, qui est fondée directement sur la réaction entre un site d’échange d’un solide et une paire ionique comprenant du lithium, permet aux moyens de calcul de prédire l’évolution de l’adsorption quels que soient les autres paramètres retenus. Ainsi, l’utilisateur peut tester différentes compositions de saumures, différents types de solides activés, différentes températures, différents dimensionnements de la colonne d’injection ou conditions physiques d’extraction, afin de comparer les résultats de ces différentes simulations. Le procédé permet donc de prédire de façon fiable les résultats d’une extraction dans un grand nombre de configurations, et donc de mieux comprendre les mécanismes en jeu dans le phénomène d’adsorption sélective, et vice et versa. Ce procédé permet également de prédire les résultats d’une extraction pour un gisement donné et pour une installation d’extraction donnée. De préférence, au moins certains des sites d’échange ionique, de préférence chaque site d’échange ionique, correspond à un modèle de cavité dans un minéral du solide activé à modéliser. Ainsi, les moyens tirent parti d’équations générales relatives à des échanges ioniques réalisées dans les cavités de minéraux, en les appliquant aux données fournies. Avantageusement, la donnée spécifique du solide activé concerne des proportions dans le solide activé de sites d’échange présentant un niveau fort d’adsorption sélective et de sites d’échange présentant un niveau d’adsorption sélective faible, les moyens de calcul informatique associant au niveau fort une valeur de sélectivité plus élevée qu’une valeur de sélectivité associée au niveau faible. Ainsi, les moyens simulent la présence de deux types de sites, ceux à adsorption forte, et ceux à adsorption faible, de manière à être le plus précis possible. De préférence, le solide activé à modéliser comprenant différentes perméabilités, la donnée spécifique du solide activé concerne les positions respectives dans le solide d’au moins une zone à forte perméabilité et d’au moins une zone à faible perméabilité. Ainsi, les moyens simulent la présence de différentes perméabilités dans le solide, de manière à être le plus précis possible. Avantageusement, la donnée spécifique du solide concerne en outre une valeur d’un coefficient de diffusion ionique à associer à au moins l’une des zones. Ainsi, il est possible de configurer précisément la porosité et la perméabilité des couches. De préférence, le solide activé comprend une zone à forte perméabilité et deux zones à faible perméabilité. Ainsi, par défaut les moyens appliquent un modèle approprié aux solides activés réels, qui comprennent généralement cette structure. Avantageusement, la donnée spécifique du solide activé concerne en outre des répartitions des sites d’échange à niveau fort d’adsorption et des sites d’échange à niveau faible d’adsorption au sein des zones à faible perméabilité et à forte perméabilité, les sites à faible niveau étant situés uniquement dans des zones à forte perméabilité. Ainsi, là encore le modèle par défaut est proche du solide activé réel qui comprend des sites de faible adsorption uniquement dans les zones à forte perméabilité, autrement appelés « zones mobiles ». De préférence, la donnée spécifique du solide activé concerne en outre le type d’ion d’au moins un des sites d’échanges ionique. Ainsi, il est possible de préciser quel est le type d’échange ionique concerné par la simulation. La simulation est donc applicable à différents types d’ions. Avantageusement, les moyens de calcul informatique mettent en œuvre le formalisme de Pitzer pour modéliser une activité ionique dans la solution de saumure à modéliser. Ainsi, les moyens tirent parti d’un formalisme déjà connu, en ce qui concerne la modélisation de l’activité ionique en solution. De préférence, la donnée relative à l’adsorption présentée à l’utilisateur concerne au moins une courbe de percée ou au moins un isotherme d’adsorption. Ces éléments sont les résultats de la simulation. Avantageusement, la donnée spécifique de la solution de saumure à modéliser concerne une composition de la solution. Ainsi, il est possible de préciser les différents éléments de la solution de saumure et leurs concentrations respectives. De préférence, la donnée spécifique de la colonne d’injection à modéliser concerne une dimension de la colonne, un débit d’une solution injectée et/ou une durée d’injection. Ainsi, il est possible de préciser de nombreux paramètres des éléments impliqués dans l’adsorption. On prévoit également selon l’invention un procédé de conception virtuelle d’une installation d’extraction de lithium à partir d’une saumure réelle, dans lequel on met en œuvre les étapes suivantes : - on obtient une composition réelle de la saumure réelle ; - on choisit une ou des données virtuelles d’un solide activé à modéliser et une ou des données virtuelles d’une colonne d’injection à modéliser ; - on modélise l’adsorption sélective de Lithium de la saumure réelle conformément à l’une quelconque des revendications précédentes, la donnée spécifique de la solution de saumure à modéliser correspondant à la composition réelle obtenue, les données spécifique du solide et de la colonne correspondantes aux données virtuelles choisies, de manière à concevoir une installation d’extraction comprenant les données virtuelles du solide activé et de la colonne choisies pour extraire du lithium de la saumure réelle. Ainsi, à partir de l’identification d’une saumure réelle, le procédé rend possible de tester par avance quelle solution d’extraction pourrait être mis en place et quels seraient ses résultats. Il devient dès lors possible de concevoir de manière précise une unité d’extraction de lithium, et de déterminer les paramètres adéquates précis, à moindre coût et rapidement. Avantageusement, on réitère l’étape de modélisation en modifiant les données virtuelles choisies, de manière à concevoir une installation d’extraction différente de l’installation précédemment conçue. Ainsi, on peut tester différentes configurations. On prévoit également selon l’invention un programme d'ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par un ordinateur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre les étapes du procédé décrit ci-avant. On prévoit également selon l’invention un support d'enregistrement lisible par ordinateur comprenant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre les étapes du procédé décrit ci-avant. On prévoit également selon l’invention un périphérique informatique comprenant des moyens de calcul informatique aptes à mettre en œuvre les étapes du procédé décrit ci-avant. On prévoit également selon l’invention un procédé de construction d’une installation d’extraction de lithium sur une saumure, dans lequel on conçoit virtuellement l’installation d’extraction de lithium au moyen du procédé décrit ci-avant, puis on fabrique sur la saumure l’installation conçue virtuellement. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : est un schéma d’un système selon un mode de réalisation de l’invention permettant la mise en œuvre de procédés selon l’invention ; est un schéma d’un procédé de simulation selon un mode de mise en œuvre de l’invention ; est un schéma d’un solide activé obtenu par le procédé de la ; est un schéma de données relatives à l’évolution d’une adsorption obtenu par le procédé de la ; est un schéma d’un procédé de conception selon un mode de mise en œuvre de l’invention ; est un schéma d’un procédé de fabrication selon un mode de mise en œuvre de l’invention. Procédé (100) de simulation d’adsorption sélective de lithium à partir d’une saumure, caractérisé en ce qu’on met en œuvre les étapes suivantes : - un utilisateur (2) fournit (102, 103, 104, 105, 106) à des moyens de calcul informatique (10) au moins une donnée spécifique d’un solide activé à modéliser, au moins une donnée spécifique d’une solution de saumure à modéliser et comprenant des ions lithium, et au moins une donnée spécifique d’une colonne d’injection à modéliser et destinée à permettre l’injection de la solution de saumure dans le solide activé ; - les moyens de calcul informatique (10) déterminent (109, 110), à partir des données fournies, un modèle spécifique (20) du solide, de la solution et de la colonne ; - les moyens de calcul informatique (10) appliquent (111, 112, 113, 114) au modèle spécifique au moins une loi prédéterminée de réaction d’échange, la loi concernant au moins une réaction d’échange entre d’une part au moins une paire ionique comprenant au moins un ion lithium et d’autre part au moins un site d’échange ionique de solide activé, de manière à estimer une évolution de l’adsorption sélective de lithium de la solution par le solide activé dans la colonne d’injection ; - les moyens de calcul informatique (10) présentent (115) à l'utilisateur (2) au moins une donnée relative à l’évolution de l’adsorption sélective estimée. Procédé (100) selon la revendication précédente, dans lequel le ou au moins certains des sites d’échange ionique, de préférence chaque site d’échange ionique, correspond à un modèle de cavité dans un minéral du solide activé à modéliser. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la donnée spécifique du solide activé concerne des proportions dans le solide activé de sites d’échange (25) présentant un niveau fort d’adsorption sélective et de sites d’échange (24) présentant un niveau d’adsorption sélective faible, les moyens de calcul informatique (10) associant au niveau fort une valeur de sélectivité plus élevée qu’une valeur de sélectivité associée au niveau faible. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, le solide activé à modéliser comprenant différentes perméabilités, la donnée spécifique du solide activé concerne les positions respectives dans le solide d’au moins une zone à forte perméabilité et d’au moins une zone à faible perméabilité. Procédé (100) selon la revendication précédente, dans lequel la donnée spécifique du solide concerne en outre une valeur d’un coefficient de diffusion ionique à associer à au moins l’une des zones. Procédé (100) selon au moins la revendication 4, dans lequel le solide activé comprend une zone (21) à forte perméabilité et deux zones (22, 23) à faible perméabilité. Procédé (100) selon au moins les revendications 3 et 5, dans lequel la donnée spécifique du solide activé concerne en outre des répartitions des sites d’échange (25) à niveau fort d’adsorption et des sites d’échange (24) à niveau faible d’adsorption au sein des zones à faible perméabilité (22, 23) et à forte (21) perméabilité, les sites à faible niveau étant situés uniquement dans la ou les zone (21) à forte perméabilité. Procédé (100) selon la revendication précédente, dans lequel la donnée spécifique du solide activé concerne en outre le type d’ion d’au moins un des sites d’échanges ionique. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de calcul informatique (10) mettent en œuvre le formalisme de Pitzer pour modéliser une activité ionique dans la solution de saumure à modéliser. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans la donnée relative à l’adsorption présentée à l’utilisateur concerne au moins une courbe de percée (30) ou au moins un isotherme d’adsorption. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la donnée spécifique de la solution de saumure à modéliser concerne une composition de la solution. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, la donnée spécifique de la colonne d’injection à modéliser concerne une dimension de la colonne, un débit d’une solution injectée et/ou une durée d’injection. Procédé (200) de conception virtuelle d’une installation d’extraction de lithium à partir d’une saumure réelle, dans lequel on met en œuvre les étapes suivantes : - on obtient (210) une composition réelle de la saumure réelle, - on choisit (230) une ou des données virtuelles d’un solide activé à modéliser et une ou des données virtuelles d’une colonne d’injection à modéliser ; - on modélise l’adsorption sélective de Lithium de la saumure réelle conformément à l’une quelconque des revendications précédentes, la donnée spécifique de la solution de saumure à modéliser correspondant à la composition réelle obtenue, les données spécifique du solide et de la colonne correspondantes aux données virtuelles choisies, de manière à concevoir une installation d’extraction comprenant les données virtuelles du solide activé et de la colonne choisies pour extraire du lithium de la saumure réelle. Procédé (200) selon la revendication précédente, dans lequel on réitère (250) l’étape de modélisation en modifiant les données virtuelles choisies, de manière à concevoir une installation d’extraction différente de l’installation précédemment conçue. Programme d'ordinateur (15) comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par un ordinateur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre les étapes du procédé (100, 200, 300) de simulation selon l’une quelconque des revendications 1 à 12 ou du procédé de conception selon l’une des revendications 13 et 14. Support d'enregistrement (12, 13) lisible par ordinateur comprenant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre les étapes du procédé (100, 200, 300) de simulation selon l’une quelconque des revendications 1 à 12 ou du procédé de conception selon l’une des revendications 13 et 14. Périphérique informatique (10) comprenant des moyens de calcul informatique aptes à mettre en œuvre les étapes du procédé (100, 200, 300) de simulation selon l’une quelconque des revendications 1 à 12 ou du procédé de conception selon l’une des revendications 13 et 14. Procédé (300) de construction d’une installation d’extraction de lithium sur une saumure, dans lequel on conçoit (310) virtuellement l’installation d’extraction de lithium au moyen du procédé selon l’une des revendications 13 et 14, puis on fabrique (320) sur la saumure l’installation conçue virtuellement.