Technologies de recyclage des PCB

Les PCB printed circuit board ou circuits imprimés, font partie intégrante des déchets électroniques en fin de vie, D3E. Les déchets propres  PCB dits « nus », ou « habillés », issus des chaines de fabrication des cartes électroniques, sont valorisés selon les mêmes technologies.

Le recyclage est réalisé par des technologies pyrométallurgiques, hydrométallurgiques et biométallurgiques.

Le prétraitement qui les précède comprend des techniques de séparation mécanique et physique des composants des déchets-PCB afin de séparer les fractions individuelles telles que : les plastiques, les céramiques, les métaux ferreux et non ferreux.

La fraction des métaux non ferreux est particulièrement importante car elle contient des métaux précieux.

Fig. 1. Schéma de récupération de métaux à partir de déchets électroniques [1].

La fraction de métaux non ferreux séparée dans l’opération de « prétraitement » est soumise à un traitement suivants :

> pyrométallurgiques,

> hydrométallurgiques

> ou biométallurgiques

afin de récupérer des métaux précieux, principalement l’or, l’argent, le palladium mais  aussi le cuivre.

Alors que les méthodes pyrométallurgiques et hydrométallurgiques sont utilisées à l’échelle industrielle, les méthodes biohydrométallurgiques sont menées actuellement sous forme de projets de recherche à l’échelle du laboratoire ou semi-technique.

Recyclage pyrométallurgique

Le recyclage pyrométallurgique des déchets de PCB est effectué par de grandes entreprises métallurgiques spécialisées, par exemple JX Nippon Mining & Metals au Japon ou Umicore en Europe. Les technologies pyrométallurgiques sont très énergivores.

Toutes les opérations de traitement, tels que l’incinération, le frittage, la fusion et l’affinage au feu sont effectués à des températures élevées et nécessitent des fours métallurgiques modernes. Les procédés pyrométallurgiques s’accompagnent d’émissions de poussières et de gaz toxiques. Lors du processus d’incinération, des polybromobiphénols (PBB), des polybromodiphényléthers (PBDE) et des polychlorobiphényles (PCB) sont libérés.

La nécessité de mettre en place des systèmes de captage et de neutralisation des gaz émis affecte significativement les coûts de recyclage.

En outre, les procédés pyrométallurgiques génèrent de grandes quantités de scories contenant des métaux lourds, dont le stockage constitue une menace pour l’environnement naturel et dont la transformation en vue du traitement et de l’utilisation est difficile.

Les difficultés techniques, environnementales et économiques présentées ci-dessus dans le traitement pyrométallurgique des déchets de PCB sont la raison pour laquelle les moyennes et petites usines n’utilisent pas cette technologie.

Recyclage hydrométallurgique

L’hydrométallurgie permet la récupération des métaux précieux contenus dans les déchets PCB en deux étapes fondamentales ci-dessous.

Extraction des métaux des PCB en solution par lixiviation réalisée avec des solutions aqueuses convenablement sélectionnées d’acides ou de bases, de sels ou de leurs mélanges

Séparation des métaux des solutions de lixiviation sous forme pure ou des composés appropriés dans les procédés de précipitation, électrodéposition, absorption, extraction, échange d’ions, cémentation.

Le recyclage hydrométallurgique des déchets PCB, par opposition au recyclage pyrométallurgique est effectué dans des entreprises plus petites mais hautement spécialisées. La société ADIMAS en fait partie. ADIMAS dispose d’une ligne technologique de lixiviation appropriés pour l’extraction des métaux ainsi que des électrolyseurs spécialement conçus pour la séparation des métaux des solutions de post extraction.

L’utilisation de technologies hydrométallurgiques pour recycler les déchets PCB présente de nombreux avantages :

-> sont hypoénérgetiques, les processus de base de lixiviation et de séparation des métaux fonctionner à des températures inférieures à 100°C et même, dans le cas de la société ADIMAS, dans la température 27°C.

-> sont respectueux de l’environnement car les médias utilisés circulent en circuits fermés,

-> permettent d’adapter facilement les paramètres de l’opération à la composition des déchets-PCB traités, ce qui augmente le rendement en métaux précieux,

– > permettent une extraction sélective des métaux en sélectionnant la séquence appropriée de solutions de lixiviation,

-> donnent la possibilité d’augmenter ou de réduire l’échelle des processus mis en œuvre ainsi que la facilité de remplacer des éléments individuels de l’appareil dans le processus technologique,

-> permettent le contrôle analytique rapide des solutions et des eaux usées collectées dans les réservoirs d’élimination,

– > ne génèrent pas de substances cancérigènes volatiles et de poussières.

Fig. 2 Schéma général du traitement hydrométallurgique des déchets électroniques [2]

• Lixiviation au cyanure

 Le processus d’utilisation du cyanure pour extraire l’or des minerais a été développé par John Stewart MacArthur en 1887.

En 1891, la mine Mercur dans l’Utah a été la première mine à obtenir un succès commercial dans la lixiviation au cyanure de minerais aurifères.

Photo : Auteur inconnu http://westernmininghistory.com/towns/utah/mercur, Public Domain https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=51622626

Durant des années, le cyanure, malgré sa toxicité, n’a pas été remplacé par un autre agent de lixiviation. Ceci est dû à l’efficacité incontestable des procédés au cyanure et aux avantages économiques. Il convient toutefois de mentionner que des recherches intensives sont menées à la fois sur l’amélioration du procédé de cyanure, et notamment sur la neutralisation efficace des cyanures dans les eaux usées et les déchets solides.

 Le procédé au cyanure pour l’extraction de l’or à partir des déchets de PCB est un procédé de pointe reconnu dans le monde. Il y a deux facteurs à cela :  le cyanure est bon marché et économique à doser, le cyanure est extrêmement efficace pour digérer l’or.

L’efficacité de lixiviation est proche de 99%.

La lixiviation au cyanure a lieu dans des cuves ou des réacteurs de conception spéciale. Le choix du réacteur dépend de la forme de la fraction PCB traitée. La solution de lixiviation est du cyanure de potassium à une concentration appropriée avec l’ajout d’acide 3-nitrobenzène sulfonique sodique dans une solution alcaline. Pour l’efficacité et la sécurité du processus de lixiviation, les paramètres suivants sont importants : pH, degré de saturation de la solution en oxygène ou en air, température, concentration en cyanure, mélange de la solution pour un bon contact de la surface du PCB avec l’agent de lixiviation. Une fois la solution de lixiviation suffisamment saturée en or, la solution est dirigée vers les électrolyseurs pour l’électrolyse de l’or.

L’électrolyse de l’or est réalisée dans des électrolyseurs de conception spéciale. ADIMAS s’est spécialisé dans la construction de tels électrolyseurs. Les paramètres d’électrolyse, le courant et le temps sont choisis en fonction de la composition chimique de la solution électrolysée. L’or est déposé sur les cathodes en laine d’acier ou autre matériaux appropriés.

Après électro-séparation de l’or, les cathodes sont fondues et la solution des électrolyseurs après ajustement de la composition est utilisée dans le processus de lixiviation suivant.

• Alternatives au cyanure

Basé sur des recherches approfondies sur la recherche des alternatives au cyanure moins toxiques pour l’extraction de l’or à la fois des minerais et des matières premières secondaires, les solutions suivantes ont été sélectionnées :

thiosulfate de sodium, thiourée et solutions de bromure et de chlorure d’iodure [3,4].

L’efficacité de lixiviation des PCB avec les solutions mentionnées ci-dessus ainsi que les solutions de cyanure et l’eau régale a été analysée à l’aide de la méthode du processus de hiérarchie analytique (AHP) [4]. Dans cette méthode, le processus de lixiviation est comparé en termes de risques économiques, environnementaux et de degré de fiabilité des performances de lixiviation. Le facteur économique comprend le temps de lixiviation, les coûts des réactifs et la corrosivité des solutions de lixiviation.

L’analyse des paramètres ci-dessus a donné le résultat final suivant du coefficient d’efficacité pour les méthodes analysées :

Tableau 1. Comparaison du taux d’efficacité des méthodes de lixiviation [4]

La lixiviation au cyanure a le taux d’efficacité de lixiviation le plus élevé. Malgré la toxicité élevée de cette substance, le cyanure dans les solutions alcalines ne constitue pas une menace, cependant, il est impératif de respecter strictement les régimes technologiques du processus et la culture technique élevée des employés.

• Biolixiviation

La biolixiviation pourrait être le processus du futur pour la récupération des métaux précieux des PCB.

Les études de lixiviation de l’or réalisées en présence de la bactérie Chromobacterium violaceum ont montré des résultats prometteurs [5]. Chromobacterium violaceum est un groupe de bactéries qui se développe et vit à des températures modérées 20-450 C. Alimentés en milieux appropriés, ils sont capables de produire des ions de cyanure, qui réagissent avec l’or en le transformant en une forme soluble. Des recherches sont également menées sur l’utilisation d’autres micro-organismes dans le processus d’extraction de l’or à partir de matériaux aurifères pouvant produire des acides organiques et des composés complexes appropriés capables de dissoudre l’or [6].

Sources

1.    1-Rai V, et al. Electrochemical Approaches for the Recovery of Metals from Electronic Waste: A Critical Review, August 2021, Recycling 6(3),pp.53

2.    2-Ashig A., et al. Hydrometallurgical Recovery of Metals From E-waste, Chapter 10, January 2019, pp. 225-240.

3.    Kasper A.C., et al, Gold recovery from printed circuit boards of mobile phones scraps using a leaching solution alternative to cyanide, Brazilian Journal of Chemical Engineering, Vol.35, No.03, pp.931-942,

4.     Yanhua Zhang et al., Current status on leaching precious metals from waste printed circuit boards, Procedia Environmental Science16 (2012) p.560

5.    E.N. Lawson, M.Barkhuzein, D.W.Dew, Gold solubilisation by the cyanide producing bacteria Chromobacterium violaceum, Process Metallurgy Volume 9, 1999, Pages 239-246.

6.     Kucmanova A. et al. Preliminary bioleaching experiment of E-waste, Res. Pap. Fac. of Mat. Scie. and Tech. In Tirana, 2021, Volume 29, Number 4

Auteur de l’article :

BARBARA avec la contribution de ELISABETH

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