Mesure et modélisation de l'activité chimique des composant de milieux complexes en hydrométallurgie // Measurement and modelling of the chemical activity of complex fluid components in hydrometallurgy

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.

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Modern extraction processes rely on the optimal use of complex fluids, the detailed understanding of which remains too empirical. To overcome this, new multi-scale simulation software packages are being developed, with one of the unknowns at the mesoscopic scale, where the aggregation of molecules, interface structures, etc. are not well understood. Chemical activity is key here, as it controls exchange and transfer processes. Understanding it allows these software packages to be validated. It must therefore be possible to measure and analyse it reliably for each component, particularly volatile ones. We proposed to do this by measuring their partial pressures. An initial version of a microfluidic device was developed and patented, which allows the partial pressures of volatile components to be measured simultaneously by infrared spectroscopy in a hollow waveguide. This experimental prototype device has been validated on simple systems. The aim of this thesis is to demonstrate the application potential of this unique tool for the simulation and rapid development of processes, focusing on important concrete cases, both from an experimental and modelling point of view. This type of study would be completely new and would make it possible to experimentally verify the stability predictions of complex fluids for the first time.
The PhD student will first need to update the microfluidic brick. He/she will then use it to measure the chemical activities of the aforementioned complex fluids and will work with Jean-François Dufrèche to test/validate/further develop the software packages. Secondly, at NTU in Singapore and under the co-supervision of Professor Alex Yan Qingyu (https://personal.ntu.edu.sg/alexyan/ ), he/she will use the duplicate microfluidic platform currently being assembled to apply these results to the rapid development of a process for extracting a critical metal from recycled electronic components from printed circuit boards (SCARCE joint laboratory).
Expected results: publications, proprietary software package and possible patents on the new processes developed.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l’Energie
Laboratoire : Laboratoire Innovation, Chimie des Surfaces Et Nanosciences
Date de début souhaitée : 01-12-2025
Ecole doctorale : Sciences Chimiques: Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes (2MIB)
Directeur de thèse : Gabriel Jean-Christophe
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRAMIS/NIMBE/LICSEN
URL : https://iramis.cea.fr/pisp/jean-christophe-gabriel-2
URL : https://iramis-devwp.extra.cea.fr/nimbe/licsen/materials-et-nanophases-group-structures-characterization-formulation-applications-and-recycling-processes-2/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l’Energie

Master 2 ou Ecole d'ingénieur Procédé ou instrumentation